CN215497530U - 一种串联补偿电容器抑制雷电过电压的保护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种串联补偿电容器抑制雷电过电压的保护装置，属于防雷灭弧技术领域，包括隔离开关、串联补偿电容器和灭弧装置，串联补偿电容器和灭弧装置均并联设置在隔离开关的上，灭弧装置包括密封灭弧单元，或者包括密封灭弧单元和间隙单元，密封灭弧单元并联设置在串联补偿电容器上，或者密封灭弧单元与间隙单元串联设置，且与串联补偿电容器并联设置，灭弧装置的绝缘度比串联补偿电容器低。该装置单个并置于串联补偿电容器的两端，不存在特性分散的问题，因此不会造成串联补偿电容器爆炸的恶性事故，整体电弧快速被截断，电弧在液体中放电产生液电效应，迅速形成冲击波，在预击穿阶段就截断电弧，灭弧速度快，介质的温升低。

Description

一种串联补偿电容器抑制雷电过电压的保护装置

技术领域

本实用新型涉及防雷灭弧技术领域，尤其涉及一种串联补偿电容器抑制雷电过电压的保护装置。

背景技术

目前，串联补偿电容器抑制雷电过电压使用的是金属氧化物避雷器，主要是为了限制输电线路故障条件下在串联补偿电容器上产生的工频过电压。

串联补偿电容器在金属氧化物避雷器动作时会释放巨大的直流电流，避雷器的功耗大，导致破坏能量巨大。由于功耗大、额定电压低，避雷器必须采用并联模式。几十个金属氧化物避雷器并联，必然存在特性分散，导致只有一个避雷器承受所有能量的极限情况，最终发生避雷器爆炸并摧毁电容器的严重事故。

金属氧化物避雷器存在发热与散热的问题：金属氧化物避雷器在使用过后会产生巨大的发热量，再加上其防潮密封的环境，严重影响散热通道，导致发生热击穿现象；同时存在动作间隔远小于散热时间的问题：一般阀片散热间隔时间在50秒到60秒之间，严重情况下会使得金属氧化物避雷器因不能及时散热导致避雷器击穿。一旦发生热击穿，该避雷器阀片电阻从非线性状态变成永久性短路状态，形成短路事故源。

由于普通防雷间隙的伏秒特性曲线较为陡峭，而串联电容器的伏秒特性曲线相对平滑，存在绝缘配合盲区。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种串联补偿电容器抑制雷电过电压的保护装置，解决背景技术中提到的技术问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种串联补偿电容器抑制雷电过电压的保护装置，包括隔离开关、串联补偿电容器和灭弧装置，串联补偿电容器和灭弧装置均并联设置在隔离开关的上，灭弧装置包括密封灭弧单元，或者包括密封灭弧单元和间隙单元，密封灭弧单元并联设置在串联补偿电容器上，或者密封灭弧单元与间隙单元串联设置，且与串联补偿电容器并联设置，灭弧装置的绝缘度比串联补偿电容器低。

进一步地，间隙单元包括绝缘子串、上端金具、下端金具和导电极，上端金具和下端金具分别设置在上下两端，绝缘子串固定在上端金具和下端金具上，导电极分别设置在上端金具和下端金具上，并相对设置。

进一步地，密封灭弧单元设置为一个密封管，密封管两端分别设置上电极和下电极密封设置，密封管内设置有绝缘油，密封管的侧边设置有裙边。

进一步地，密封管还包括陶瓷管和保护外壳，保护外壳设置在陶瓷管的外侧，裙边设置在保护外壳的外侧。

进一步地，上电极包括上层石墨电极、中间金属电极和下层石墨电极，中间金属电极固定在陶瓷管和保护外壳的一端，上层石墨电极设置在中间金属电极的上层，下层石墨电极设置在中间金属电极的底部，且设置在陶瓷管内，下电极包括上端石墨电极和底部金属电极，底部金属电极固定在陶瓷管和保护外壳的另一端，上端石墨电极设置在陶瓷管内，且与底部金属电极连接。

