CN211981495U - 一种防止雷电入侵配电柜装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种防止雷电入侵配电柜装置，属于配电柜防雷技术领域，所述装置包括配电柜、电源和输电线，所述电源经输电线与配电柜连接供电，所述输电线上依次设置隔离变压器、共模信号抑制器和反冲装置。本实用新型隔离变压器初级线圈与次级线圈电气通道的阻断作用，使得外部入侵雷电波在隔离变压器初级线圈产生全反射，无法通过物理通道到达次级，避免配电柜内设备(变频器等)因感应雷击过电压而出现故障，甚至被打坏。

Description

一种防止雷电入侵配电柜装置

技术领域

本实用新型涉及输配电架空线路防雷技术领域，尤其涉及一种防止雷电入侵配电柜装置。

背景技术

随着电力建设的迅猛发展，单台电力设备更加大型化，雷击对发电机组的安全运行和经济效益的影响也日益突出。

风机雷击事故的多年研究显示，每年每百台风机雷击事故率高达8％左右，遇雷击而易损坏的部件系统主要是电气通信系统、控制系统、叶片和发电机。其中，控制系统几率最大，约为40％～50％。风机控制系统雷击损坏主要集中于顶部的PLC控制模块和底部的控制柜模块，分别占控制系统总故障率的65％和22％，此类模块主要控制风机的偏航、液压、变桨及系统通信，对单台风机的安全运行有重要作用。在生产运行中，感应雷击产生的过电压还会沿线路(包括输电线路、通信线路)波及到弱电系统，使弱电系统的通信和控制模块信号丢失或受干扰，造成设备故障。目前，中控和风机配电柜柜采用浪涌保护器的措施，但浪涌保护器被雷打坏的事故仍时有发生，控制系统因雷击损坏的概率也相当高。

针对雷电波入侵弱电系统、损坏配电柜内设备(例如变频器)的问题，现提出一种防止雷电波入侵配电柜的方法。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种防止雷电入侵配电柜装置，以解决背景技术中存在的技术问题。雷电过电压无法通过低压线路入侵到弱电系统配电柜，保证了配电柜内设备的安全。

一种防止雷电入侵配电柜的装置，包括配电柜、电源和输电线，所述电源经输电线与配电柜连接供电，所述输电线上依次设置隔离变压器、共模信号抑制器和反冲装置，所述隔离变压器和共模信号抑制器均串接在输电线上，所述反冲装置设置在共模信号抑制器前端的输电线上。

进一步地，所述反冲装置包括导弧电极和反冲管，所述导弧电极设置在输电线，所述反冲管与导弧电极间隙设置，当输电线出现高点位时，间隙被导通，产生电弧，反冲管将电弧引入并反冲削弱或者熄灭电弧

进一步地，所述反冲管包括反冲管支撑体、反冲通道、裙边和反冲电极，所述反冲通道设置在反冲管支撑体内，所述反冲通道顶端开口设置，底部封闭设置，所述反冲电极设置在反冲通道的底部，所述裙边设置在反冲管支撑体的外侧；

反冲管支撑体底部设置有接地电极，接地电极设置为向内凹陷的金属内螺纹孔，与接地线连接；

反冲管还包括引弧电极，引弧电极设置在反冲通道的入口处，所述引弧电极设置为圆形金属环，圆形金属环外侧壁与反冲通道入口的内侧壁紧贴设置。

隔离变压器是指输入绕组与输出绕组在电气上彼此隔离的变压器，其变比通常为1:1，主要作用是：使一次侧与二次侧的电气完全绝缘，也使该回路隔离。风机配电柜柜内设备的电源是由外部220V交流电源来提供的，将隔离变压器设置在220V交流电源与配电柜之间，既能实现电能的传输(初级侧与次级侧电压大小相等)，又能阻断初级线圈与次级线圈之间的电气通道。在隔离变压器初级侧设置了共模信号抑制器，由于雷电信号主要以共模信号为主，线路上的雷电过电压经过共模信号抑制器后雷电过电压被抑制，过电压无法通过共模信号抑制器到达隔离变压器初级侧，保证雷电波不会侵入配电柜内设备。

