CN211405000U - 一种低压系统提前放电反冲灭弧装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种低压系统提前放电反冲灭弧装置，属于低压系统防雷技术领域，包括反冲灭弧单元，所述反冲灭弧单元包括反冲管、绝缘导线、高压包和电场感应线，所述绝缘导线一端与高压包的输出端连接，所述电场感应线与高压包连接，且电场感应线设置在低压系统开关的侧边，所述绝缘导线的另一端设置在反冲管内。本实用新型能改变灭弧装置的动作电压。高压包提前产生大量自由电子，绝缘强度自动降低，电弧闪络提前，反冲灭弧过程也提前，灭弧时间大大缩短。改善伏秒特性。高压脉冲通过提前击穿空气间隙，提供了大量自由电子，改善了间隙伏秒特性。

Description

一种低压系统提前放电反冲灭弧装置

技术领域

本实用新型涉及低压系统防雷技术领域，尤其涉及一种低压系统提前放电反冲灭弧装置。

背景技术

随着现代电力工业的进一步发展和用户供电服务要求的进一步提高，对低压侧(220V、380V)配电开关设备运行的安全性、可靠性、智能自动化等技术水平也提出了更高的要求。在低压配电系统中，配电设备的过电压故障较为常见，主要表现为大气过电压(雷电)和操作过电压两方面，会造成配电设备发生烧损、冲击破坏等，直接影响到配电设备供电和用户用电的安全可靠性。

由于低压系统开关柜具有占地面积小、操作简单、安全可靠性较高等优点，可以安装在用户端用作终端控制开关，在低压系统规划设计中得到优选使用。配电系统中开关需经常开断各种配电网、电容器、电机等阻性、容性或感性负载。过电压会引起轻微发热，发热原因主要是过流、接触不良和涡流引起的。过电压的主要危害是破坏系统开关柜绝缘性能，造成短路。

开关设备在操作过程中，在低压系统负载侧和电源侧发生呈现高频振荡的重燃问题，其高频过电压的频率主要取决于连接电缆自身的电气特征参数和长度，这种高频过电压即便是其过电压幅值不太大，但其反复冲击对变电站、开关设备等也是有害的。虽然，MOA氧化锌避雷器、浪涌保护器可以很好地限制过电压的幅值，但是其达不到限制重燃过电压频率的效果。在切除配电网系统中的并联电抗器、高压电动机等感性负载过程中，因电抗器和高压电动机是典型的纯感性负载，且感量通常较大，在操作过程中会产生幅值较高的截流过电压。由于MOA氧化锌避雷器、浪涌保护器只能抑制过电压幅值，不能抑制重燃频率及断口间暂态恢复电压的上升速度，因此在抑制开关操作产生的重燃高频过电压方面的效果不是非常理想。针对上述问题与不足，现提出了一种低压系统提前放电反冲灭弧方法。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种低压系统提前放电反冲灭弧装置，解决现有低压系统中反冲灭弧装置空气间隙难导通的技术问题。

一种低压系统提前放电反冲灭弧装置，包括反冲灭弧单元，所述反冲灭弧单元包括反冲管、绝缘导线、高压包和电场感应线，所述绝缘导线一端与高压包的输出端连接，所述电场感应线与高压包连接，且电场感应线设置在低压系统开关的侧边，所述绝缘导线的另一端设置在反冲管内。

进一步地，所述反冲管包括引弧电极、反冲管壁和接闪电极，所述接闪电极设置在反冲管壁的一端并密封设置，引弧电极设置在反冲管壁的另一端内。

进一步地，反冲灭弧单元的数量为若干个，反冲灭弧单元与反冲灭弧单元之间不平行设置，且首尾通过设置接闪线连接，所述接闪线的一端与一个反冲灭弧单元的接闪电极连接，另一端与下一个反冲灭弧单元的引弧电极连接。