进一步地，密封灭弧单元设置为一个密封管，密封管两端分别设置上电极和下电极密封设置，密封管内设置有绝缘油，密封管的侧边设置有裙边，密封管的内侧边上间隔设置有灭弧栅，灭弧栅横向长度大于密封管的二分之一内径。

进一步地，上电极的底部设置有上尖端电极，下电极的上端设置有下尖端电极，上尖端电极和下尖端电极相对竖直设置，上尖端电极和下尖端电极均为石墨电极。

进一步地，灭弧栅由绝缘材料制成，灭弧栅设置为半圆结构，密封管内两半圆内侧壁设置的灭弧栅相间设置，同一半圆上的灭弧栅之间设置有凸墩，一个半圆内侧壁的凸墩与另一个半圆内侧壁的灭弧栅相对设置。

当线路上有雷电流形成时，灭弧模块的绝缘强度低，更易遭受过电压击穿。在灭弧模块中，液电效应产生冲击波：在充满水的陶瓷管内引发电弧放电，放电通道中的部分水瞬间被汽化、分解、电离成高温等离子体而突然膨胀，形成一个迅速向外传播的机械压力波。但由于液体可视为自身不会被压缩的激波传递介质，所以在放电通道进行液相放电时，对外界表现出超高功率的力学效应。在陶瓷管中形成冲击陶瓷管壁的作用力，由于力的相互性，陶瓷管管壁在水介质中产生强大的冲击波，以冲量或者冲击压力的方式作用于放电通道，冲击电弧并使其截断。

水是强极化介质，在冲击预击穿阶段就会产生极化电流，使得击穿电压降低，相当于降低短时间段对应的击穿电压值，使水介质对应击穿伏秒特性变得平缓，降低了击穿起始电压的同时也降低了残压值。压力峰值时间在预击穿时间。无论是冲击还是工频闪洛，变化率最大时间都在预击穿时间，变化率最大必然产生电弧占位体积变化率最大，同时液体具有不可压缩性产生的不允许电弧占位的特性，由此产生压强峰值。同时此时电弧电流极弱，电弧抗遮断压强极小，形成灭弧压强不对称优势。快速灭弧能力产生了间歇放电模式。频繁灭弧和频繁重燃机制，抑制了电弧强度拉长电弧持续时间，使放电强度和陡度同时大幅度衰减，通过降低破坏能量释放强度避免防雷装置的安全性、耐用性和可靠性。

帕斯卡效应进一步增强液电效应，当冲击电弧作用在金属电极上，给陶瓷管内的水施加了一定的压强。根据帕斯卡原理，封闭容器中的静止流体的某一部分发生的压强变化，将大小不变地向各个方向传递。则从陶瓷管内的放电通道开始，以更大的作用力冲击四周的水介质，该作用力在碰到陶瓷管壁后发生反弹，形成方向指向陶瓷管中心的作用力，进一步增强了液电效应中产生冲击压力，达到截断电弧的目的。且在陶瓷管中形成的电弧越长，对陶瓷管壁的作用力也就越大，反过来截断电弧的冲击力也就越大，实现强有力的灭弧。

装置并置于串联补偿电容器或电容器组旁，当雷电来临时，可以精准有效灭弧，从而实现保护串联补偿电容器的目的。

装有绝缘介质的陶瓷管以高硬度耐高温耐高压的无机非金属材料构成，呈圆柱状；陶瓷管与外壳紧密连接，外壳以绝缘材料制成，目的起到固定陶瓷管的作用；陶瓷管内部的封闭空间，装有绝缘介质，是电弧弹性碰撞的区域；圆柱形陶瓷管上下端均采用导电极密封。

当雷击装满绝缘介质的陶瓷管时，产生液电效应，形成强大的冲击波，以冲量或者冲击压力的方式作用于放电通道，截断电弧。同时，在雷击金属电极的时候，给陶瓷管内的绝缘油施加了一定的压强，根据帕斯卡原理，封闭容器中的静止流体的某一部分发生的压强变化，将大小不变地向各个方向传递，必将在陶瓷管的内壁上产生更大的作用力。该作用力作用在外壳后发生反弹，形成方向指向陶瓷管中心的作用力，达到截断电弧，减小电流的幅值大小，降低雷电波的陡度，延长电弧的放电时间的目的。

