CN214849534U - 电弧反冲与雷电波反射叠加衰减雷击强度装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了电弧反冲与雷电波反射叠加衰减雷击强度装置，属于防雷技术领域，方法为将反冲管底部的接闪电极通过串接电抗器后再接地，反冲管通过外部金具设置在输电线底部，雷击输电线路后，雷电弧进入反冲管内部，反冲管内气体或者绝缘液体的温升效应导致电弧爆炸并反向喷出，形成电弧反冲截断，经过反冲管的反冲作用后的雷电流传到电抗器，电抗器利用电抗电流不能突变的特性，延长雷电弧在反冲管内的停留时间，使得电弧在反冲管内有重复被截断的时间。形成电抗器波反射和反冲灭弧的良性互动机制一，强化反冲管内电弧强度达到倍增水平是反冲灭弧能力提高，衰减雷击强度。

Description

电弧反冲与雷电波反射叠加衰减雷击强度装置

技术领域

本实用新型涉及防雷技术领域，尤其涉及电弧反冲与雷电波反射叠加衰减雷击强度装置。

背景技术

雷击避雷针时雷电流强度为自然雷击强度，强度和陡度都非常巨大。在土壤里会在避雷针地网产生巨大电位差形成对绝缘的反击(杆塔绝缘)，在避雷针地网产生巨大跨步电压(基站附近和建筑物附近)造成人身伤害；在空气中会产生巨大瞬变电磁场对电子设备(例如雷达)造成破坏；雷电击中建筑物时会通过结构钢筋的电晕放电剥离与水泥接触面导致钢筋水泥结构“骨肉分离”而使建筑物结构变的“松散”；雷电击中钢厂或炼油厂外漏锅炉会造成锅炉传感器的损坏导致巨大损失。为了能对雷击进行接闪的同时对雷电流的强度和陡度进行大幅度衰减，从根本上消除雷击的电位差、跨步电压、电磁感应和电晕放电等破坏的总根源，确保防雷有效、安全、经济，解决直击雷接闪过程中伴随性出现的雷击二次破坏问题的同时大幅度降低用于降低避雷针地网电阻降阻和均压的投资。针对雷击避雷器时，瞬时大电流在极短的时间内通过灭弧通道释放能量，对建筑物的结构安全造成危害，甚至引起跨步电压造成人身伤亡的问题，提出了电弧反冲与雷电波反射叠加衰减雷击强度方法。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供电弧反冲与雷电波反射叠加衰减雷击强度装置，解决现有瞬时大电流在极短的时间内通过灭弧通道释放能量，对建筑物的结构安全造成危害，甚至引起跨步电压造成人身伤亡的技术问题。本实用新型将反冲管接闪电极串接电抗器后再接地，利用电抗电流不能突变的原理延缓雷电波入地速度，延长雷电弧经过反冲管的时间，使得反冲管内的温升效应充分作用在电弧上，达到截断电弧的目的。

电弧反冲与雷电波反射叠加衰减雷击强度装置，包括反冲管和电抗器，反冲管通过过外部金具设置在输电线底部，反冲管底部的接闪电极通过串接电抗器后再接地设置。

进一步地，反冲管包括陶瓷管体、顶部套盖板、固定装置、底部套盖板、绝缘覆盖层和裙边，顶部套盖板设置在陶瓷管体的顶部，底部套盖板设置在陶瓷管体的底部，固定装置穿过顶部套盖板和底部套盖板，并固定设置，绝缘覆盖层设置在陶瓷管体的外侧，裙边设置在绝缘覆盖层的外侧，顶部套盖板上设置有反冲喷孔。

进一步地，陶瓷管体内部设置为中空的圆柱结构，陶瓷管体的内部中空孔与反冲喷孔设置在同一条直线上，顶部套盖板包括顶盖板套盖和顶盖板沿边，顶盖板套盖设置为向上凹陷结构，顶盖板沿边设置在顶盖板套盖的底部侧边上。

进一步地，底部套盖板包括底盖板套盖和底盖板沿边，底盖板套盖设置为向下凹陷结构，底盖板沿边设置在底盖板套盖的顶部侧边上，顶盖板套盖套设在陶瓷管体的顶部，底盖板套盖套设在陶瓷管体的底部，顶盖板沿边和底盖板套盖设置为圆形结构，且内径与陶瓷管体的外径相同，绝缘覆盖层设置为环氧树脂层，覆盖在绝缘螺杆、螺母、顶盖板沿边和底盖板套盖上，并包合陶瓷管体。