进一步地，所述反冲灭弧单元与反冲灭弧单元之间填充有绝缘材料，所述绝缘材料设置为圆形柱体，反冲灭弧单元倾斜埋设在圆形柱体内，且反冲管的反冲口与外部连通，其中一个反冲灭弧单的引弧电极上还设置有在开关侧边的引弧装置。

进一步地，所述反冲灭弧单元与反冲灭弧单元之间的夹角为30°-60°，反冲灭弧单元与反冲灭弧单元正反向排布埋设在绝缘材料内。

进一步地，所述圆形柱体的外侧设置有裙边，所述圆形柱体两端的裙边的圆弧半径比中间的裙边的圆弧半径大。

进一步地，所述反冲管壁由高强度耐高温耐高压的非导电材料制成，引弧电极设置为导电金属环，并且导电金属环的外侧壁紧贴于反冲管的内壁，接闪电极由导电材料制成，设置为球形结构密封在反冲管的一端。

单个反冲管为一端开放、另一端封闭的半封闭结构，封闭端采用金属电极固定封堵。反冲管材料采用陶瓷或其他高强度耐高温绝缘材料。为了使电弧能完全进入反冲管内，可以在反冲管入口处增设引弧装置。将多个反冲管首尾连接形成多级反冲灭弧结构，连接处即为电弧喷口，连接方式可为垂直反冲或曲折反冲。为保证电弧能按照设定的路径发展，在相邻两个反冲管之间采用引弧装置实现电气连接。两相邻反冲管之间的夹角设置在30°-60°之间。

高压包通过两根绝缘导线伸出两个电极，两电极埋设在反冲管接闪电极附近的管壁上。高压包内设有电场信号感应装置，可在电弧闪络之前产生高压脉冲，将两电极之间的空气间隙击穿，使得接闪电极附近提前产生大量自由电子。在多级反冲管的每一接闪电极附近均设有提前放电，提前放电可通过“一对一”模式实现，即每个反冲管都独立设置一个高压包；提前放电也可通过“一对多”模式实现，即一个高压包为多个反冲管提供自由电子，该情况下对高压包的功率要求较大。

本实用新型的基本原理：

电弧等离子体发生弹性形变。电弧等离子体在进入反冲管入口时，首先物理形状发生改变，由粗电弧变成了极细的电弧，径向压力转成轴向压力，由于狭管反冲效应，在电弧反冲时喷出速度会加快。

2.电弧温升效应加剧。电弧变细后，电弧横截面积减小，根据公式

电弧电阻会大幅度上升。由于雷电弧在实际经验工作中常作为恒流源，根据公式W＝∫I²×RΔt可知，尽管冲击时时间仅有几微秒，但整体能量会增强，反冲管内敛性温度会升高。

3.压爆效应急剧增加。当温度的逐步升高使得电弧积累性的增加，又进一步加剧了压爆效应，使电弧喷射力度更大。

本实用新型采用了上述技术方案，本实用新型具有以下技术效果：

(1)本实用新型改变动作电压。高压包提前产生大量自由电子，绝缘强度自动降低，电弧闪络提前，反冲灭弧过程也提前，灭弧时间大大缩短。

(2)改善伏秒特性。高压脉冲通过提前击穿空气间隙，提供了大量自由电子，改善了间隙伏秒特性。

(3)利用电弧自身能量熄灭电弧，且电弧闪络路径被严格管控，是一种自能式灭弧方式。

(4)低压系统的绝缘间隙距离较短，设置高压包提前放电对电弧闪络及伏秒特性的影响十分明显。

附图说明

图1是本实用新型反冲单元提前放电连接图。

图2是本实用新型多级反冲提前放电示意图。

图3是本实用新型多级反冲提前放电装置剖面图。

图4是本实用新型反冲管剖面图。

图5是本实用新型反冲管反冲原理图。

图6是本实用新型反冲流程图。

附图说明：1-反冲管；2-电弧入口；3-绝缘导线；4-高压包；5-电弧喷口； 6-电场感应线；7-接闪线；8-引弧电极；9-反冲管壁；10-接闪电极；11-裙边； 12-绝缘材料；13-柱体。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，举出优选实施例，对本实用新型进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本实用新型的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本实用新型的这些方面。