进一步地，保护装置具体工作过程为，

步骤1：当线路上有雷电流形成时，灭弧模块的绝缘强度低，更易遭受过电压击穿，在灭弧模块中，在充满绝缘油的密封管内引发电弧放电时，液电效应产生冲向侧边的击波；

步骤2：帕斯卡效应增强液电效应，电弧作用在绝缘油上时，静止的绝缘油某一部分发生压强变化时，将大小不变地向密封管内侧各个方向传递；

步骤3：冲击预击穿阶段就会产生极化电流，使得击穿电压降低，在预击穿时压力达到峰值；

步骤4：由于密封管内设置有灭弧栅，电弧在密封管的长度变长，同时设置凸墩增加密封管的表面积，液电效应和帕斯卡效应的冲击波冲击到侧边后返回冲击，产生间歇放电模式。

进一步地，步骤1的具体过程为:在充满绝缘油的陶瓷管内引发电弧放电，放电通道中的部分绝缘油瞬间被汽化、分解、电离成高温等离子体而突然膨胀，形成一个迅速向外传播的机械压力波，但由于液体可视为自身不会被压缩的激波传递介质，所以在放电通道进行液相放电时，对外界表现出功率的力学效应，在陶瓷管中形成冲击陶瓷管壁的作用力，由于力的相互性，陶瓷管管壁在绝缘油介质中产生冲击波；

步骤2的具体过程为:当冲击电弧作用在金属电极上，给陶瓷管内的绝缘油施加压强，根据帕斯卡原理，封闭容器中的静止流体的某一部分发生压强变化，将大小不变地向各个方向传递，则从陶瓷管内的放电通道开始，以更大的作用力冲击四周的绝缘油介质，该作用力在碰到陶瓷管壁后发生反弹；

进一步地，步骤3的具体过程为:在冲击预击穿阶段就会产生极化电流，使得击穿电压降低，相当于降低短时间段对应的击穿电压值，使绝缘介质介质对应击穿伏秒特性变得平缓，降低了击穿起始电压的同时也降低了残压值，冲击或者工频闪洛预击穿或者击穿时，压力峰值变化率最大时间都在预击穿时间，变化率最大时产生电弧占位体积变化率最大，同时液体具有不可压缩性产生的不允许电弧占位的特性，由此产生压强峰值，同时此时电弧电流极弱，电弧抗遮断压强极小，形成灭弧压强不对称优势；

步骤4的具体过程为:液电效应和帕斯卡效应使得陶瓷管内的压强增大、温度上升，产生由陶瓷管壁指向中心的作用力，在该作用力下，电弧朝向灭弧栅的尖端移动，尖端拉长电弧的长度，并在绝缘油对电弧的吹动下，电弧温度降低，使电弧更迅速的熄灭，在陶瓷管中形成的电弧越长，对陶瓷管壁的作用力也就越大，反过来截断电弧的冲击力也就越大，作用力作用在外壳后发生反弹，形成方向指向绝缘管中心的作用力，频繁灭弧和频繁重燃机制，抑制了电弧强度拉长电弧持续时间，使放电强度和陡度同时大幅度衰减，通过降低破坏能量释放强度，保护装置。

本实用新型由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：

本实用新型不存在类似避雷器特性分散的状况，该装置单个并置于串联补偿电容器的两端，不存在特性分散的问题，因此不会造成串联补偿电容器爆炸的恶性事故，整体电弧快速被截断，电弧在液体中放电产生液电效应，迅速形成冲击波，在预击穿阶段就截断电弧，灭弧速度快，介质的温升低，造成热击穿的概率低，不会形成短路事故源，介质强度恢复速度快，破坏了持续放电条件和重燃条件，电弧重燃可能性极低，在多脉冲雷击条件下，残压低，没有热积累效应，不会破坏灭弧结构。