进一步地，固定装置设置为绝缘螺杆，顶盖板沿边和底盖板套盖上均设置有相同数量和大小的螺孔，绝缘螺杆穿过螺孔并设置螺母拧紧设置。

进一步地，顶部套盖板和底部套盖板为钢板或者锌合金板，底部套盖板的底盖板套盖底部设置有固定墩，固定墩底部设置有内陷的螺丝孔，固定墩使用导电材料制成并与底盖板套盖一体设置。

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)本实用新型形成电抗器波反射和反冲灭弧的良性互动机制一：强化反冲管内电弧强度达到倍增水平是反冲灭弧能力提高，全正反射会以倍增的方式强化反冲管内电弧强度，产生更加剧烈遮断电弧的反向电弧压爆冲力。电抗引发雷电波全正反射使电弧强度倍增效应一方面提高了灭弧能力，另一方面降低了电弧遮断阈值。

(2)形成电抗器波折射和反冲灭弧的良性互动机制二：增加冲击波能量在反冲管内的停留时间长度为冲击电弧在完全入地之前遮断电弧提供充分时间---通过电抗的折射波效应减缓了电弧的入地速度，使电弧在反冲管内停留时间延长，一方面为充分遮断电弧赢得时间，另一方面遮断电弧后进一步减缓电弧入地速度，必须通过重燃恢复电弧入地通道，这样大幅度延长雷电波入地放电时间，增加强度衰减度。

(3)提高了雷击等效电源的内阻和雷电电位差的衰减度：使雷击电位差进一步降低。

(4)反冲和串联电抗结合的基本方法既可以用于衰减雷击强度避雷针，又可以用于抑制建弧过程的反冲灭弧间隙，前者只有冲击分量衰减作用而不存在建弧过程抑制，后者没有冲击衰减作用只有建弧抑制作用。

(5)反冲管结构简单，工作稳定可靠。经过反冲作用后，起到大幅度衰减了雷击强度的作用，避免了瞬时大电流带来的潜在风险。将反冲管的反冲灭弧特性与电抗器的正反射提高反冲管内电弧强度作用相配合，提高了反冲灭弧能量和灭弧灵敏度，使得在雷电波前时间的较低水平就会发生电弧折断。在反冲系统中串接电抗器，利用正反射波增强反冲管内的电弧强度，产生更剧烈的反向反冲力截断电弧。将反冲管的反冲灭弧效应与电抗器的折射提高强电弧在反冲管内的停留时间长度作用向配合使得雷电波在入地之前就能充分折断，有效降低了入地雷电强度。

附图说明

图1为本实用新型工作结构示意图。

图2为本实用新型雷电流直角波投射电抗器阻尼延迟原理图。

图3为本实用新型反冲装置结构的剖面图。

图4为本实用新型反冲装置结构没有安装裙边和环氧树脂的俯视图。

图5为本实用新型反冲装置结构的顶部套盖板结构示意图。

图6为本实用新型反冲装置结构的底部套盖板结构示意图。

图7为本实用新型反冲装置结构用在单反冲结构剖面图。

图8为本实用新型传统原始冲击电流波形图。

图9为本实用新型方法进过衰减后的冲击电流波形图。

图中标号：1-陶瓷管体；2-顶部套盖板；2.1-顶盖板套盖；2.2-顶盖板沿边；2.3-顶盖板沿边固定孔；3-螺母；4-固定装置；5-底部套盖板；5.1-底盖板套盖；5.2-底盖板沿边；5.3-底盖板沿边固定孔；6-绝缘覆盖层；7-裙边；8-反冲喷孔；9-固定墩；10-螺孔。

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。

电弧反冲与雷电波反射叠加衰减雷击强度装置，如图1-7所示，包括反冲管和电抗器，反冲管通过过外部金具设置在输电线底部，反冲管底部的接闪电极通过串接电抗器后再接地设置。

如图3所示，反冲管包括陶瓷管体1、顶部套盖板2、固定装置4、底部套盖板5、绝缘覆盖层6和裙边7，顶部套盖板2设置在陶瓷管体1的顶部，底部套盖板5设置在陶瓷管体1的底部，固定装置4穿过顶部套盖板2和底部套盖板5，并固定设置，绝缘覆盖层6设置在陶瓷管体1的外侧，裙边7设置在绝缘覆盖层6的外侧，顶部套盖板2上设置有反冲喷孔8。陶瓷管体1内部设置为中空的圆柱结构，陶瓷管体1的内部中空孔与反冲喷孔8设置在同一条直线上。