隔离变压器的结构：初级线圈、次级线圈、铁芯。低压常见的隔离变压器主要是由金属绕线圈外面敷上绝缘漆，然后初级线圈与次级线圈绕在同一铁芯上组成一个变压器。

在配电柜与配电柜供电电源之间设置隔离变压器，在生产运行中，当电源侧线路产生感应雷击过电压并沿线路向配电柜传导时，隔离变压器初级线圈会使雷电入侵波产生全反射，感应雷击过电压无法通过物理通道到达次级线圈侧，从而避免配电柜内设备因过电压而出现故障，也避免弱电系统的通信模块信号丢失或受干扰。

反冲装置的设置：

反冲装置设置于外部电源与共模信号抑制器之间，且位于共模信号抑制器输入端。感应雷击过电压经过共模信号抑制器时，输入端会产生很高的雷电过电压，此时位于共模信号抑制器输入端的反冲装置能够有效熄灭过电压导致的闪络电弧。反冲装置一端接地连接，另一端与线路相连。所述反冲管为内部中空的半封闭管件，反冲管封闭端采用金属接闪电极封闭，反冲管开放端端口设有金属材质的引弧电极，对电弧起到牵引作用。反冲管管壁的材料需为高强度耐高温耐高压绝缘材料，例如陶瓷等。在反冲管外专门设置一主体绝缘结构，反冲管竖直放置于该结构内部中。绝缘结构主体为一中空管体，管壁绝缘且有一定厚度，主体管的内径稍大于反冲管的外径，使得反冲管能够放入其中。主体管的下端为接地端，与大地相连。主体管的外部设有裙边，设置裙边能够避免电弧在反冲灭弧装置外部闪络，使电弧能够进入指定的灭弧通道。反冲管放置方式为：反冲管封闭端朝向装置内部，反冲管开放端朝向装置开口端(电弧入口处)。

进一步说明，该方法不仅限于防止雷电波入侵风机配电柜，同样适用于防止雷电波入侵其他发电机组配电柜。

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)本实用新型隔离变压器初级线圈与次级线圈电气通道的阻断作用，使得外部入侵雷电波在隔离变压器初级线圈产生全反射，无法通过物理通道到达次级，避免配电柜内设备(变频器等)因感应雷击过电压而出现故障，甚至被打坏。

(2)在隔离变压器之前设置了共模信号抑制器，对雷电共模信号起到抑制作用。

(3)在共模信号抑制器输入端设置了反冲装置，反冲装置能够有效熄灭过电压导致的闪络电弧，并且结构简单，其防雷效果优于现有避雷器。

附图说明

图1为本实用新型配电柜系统电路图。

图2为本实用新型隔离变压器结构图。

图3为本实用新型共模信号抑制器结构示意图。

图4为本实用新型感应雷电波入侵的另一种结构示意图。

图5为本实用新型反冲装置结构示意图。

图6为本实用新型反冲管剖面图。

图7为本实用新型方法流程图。

图8为本实用新型反冲管的反冲原理图。

图中：1-风机；2-配电柜；3-隔离变压器；4-共模信号抑制器；5-电源；6-反冲装置；6.1-导弧电极；6.2-反冲管；6.21-反冲管支撑体；6.22-反冲通道；6.23-裙边；6.24-接地电极；6.25-引弧电极；6.26-反冲电极；7-输电线。

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，以下参照附图并举出优选实施例，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。

根据上述的原理说明和参阅图1对本实用新型实施例进一步说明：

如图1-4所示，一种防止雷电入侵配电柜的装置，包括配电柜2、电源5和输电线7，所述电源5经输电线7与配电柜2连接供电，所述输电线7上依次设置隔离变压器3、共模信号抑制器4和反冲装置6，所述隔离变压器3和共模信号抑制器4均串接在输电线7上，所述反冲装置6设置在共模信号抑制器4前端的输电线7上。

如图1、2所示，风机1配电柜柜内设备的电源是由外部220V交流电源5来提供的，将隔离变压器设置在220V交流电源与配电柜之间，既能实现电能的传输(初级侧与次级侧电压大小相等)，又能阻断初级线圈与次级线圈之间的电气通道。隔离变压器3的结构：初级线圈、次级线圈、铁芯。低压常见的隔离变压器主要是由金属绕线圈外面敷上绝缘漆，然后初级线圈与次级线圈绕在同一铁芯上组成一个变压器。