附图说明

图1是本实用新型装置原理示意图；

图2是本实用新型装置第一种结构示意图；

图3是本实用新型装置第二种结构示意图；

图4是本实用新型第一种密封灭弧单元结构示意图；

图5是本实用新型第二种密封灭弧单元结构示意图。

附图中，1-上电极，2-绝缘油，3-陶瓷管，4-裙边，5-保护外壳，6-下电极，7-电弧，8-上尖端电极，9-灭弧栅，10-凸墩，11-下尖端电极，12-绝缘子串，13-上端金具，14-下端金具，15-导电极，QB-隔离开关，A-密封灭弧单元，B-间隙单元，C-串联补偿电容器。

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。

实施例1：

如图1-2和4-5所示，一种串联补偿电容器抑制雷电过电压的保护装置，包括隔离开关QB、串联补偿电容器C和灭弧装置，串联补偿电容器C和灭弧装置均并联设置在隔离开关QB的上，灭弧装置包括密封灭弧单元A，密封灭弧单元A并联设置在串联补偿电容器C上，灭弧装置的绝缘度比串联补偿电容器C低。

灭弧装置并置于串补电容器组旁，当发生雷击时，雷击过电压将会沿着线路传播，在串联补偿电容器上将会产生雷电过电压，由于灭弧装置的耐击穿电压比串补电容器组的耐受击穿电压低，灭弧装置将优先击穿，并且能够有效灭弧，释放雷击造成的能量，从而达到保护串联电容器补偿器的目的。故障消除后，串补电容器组重新投入使用。隔离开关用于检修和调度。

当雷击发生时，串联补偿电容器C的绝缘强度低，率先击穿，灭弧模块进行灭弧。灭弧模块的灭弧管为圆柱状的陶瓷管，设置在外壳内，且陶瓷管内部充满绝缘油；陶瓷管的上下端均采用导电极密封；外壳的外部为圆柱状的裙边，裙边具有一定的厚度，设置裙边不仅可以防绝缘介质，还可以有效避免电弧直接在灭弧通道外直接闪络。

该实施例中，密封灭弧单元A设置为一个密封管，密封管两端分别设置上电极1和下电极6密封设置，密封管内设置有绝缘油2，密封管的侧边设置有裙边4。密封管还包括陶瓷管3和保护外壳5，保护外壳5设置在陶瓷管3的外侧，裙边4设置在保护外壳5的外侧。

上电极1包括上层石墨电极、中间金属电极和下层石墨电极，中间金属电极固定在陶瓷管3和保护外壳5的一端，上层石墨电极设置在中间金属电极的上层，下层石墨电极设置在中间金属电极的底部，且设置在陶瓷管3内，下电极6包括上端石墨电极和底部金属电极，底部金属电极固定在陶瓷管3和保护外壳5的另一端，上端石墨电极设置在陶瓷管3内，且与底部金属电极连接。

石墨电极导电性好，易将电弧引入反冲管中：石墨是一种非金属材料，石墨的导电性比一般非金属矿高100倍。石墨中每个碳原子的周边联结着另外三个碳原子，排列成蜂巢式的多个六边形，由于每个碳原子均会放出一个电子，那些电子能够自由移动，因此石墨属于导电体。一般来说，石墨电极的放电加工速度要比铜电极整体快1.5～2倍。在雷击输电线路的时候，石墨电极能够起到引弧的作用，使电弧能够顺利进入到灭弧管。

石墨电极熔点极高，能承受更大的电流，不易变形：石墨电极具有能承受大电流条件的特性。铜的软化点在1000度左右，容易因受热而产生变形；而石墨升华温度在3650度左右。强度在5000安培到5万安培之间的雷击电流，产生的雷击温度最高超过3000度。所以金属电极在雷击大电流作用下极易变形，产生金属粉末，发生飞溅，损坏灭弧室的结构，影响反冲灭弧的效果，而采用石墨电极可以有效解决上述问题。