固定装置4设置为绝缘螺杆，顶盖板沿边2.2和底盖板套盖5.1上均设置有相同数量和大小的螺孔，绝缘螺杆穿过螺孔并设置螺母3拧紧设置。顶盖板套盖2.1套设在陶瓷管体1的顶部，底盖板套盖5.1套设在陶瓷管体1的底部，顶盖板沿边2.2和底盖板套盖5.1设置为圆形结构，且内径与陶瓷管体1的外径相同。绝缘覆盖层6设置为环氧树脂层，覆盖在绝缘螺杆、螺母3、顶盖板沿边2.2和底盖板套盖5.1上，并包合陶瓷管体1。顶部套盖板2和底部套盖板5为钢板或者锌合金板。

首先在反冲管的上下两端用环氧树脂分别紧密粘合一带凹槽的圆形钢板，其中反冲管上端的钢板中心有开孔，大小与反冲管的孔径大小一致。在钢板上还有4个能安装绝缘螺栓的圆孔，均匀分布在钢板外围。8个螺母分别用在4个绝缘螺杆的上下端，起到固定反冲管位置的作用。为避免雷击时，钢板之间距离太近而发生闪洛，将绝缘螺杆、陶瓷管及螺母用环氧树脂全封装起来。伞裙位于封装后环氧树脂筒的最外边。

如图5所示，顶部套盖板2包括顶盖板套盖2.1和顶盖板沿边2.2，顶盖板套盖2.1设置为向上凹陷结构，顶盖板沿边2.2设置在顶盖板套盖2.1的底部侧边上。顶部套盖板2主要是固定陶瓷管体1的上端，然后顶盖板套盖2.1的顶部裸露时，可以直接使用作为引弧电极，实现固定和引弧电极作用，实现双作用，同时这个引弧电极的实用寿命会非常好，具有固定性，厚度够厚，电弧多次烧后，磨损后一样可以正常工作。

如图6所示，底部套盖板5包括底盖板套盖5.1和底盖板沿边5.2，底盖板套盖5.1设置为向下凹陷结构，底盖板沿边5.2设置在底盖板套盖5.1的顶部侧边上。底部套盖板5主要是用于套住固定陶瓷管体1的底部，包住底部，不会出现破裂的情况，同时底盖板套盖5.1用作为接闪电极，把反冲剩余的电能往后传，解决原来接闪电极难固定，使用寿命不长的技术问题。

如图7所示，底部套盖板5的底盖板套盖5.1底部设置有固定墩9，固定墩9底部设置有内陷的螺丝孔，固定墩9使用导电材料制成并与底盖板套盖5.1一体设置。固定墩9主要是用于将整个反冲装置固定在外部结构上，实现快速的固定。

将反冲管底部的接闪电极通过串接电抗器后再接地，反冲管通过外部金具设置在输电线底部，雷击输电线路后，雷电弧进入反冲管内部，反冲管内气体或者绝缘液体的温升效应导致电弧爆炸并反向喷出，形成电弧反冲截断，经过反冲管的反冲作用后的雷电流传到电抗器，电抗器利用电抗电流不能突变的特性，延缓雷电波入地速度，延长雷电弧在反冲管内的停留时间，使得电弧在反冲管内有重复被截断的时间，经过重复截断灭弧衰减的雷电流接地，避免瞬时大电流和高电压出现。

雷电弧在反冲管内间歇灭弧的过程为：

反冲灭弧形成雷击闪络过程的间歇性放电，雷电弧进入细孔反冲管内封闭空间的电弧产生温升效应，电弧变细后的电流欧姆发热温升效应，电弧等离子体密度增加后等离子体相互摩擦温升效应，反冲管阻断电弧辐射、传导和对流能量流失通道温升效应，温升效应导致电弧爆炸并反向喷出入口形成电弧反冲截断，在通过重燃恢复电弧接通，由此形成间歇放电过程，延长放电时间降低放电强度。