在配电柜2与配电柜供电电源5之间设置隔离变压器3，在生产运行中，当电源侧线路产生感应雷击过电压并沿线路向配电柜传导时，隔离变压器初级线圈会使雷电入侵波产生全反射，感应雷击过电压无法通过物理通道到达次级线圈侧，从而避免配电柜内设备因过电压而出现故障，也避免弱电系统的通信模块信号丢失或受干扰。

如图1、3所示，在隔离变压器初级侧设置了共模信号抑制器4，由于雷电信号主要以共模信号为主，线路上的雷电过电压经过共模信号抑制器后雷电过电压被抑制，过电压无法通过共模信号抑制器到达隔离变压器初级侧，保证雷电波不会侵入配电柜内设备。

如图4、5所示，反冲装置6设置于外部电源5与共模信号抑制器7之间，且位于共模信号抑制器输入端。雷电波到达共模信号抑制器4时，会在信号抑制器输入端产生高电位，使得反冲装置6的灵敏度提高，反冲装置能够熄灭高电位差引起的冲击闪络电弧。

如图5-6所示，所述反冲装置6包括导弧电极6.1和反冲管6.2，所述导弧电极6.1设置在输电线7，所述反冲管6.2与导弧电极6.1间隙设置，当输电线7出现高点位时，间隙被导通，产生电弧，反冲管6.2将电弧引入并反冲削弱或者熄灭电弧。

所述反冲管6.2包括反冲管支撑体6.21、反冲通道6.22、裙边6.23和反冲电极6.26，所述反冲通道6.22设置在反冲管支撑体6.21内，所述反冲通道6.22顶端开口设置，底部封闭设置，所述反冲电极6.26设置在反冲通道6.22的底部，所述裙边6.23设置在反冲管支撑体6.21的外侧。

反冲管支撑体6.21底部设置有接地电极6.24，接地电极6.24设置为向内凹陷的金属内螺纹孔，与接地线连接。

反冲管6.2还包括引弧电极6.25，引弧电极6.25设置在反冲通道6.22的入口处，所述引弧电极6.25设置为圆形金属环，圆形金属环外侧壁与反冲通道6.22入口的内侧壁紧贴设置。

本申请中，如图8所示，反冲管6.2中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。

该装置防止雷电入侵配电柜的过程为，如图1-7所示，所述方法包括如下步骤：

在风机1底部配电柜2的供电线上依次设置共模信号抑制器4和隔离变压器3。共模信号抑制器4抑制雷电过电压的共模信号，从可以达到进一步削弱过电压的效果。隔离变压器3达到的是物力隔离的作用。

当雷击时会在配电柜2的供电线上产生感应雷击过电压，过电压沿线路向配电柜传导。雷电过电压会对配电柜2造成破坏，会使得整个配电柜2的电子器件均可能损坏，因此防止雷电过电压进入到配电柜2，就可以有效的保护配电柜2。

雷电波到达共模信号抑制器4时，在共模信号抑制器4输入端产生高电位，抑制雷电过电压。共模信号抑制器4根据交流电的突变电压的进行抑制，可以很好的削弱突变电压。

雷电波被共模信号抑制器4抑制后变弱，变弱后的雷电波流经隔离变压器3时，隔离变压器3实现电气阻断作用，过电压在初级侧产生全反射，无法通过物理通道到达次级，有效防止雷电波入侵配电柜。

所述共模信号抑制器4前端的输电线7上设置有反冲装置6，反冲装置6的空气间隙被击穿，反冲装置6熄灭高电位差引起的冲击闪络电弧。

如图3所示，所述反冲装置6包括导弧电极6.1和反冲管6.2，所述导弧电极6.1设置在输电线7，所述反冲管6.2与导弧电极6.1间隙设置，当输电线7出现高点位时，间隙被导通，产生电弧，反冲管6.2将电弧引入并反冲削弱或者熄灭电弧。