石墨电极的损耗小：石墨电极具有能承受大电流条件的特性，在雷电弧作用下，产生极性效应，部分蚀除物、碳颗粒会粘附在电极表面形成一层保护层，保证了石墨电极在反冲灭弧作用过程中的损耗极小，甚至是“零损耗”。

如图5所示，该装置与图4不同，密封灭弧单元A设置为一个密封管，密封管两端分别设置上电极1和下电极6密封设置，密封管内设置有绝缘油2，密封管的侧边设置有裙边4，密封管的内侧边上间隔设置有灭弧栅9，灭弧栅9横向长度大于密封管的二分之一内径。上电极1的底部设置有上尖端电极8，下电极6的上端设置有下尖端电极11，上尖端电极8和下尖端电极11相对竖直设置，上尖端电极8和下尖端电极11均为石墨电极。

该实施例中，灭弧栅9由绝缘材料制成，灭弧栅9设置为半圆结构，密封管内两半圆内侧壁设置的灭弧栅9相间设置，同一半圆上的灭弧栅9之间设置有凸墩9，一个半圆内侧壁的凸墩9与另一个半圆内侧壁的灭弧栅9相对设置。

液电效应和帕斯卡效应使得陶瓷管内的压强增大、温度上升，产生由陶瓷管壁指向中心的作用力，在该作用力下，电弧朝向灭弧栅的尖端移动，尖端拉长电弧的长度，并在绝缘油对电弧的吹动下，电弧温度降低，使电弧更迅速的熄灭，在陶瓷管中形成的电弧越长，对陶瓷管壁的作用力也就越大，反过来截断电弧的冲击力也就越大，完成灭弧。

保护装置具体工作过程为，

步骤1：当线路上有雷电流形成时，灭弧模块的绝缘强度低，更易遭受过电压击穿，在灭弧模块中，在充满绝缘油的密封管内引发电弧放电时，液电效应产生冲向侧边的击波。

在充满绝缘油的陶瓷管内引发电弧放电，放电通道中的部分绝缘油瞬间被汽化、分解、电离成高温等离子体而突然膨胀，形成一个迅速向外传播的机械压力波，但由于液体可视为自身不会被压缩的激波传递介质，所以在放电通道进行液相放电时，对外界表现出功率的力学效应，在陶瓷管中形成冲击陶瓷管壁的作用力，由于力的相互性，陶瓷管管壁在绝缘油介质中产生冲击波；

步骤2：帕斯卡效应增强液电效应，电弧作用在绝缘油2上时，静止的绝缘油2某一部分发生压强变化时，将大小不变地向密封管内侧各个方向传递。当冲击电弧作用在金属电极上，给陶瓷管内的绝缘油施加压强，根据帕斯卡原理，封闭容器中的静止流体的某一部分发生压强变化，将大小不变地向各个方向传递，则从陶瓷管内的放电通道开始，以更大的作用力冲击四周的绝缘油介质，该作用力在碰到陶瓷管壁后发生反弹。

步骤3：冲击预击穿阶段就会产生极化电流，使得击穿电压降低，在预击穿时压力达到峰值。在冲击预击穿阶段就会产生极化电流，使得击穿电压降低，相当于降低短时间段对应的击穿电压值，使绝缘介质介质对应击穿伏秒特性变得平缓，降低了击穿起始电压的同时也降低了残压值，冲击或者工频闪洛预击穿或者击穿时，压力峰值变化率最大时间都在预击穿时间，变化率最大时产生电弧占位体积变化率最大，同时液体具有不可压缩性产生的不允许电弧占位的特性，由此产生压强峰值，同时此时电弧电流极弱，电弧抗遮断压强极小，形成灭弧压强不对称优势。

步骤4：由于密封管内设置有灭弧栅9，电弧在密封管的长度变长，同时设置凸墩9增加密封管的表面积，液电效应和帕斯卡效应的冲击波冲击到侧边后返回冲击，产生间歇放电模式。