电抗器延缓雷电波入地的具体过程为：

电抗器的作用一：放缓雷电波折射通过电抗的时间由此延长电弧停留在反冲管内的时间---为反冲爆炸力截断冲击电弧提供足够的时间。电抗器的作用二：电抗器对雷电波的正反射作用提高了反冲管内的电弧强度，提高了反冲管内电弧的强度和反向爆炸力由此提高截断电弧能力和提高截断电弧的灵敏度。电抗器的作用三：通过高频阻抗作用进一步衰减雷电强度。根据彼德逊法则电抗器相当于等效电源的内阻，在电源电压和负荷阻抗不变的条件下，电抗器的压降降低了施加到负荷(雷击点)的电位差。

电抗器对折射波具有阻尼延迟通过的作用，折射波为通过电抗器的波，使电弧滞留在反冲管内的时间延长，使截断电弧具有更长的时间，电抗器对雷电波的正反射的能力使滞留在反冲管内的电弧强度倍增，使反冲时间提前到雷电波较小靠近波头起点附近的水平，加大截断电弧的反向爆炸力和降低了截断电弧的阈值，通过电抗的正反射雷电波使反冲管内电弧强度倍增，电弧反方向定向爆炸截断电弧能力也会倍增，由此提高电弧发生反向定向爆炸的强度和灵敏度，使雷电弧强度由于雷电波在电抗器产生正反射而得以倍增强化，使得在较小的雷电弧强度下就能发生剧烈的反冲灭弧能量，使雷电弧的截断时间提前和放电时间辣的更长，在相同自然雷击强度下电抗器的对雷电波的正反射作用和阻尼折射作用会进一步衰减雷击强度。雷电波发生正反射使电弧在更低的强度下产生倍增，并产生更强的朝向电弧入口的反向定向爆炸力截断电弧，使电弧在更低的水平下发生截断，电弧强度被抑制在更低的水平。

反冲管内放置绝缘液体时，绝缘液体内放置3-5％的金属粉末。通过放置金属粉末，金属粉末会提前形成一定的电场，是的接闪更快，然后再压爆效应时，金属粉末会加大压爆效应的能量消耗，从而降低闪电能耗。

如图8所示，传统没有经过衰减的电流波形强度达到69kA，如图9所示，为经过反冲的波形，强度只有35kA，几乎衰减了一半。

一、试验数据分析：反冲后波形的波头时间T1代表冲击波形的变化率(陡度)由反冲前的3.6微秒增加到反冲后的8.5微秒，增加了一半多，说明变化率降低了一半以上；代表冲击波放电时间的半峰值时间T2由反冲前的10.2微秒增加到反冲后的25.2微秒，说明反冲放电时间增加一倍。通过延长放电时间来换取降低冲击波形幅值的目的。降低强度的核心技术是利用电弧反冲的能力实现对电弧的遮断，延缓放电的时间，限制放电电流的上升空间，达到衰减强度的目的。

二、强度衰减机理：反冲的机理是电弧由于库仑力驱使进入只有电弧入口没有电弧出口的管道内，电弧受到由粗变细的挤压产生电流欧姆热温升；电弧能量通过辐射、对流和传导流失的的通道全部被阻断产生热量集聚温升；电弧变细导致等离子体密度增加会产生摩擦性温升和电弧和管壁摩擦性温升。温升的剧烈升高会导致爆炸效应，爆炸的定向性使电弧由管内冲出入口形成电弧的反向高速运动通过巨大的动能冲击力遮断管内的电弧，通过喷出的巨大动能对反冲管入口外的电弧产生空腔效应使外电弧产生大尺度的粉碎性断裂，导致电弧通道被遮断，由此限制了冲击波(雷电波)强度的继续增加，电弧只能通过重燃才能恢复放电并通过上述机理引起新的遮断。反冲机制使得自然雷击的顺畅放电过程变为时通时断的间歇性放电过程。时通时断的放电机制阻碍了电流强度的上升；时通时断的放电机制延长了放电时间长度。反冲的制约使自然放电的“瘦高”波形变成“矮胖”的受控波形。冲击波形的降低能够从根本上解决高土壤电阻率地区杆塔雷击电位差超标导致的绝缘反击的问题。因为欧姆压降会由于雷击电流的降低而按比例降低。解决了跨步电压的超标，解决了地网均瑶的巨大成本。