如图5-6所示，所述反冲管6.2包括反冲管支撑体6.21、反冲通道6.22、裙边6.23和反冲电极6.26，所述反冲通道6.22设置在反冲管支撑体6.21内，所述反冲通道6.22顶端开口设置，底部封闭设置，所述反冲电极6.26设置在反冲通道6.22的底部，所述裙边6.23设置在反冲管支撑体6.21的外侧。

所述反冲管支撑体6.21底部设置有接地电极6.24，接地电极6.24设置为向内凹陷的金属内螺纹孔，与接地线连接。

反冲管6.2还包括引弧电极6.25，引弧电极6.25设置在反冲通道6.22的入口处，所述引弧电极6.25设置为圆形金属环，圆形金属环外侧壁与反冲通道6.22入口的内侧壁紧贴设置。

裙边6.23的个数为若干个，等间距设置在反冲管支撑体6.21的外侧，所述裙边6.23设置为圆弧形结构。所述反冲电极6.26使用金属材料制成，所述反冲电极6.26设置为半球形结构或者球形结构。裙边6.23的个数为一般是5-7个，设置的距离一般为60mm。

当出现闪络时，引弧电极6.25通过对闪络电弧进行物理触碰、库仑力作用和者尖端放电构成上行先导，将电弧牵引至反冲通道6.22内入口处，外电弧在接闪电极作用下进入极细的反冲通道6.22，其中，反冲通道6.22内径远小于电弧直径。

反冲管6.2管壁的材料需为高强度耐高温耐高压绝缘材料，例如陶瓷等。高强度耐高温耐高压的非导电材料采用合金陶瓷、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。使用上述的材料具有灭弧阈值高的特点，采用高强度耐高温耐高压的非导电材料制成，从而使得灼烧的温度更高。

电弧弧柱在反冲通道6.22内受到狭管灌注作用，电弧发生弹性形变，电弧径向变形转变为轴向变形，提高电弧的轴向弹性力。

电弧因受到反冲通道6.22中管壁限制，弧柱直径强制减小，导致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。

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；与此同时，电弧等离子体在管内密度极剧增大，粒子之间摩擦、碰撞加快，热量、温度再次升高。

反冲管内外温度差变大，导致压力差也变大，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，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，阻断了外电弧能量的注入。

电弧的连续性被破坏，加速了雷电冲击电弧的熄灭，消除闪络形成。

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 (3)

1.一种防止雷电入侵配电柜的装置，包括配电柜(2)、电源(5)和输电线(7)，所述电源(5)经输电线(7)与配电柜(2)连接供电，其特征在于：所述输电线(7)上依次设置隔离变压器(3)、共模信号抑制器(4)和反冲装置(6)，所述隔离变压器(3)和共模信号抑制器(4)均串接在输电线(7)上，所述反冲装置(6)设置在共模信号抑制器(4)前端的输电线(7)上。

2.根据权利要求1所述的一种防止雷电入侵配电柜的装置，其特征在于：所述反冲装置(6)包括导弧电极(6.1)和反冲管(6.2)，所述导弧电极(6.1)设置在输电线(7)，所述反冲管(6.2)与导弧电极(6.1)间隙设置，当输电线(7)出现高点位时，间隙被导通，产生电弧，反冲管(6.2)将电弧引入并反冲削弱或者熄灭电弧。

3.根据权利要求2所述的一种防止雷电入侵配电柜的装置，其特征在于：所述反冲管(6.2)包括反冲管支撑体(6.21)、反冲通道(6.22)、裙边(6.23)和反冲电极(6.26)，所述反冲通道(6.22)设置在反冲管支撑体(6.21)内，所述反冲通道(6.22)顶端开口设置，底部封闭设置，所述反冲电极(6.26)设置在反冲通道(6.22)的底部，所述裙边(6.23)设置在反冲管支撑体(6.21)的外侧；

反冲管支撑体(6.21)底部设置有接地电极(6.24)，接地电极(6.24)设置为向内凹陷的金属内螺纹孔，与接地线连接；

反冲管(6.2)还包括引弧电极(6.25)，引弧电极(6.25)设置在反冲通道(6.22)的入口处，所述引弧电极(6.25)设置为圆形金属环，圆形金属环外侧壁与反冲通道(6.22)入口的内侧壁紧贴设置。

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