如图1所示，本实用新型一种低压系统提前放电反冲灭弧装置，包括反冲灭弧单元，所述反冲灭弧单元包括反冲管1、绝缘导线3、高压包4和电场感应线6，所述绝缘导线3一端与高压包4的输出端连接，所述电场感应线6 与高压包4连接，且电场感应线6设置在低压系统开关的侧边，所述绝缘导线3的另一端设置在反冲管1内。如图4-5所示，所述反冲管1包括引弧电极 8、反冲管壁9和接闪电极10，所述接闪电极10设置在反冲管壁9的一端并密封设置，引弧电极8设置在反冲管壁9的另一端内。

反冲管的管壁9由高强度耐高温耐高压的非导电材料制成，引弧电极8 设置为导电金属环，并且导电金属环的外侧壁紧贴于反冲管的内壁，接闪电极10由导电材料制成。高强度耐高温耐高压的非导电材料使用合金陶瓷、稀土陶瓷、石墨烯-陶瓷复合材料、有机陶瓷、合成硅橡胶、有机绝缘材料、合金玻璃、稀土玻璃、石墨烯玻璃、有机玻璃中的任意一种。

如图3所示，反冲灭弧单元的数量为若干个，反冲灭弧单元与反冲灭弧单元之间不平行设置，且首尾通过设置接闪线7连接，所述接闪线7的一端与一个反冲灭弧单元的接闪电极10连接，另一端与下一个反冲灭弧单元的引弧电极8连接。如图3所示，所述反冲灭弧单元与反冲灭弧单元之间填充有绝缘材料12，所述绝缘材料12设置为圆形柱体13，反冲灭弧单元倾斜埋设在圆形柱体13内，且反冲管1的反冲口与外部连通，其中一个反冲灭弧单的引弧电极8上还设置有在开关侧边的引弧装置。高压包4均是埋设在绝缘材料12内部。所述反冲灭弧单元与反冲灭弧单元之间的夹角为30°-60°，反冲灭弧单元与反冲灭弧单元正反向排布埋设在绝缘材料12内。所述圆形柱体 13的外侧设置有裙边11，所述圆形柱体13两端的裙边11的圆弧半径比中间的裙边11的圆弧半径大。所述反冲管壁9由高强度耐高温耐高压的非导电材料制成，引弧电极8设置为导电金属环，并且导电金属环的外侧壁紧贴于反冲管的内壁，接闪电极10由导电材料制成，设置为球形结构密封在反冲管的一端。

多级反冲管排布可以呈“N”字形或“W”字形。多级反冲结构封装在柱形绝缘材料中，电弧喷口位于柱体上、下两面，柱体侧面增设裙边

反冲管内径小于电弧直径，反冲管的内径为2.5-10mm，输电线路电压等级越高，反冲管内径越大。

如图5所示，可定义外电弧在入口处速度为v0，压强为p0，密度为ρ0，温度为T0。外电弧进入反冲组件后，形成的入口电弧速度v1，压强为p1，密度为ρ1，温度为T1。经过引弧组件后出口电弧速度v2，压强为p2，密度为ρ2，温度为T2。外电弧通过入口进入反冲组件形成了内电弧，内电弧受到反冲组件壁的限制，直径被大尺度机械压缩，使得内电弧温度、密度、压强和速度均上升。不考虑电弧能量流失和摩擦作用，当入口电弧经过接闪组件实现弹性碰撞瞬间，认为v1＝-v2，即入口电弧速度大小与出口速度大小相等，方向相反。考虑电弧能量流失和摩擦作用，入口电弧经过接闪组件碰撞后，认为∣v2∣＜∣v1∣，即出口速度大小比入口速度小，方向相反。出口电弧受到入口电弧的阻碍作用，出口电弧直径比入口电弧直径小，使出口电弧的密度、温度和压强均比入口电弧的大，即ρ2＞ρ1，T2＞T1，p2＞p1，这些共同作用，使v2增速大于v1增速，即a2＞a1。随着出口电弧直径不断被压缩，使得出口电弧密度、温度和压强不断增大，最终形成v2＞v1，促使出口电弧从入口处冲出反冲组件。出口电弧以冲出反冲组件后，对外电弧形成空腔效应，破坏电弧连续性，削弱电弧能量，加速其截断和熄灭。