应用领域和行业：解决了建筑物主体结构雷击电晕放电钢筋混凝土“骨肉剥离”的问题，剥离水泥的钢筋会锈蚀而断裂。该技术的应用领域是：一、电网变电站防雷，避免地网阻值不达标也能消除雷击反击的发生。降低地网的阻值要求。二、输电线路雷击反击防雷，降低了地网降阻要求。三、高铁接触网防雷。四、移动基站防雷。五、建筑物防雷。六、炼油和炼钢厂巨大锅炉直击雷防护。七、组合式路灯防雷。八、森林防雷击火灾。九、雷达防雷、十、军事设施和发射场防雷。十一、电磁感应源头消减。十二、油库和石化仓库码头防雷。十三、巨大施工设施防雷。十四、古建筑和旅游景点防雷。十五、油田“磕头机”防雷。

反冲管结构简单，工作稳定可靠。经过反冲作用后，起到大幅度衰减了雷击强度的作用，避免了瞬时大电流带来的潜在风险。将反冲管的反冲灭弧特性与电抗器的正反射提高反冲管内电弧强度作用相配合，提高了反冲灭弧能量和灭弧灵敏度，使得在雷电波前时间的较低水平就会发生电弧折断。在反冲系统中串接电抗器，利用正反射波增强反冲管内的电弧强度，产生更剧烈的反向反冲力截断电弧。将反冲管的反冲灭弧效应与电抗器的折射提高强电弧在反冲管内的停留时间长度作用向配合使得雷电波在入地之前就能充分折断，有效降低了入地雷电强度。

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 (6)

1.电弧反冲与雷电波反射叠加衰减雷击强度装置，其特征在于：包括反冲管和电抗器，反冲管通过外部金具设置在输电线底部，反冲管底部的接闪电极通过串接电抗器后再接地设置。

2.根据权利要求1所述的电弧反冲与雷电波反射叠加衰减雷击强度装置，其特征在于：反冲管包括陶瓷管体(1)、顶部套盖板(2)、固定装置(4)、底部套盖板(5)、绝缘覆盖层(6)和裙边(7)，顶部套盖板(2)设置在陶瓷管体(1)的顶部，底部套盖板(5)设置在陶瓷管体(1)的底部，固定装置(4)穿过顶部套盖板(2)和底部套盖板(5)，并固定设置，绝缘覆盖层(6)设置在陶瓷管体(1)的外侧，裙边(7)设置在绝缘覆盖层(6)的外侧，顶部套盖板(2)上设置有反冲喷孔(8)。

3.根据权利要求2所述的电弧反冲与雷电波反射叠加衰减雷击强度装置，其特征在于：陶瓷管体(1)内部设置为中空的圆柱结构，陶瓷管体(1)的内部中空孔与反冲喷孔(8)设置在同一条直线上，顶部套盖板(2)包括顶盖板套盖(2.1)和顶盖板沿边(2.2)，顶盖板套盖(2.1)设置为向上凹陷结构，顶盖板沿边(2.2)设置在顶盖板套盖(2.1)的底部侧边上。

4.根据权利要求3所述的电弧反冲与雷电波反射叠加衰减雷击强度装置，其特征在于：底部套盖板(5)包括底盖板套盖(5.1)和底盖板沿边(5.2)，底盖板套盖(5.1)设置为向下凹陷结构，底盖板沿边(5.2)设置在底盖板套盖(5.1)的顶部侧边上，顶盖板套盖(2.1)套设在陶瓷管体(1)的顶部，底盖板套盖(5.1)套设在陶瓷管体(1)的底部，顶盖板沿边(2.2)和底盖板套盖(5.1)设置为圆形结构，且内径与陶瓷管体(1)的外径相同，绝缘覆盖层(6)设置为环氧树脂层，覆盖在绝缘螺杆、螺母(3)、顶盖板沿边(2.2)和底盖板套盖(5.1)上，并包合陶瓷管体(1)。

5.根据权利要求4所述的电弧反冲与雷电波反射叠加衰减雷击强度装置，其特征在于：固定装置(4)设置为绝缘螺杆，顶盖板沿边(2.2)和底盖板套盖(5.1)上均设置有相同数量和大小的螺孔，绝缘螺杆穿过螺孔并设置螺母(3)拧紧设置。

6.根据权利要求5所述的电弧反冲与雷电波反射叠加衰减雷击强度装置，其特征在于：顶部套盖板(2)和底部套盖板(5)为钢板或者锌合金板，底部套盖板(5)的底盖板套盖(5.1)底部设置有固定墩(9)，固定墩(9)底部设置有内陷的螺丝孔，固定墩(9)使用导电材料制成并与底盖板套盖(5.1)一体设置。

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