考虑到反冲组件中原有存在着空气，当电弧进入反冲组件后，形成的一系列效应和机制，使得反冲组件中的空气被压缩，造成反冲组件内气压升高，减小了电子的自由行程长度，削弱和抑制了电离过程，使电气绝缘强度显著提高，有利于电弧截断和熄灭。根据实验数据可知，当空气从0.1Mpa(1atm) 被压缩至2.8Mpa时，被压缩空气击穿电压可上升至标准空气击穿电压 (30kV/cm)的9～12倍，极大地提高了电气绝缘强度。反冲组件中原有的空气，受到反冲组件中温升效应和压升效应的影响，产生的喷射气流从反冲组件喷射并作用于外电弧，利用气流对外电弧的空腔效应，加速外电弧的对流、辐射和传导，使电弧由导电性转化为介质性，形成电弧自熄灭。

一种低压系统提前放电反冲灭弧过程，包括如下步骤：

步骤1：当低压系统负载侧或者电源侧发生高频振荡重燃电弧时，高压包通过电场感应线6感应附近电场变化提前产生高压脉冲，高压脉冲在反冲管管内产生，在管内提供自由电子。

步骤2：引弧装置通过库仑力或物理触碰牵引电弧使其进入第一个反冲管。引弧装置包括引弧杆和引弧导线，所述引弧杆设置在绝缘填充材料上，并通过引弧导线与其中一个反冲管的引弧电极连接。

电弧在反冲管内受到管壁挤压后直径由粗变细，产生欧姆性温升；同时粒子之间的摩擦加剧，摩擦伴随着管内温度的上升；电弧遇到接闪电极后产生折断，方向发生180度转变，电弧阻断效应加速温升。电弧因受到反冲管中管壁限制，弧柱直径强制减小，整个电弧导电横截面积变小，电弧电阻增大，由功率计算公式：P＝I²·R可知，电弧功率也增大，使得管内热量、温度均升高；

步骤3：电弧进入反冲管后，电弧发生弹性变形，电弧功率增大，温度升高，反冲管内热量升高。

步骤4：反冲管与外部的压力差变大，当反冲管管内压力大于管外压力时，产生由内向外的定向电弧压爆效应，压爆效应造成电弧排放：一方面，管内电弧被迅速排空；另一方面，外电弧空腔效应，阻断外电弧能量的注入。

步骤5：在反冲管的接闪电极10上设置接闪线9与下一个反冲管的引弧电极8连接，前一个反冲管内剩余的电弧依次经接闪线9和下一个反冲管的引弧电极8进入下一个反冲管，电弧最终被完全熄灭。在接闪组件上设置接闪线与下一个反冲管的引弧组件连接，前一个反冲管内剩余的电弧依次经接闪线和下一个反冲管的引弧组件进入下一个反冲管。重复若干次步骤2-步骤5 的过程，最终，电弧在若干个反冲管内的断点同时断裂，经过多个物理过程后，电弧的连续性被破坏，加快冲击电弧的熄灭。

当电弧接近该装置时，引弧电极8通过对闪络电弧的物理触碰、库仑力作用或者尖端放电形成上行，将电弧牵引至第一个反冲管入口附近，外电弧在第一个反冲管的引弧组件牵引下进入极细的反冲管，其中，反冲管内径远小于电弧直径，电弧弧柱在反冲管内受到狭管灌注作用，电弧因受到反冲单元中管壁限制，弧柱直径强制减小，整个电弧导电横截面积变小，电弧电阻增大，由功率计算公式：P＝I²·R可知，电弧功率也增大，使得管内热量、温度均升高，此为功率性温升，同时，入口电弧与出口电弧在管内发生180°对冲碰撞，切断了电弧辐射、对流、传导、流失的通道，散热被阻断，温度进一步上升，此为阻断性温升，电弧等离子体在管内密度急剧增大，粒子之间的摩擦、碰撞加快，热量、温度再次升高，此为摩擦性温升，三大温升效应使得管内外温度差变大，压力差也变大，当反冲管管内压力大于管外压力时，产生由内向外的定向电弧压爆效应，管内电弧被迅速排空，外电弧空腔效应，阻断了外电弧能量的注入，剩余电弧依次经接闪线接闪、下一个引弧电极3 导弧后进入下一反冲管，之后的反冲灭弧过程同上，最终，电弧在多个断点同时断裂，其连续性被破坏，加速冲击电弧的熄灭。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种低压系统提前放电反冲灭弧装置，其特征在于：包括反冲灭弧单元，所述反冲灭弧单元包括反冲管(1)、绝缘导线(3)、高压包(4)和电场感应线(6)，所述绝缘导线(3)一端与高压包(4)的输出端连接，所述电场感应线(6)与高压包(4)连接，且电场感应线(6)设置在低压系统开关的侧边，所述绝缘导线(3)的另一端设置在反冲管(1)内。

2.根据权利要求1所述的一种低压系统提前放电反冲灭弧装置，其特征在于：所述反冲管(1)包括引弧电极(8)、反冲管壁(9)和接闪电极(10)，所述接闪电极(10)设置在反冲管壁(9)的一端并密封设置，引弧电极(8)设置在反冲管壁(9)的另一端内。

3.根据权利要求2所述的一种低压系统提前放电反冲灭弧装置，其特征在于：反冲灭弧单元的数量为若干个，反冲灭弧单元与反冲灭弧单元之间不平行设置，且首尾通过设置接闪线(7)连接，所述接闪线(7)的一端与一个反冲灭弧单元的接闪电极(10)连接，另一端与下一个反冲灭弧单元的引弧电极(8)连接。

4.根据权利要求3所述的一种低压系统提前放电反冲灭弧装置，其特征在于：所述反冲灭弧单元与反冲灭弧单元之间填充有绝缘材料(12)，所述绝缘材料(12)设置为圆形柱体(13)，反冲灭弧单元倾斜埋设在圆形柱体(13)内，且反冲管(1)的反冲口与外部连通，其中一个反冲灭弧单元的引弧电极(8)上还设置有在开关侧边的引弧装置。

5.根据权利要求4所述的一种低压系统提前放电反冲灭弧装置，其特征在于：所述反冲灭弧单元与反冲灭弧单元之间的夹角为30°-60°，反冲灭弧单元与反冲灭弧单元正反向排布埋设在绝缘材料(12)内。

6.根据权利要求4所述的一种低压系统提前放电反冲灭弧装置，其特征在于：所述圆形柱体(13)的外侧设置有裙边(11)，所述圆形柱体(13)两端的裙边(11)的圆弧半径比中间的裙边(11)的圆弧半径大。

7.根据权利要求2所述的一种低压系统提前放电反冲灭弧装置，其特征在于：所述反冲管壁(9)由高强度耐高温耐高压的非导电材料制成，引弧电极(8)设置为导电金属环，并且导电金属环的外侧壁紧贴于反冲管的内壁，接闪电极(10)由导电材料制成，设置为球形结构密封在反冲管的一端。

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