液电效应和帕斯卡效应使得陶瓷管内的压强增大、温度上升，产生由陶瓷管壁指向中心的作用力，在该作用力下，电弧朝向灭弧栅的尖端移动，尖端拉长电弧的长度，并在绝缘油对电弧的吹动下，电弧温度降低，使电弧更迅速的熄灭，在陶瓷管中形成的电弧越长，对陶瓷管壁的作用力也就越大，反过来截断电弧的冲击力也就越大，作用力作用在外壳后发生反弹，形成方向指向绝缘管中心的作用力，频繁灭弧和频繁重燃机制，抑制了电弧强度拉长电弧持续时间，使放电强度和陡度同时大幅度衰减，通过降低破坏能量释放强度，保护装置。

实施例2：

图3所示，该实施例与实施例1不同的是，密封灭弧单元A和间隙单元B，密封灭弧单元A与间隙单元B串联设置，且与串联补偿电容器C并联设置。间隙单元B包括绝缘子串12、上端金具13、下端金具14和导电极15，上端金具13和下端金具14分别设置在上下两端，绝缘子串12固定在上端金具13和下端金具14上，导电极15分别设置在上端金具13和下端金具14上，并相对设置。通过设置间隙单元B可以增大灭弧装置的绝缘度，可以防止一般的高压时也会出现工频的情况，减少密封灭弧单元A的灭弧工作次数，可以提高寿命。

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)

1.一种串联补偿电容器抑制雷电过电压的保护装置，其特征在于：包括隔离开关(QB)、串联补偿电容器(C)和灭弧装置，串联补偿电容器(C)和灭弧装置均并联设置在隔离开关(QB)的上，灭弧装置包括密封灭弧单元(A)，或者包括密封灭弧单元(A)和间隙单元(B)，密封灭弧单元(A)并联设置在串联补偿电容器(C)上，或者密封灭弧单元(A)与间隙单元(B)串联设置，且与串联补偿电容器(C)并联设置，灭弧装置的绝缘度比串联补偿电容器(C)低。

2.根据权利要求1所述的一种串联补偿电容器抑制雷电过电压的保护装置，其特征在于：间隙单元(B)包括绝缘子串(12)、上端金具(13)、下端金具(14)和导电极(15)，上端金具(13)和下端金具(14)分别设置在上下两端，绝缘子串(12)固定在上端金具(13)和下端金具(14)上，导电极(15)分别设置在上端金具(13)和下端金具(14)上，并相对设置。

3.根据权利要求1所述的一种串联补偿电容器抑制雷电过电压的保护装置，其特征在于：密封灭弧单元(A)设置为一个密封管，密封管两端分别设置上电极(1)和下电极(6)密封设置，密封管内设置有绝缘油(2)，密封管的侧边设置有裙边(4)，密封管还包括陶瓷管(3)和保护外壳(5)，保护外壳(5)设置在陶瓷管(3)的外侧，裙边(4)设置在保护外壳(5)的外侧。

4.根据权利要求3所述的一种串联补偿电容器抑制雷电过电压的保护装置，其特征在于：上电极(1)包括上层石墨电极、中间金属电极和下层石墨电极，中间金属电极固定在陶瓷管(3)和保护外壳(5)的一端，上层石墨电极设置在中间金属电极的上层，下层石墨电极设置在中间金属电极的底部，且设置在陶瓷管(3)内，下电极(6)包括上端石墨电极和底部金属电极，底部金属电极固定在陶瓷管(3)和保护外壳(5)的另一端，上端石墨电极设置在陶瓷管(3)内，且与底部金属电极连接。

5.根据权利要求1所述的一种串联补偿电容器抑制雷电过电压的保护装置，其特征在于：密封灭弧单元(A)设置为一个密封管，密封管两端分别设置上电极(1)和下电极(6)密封设置，密封管内设置有绝缘油(2)，密封管的侧边设置有裙边(4)，密封管的内侧边上间隔设置有灭弧栅(9)，灭弧栅(9)横向长度大于密封管的二分之一内径。

6.根据权利要求5所述的一种串联补偿电容器抑制雷电过电压的保护装置，其特征在于：上电极(1)的底部设置有上尖端电极(8)，下电极(6)的上端设置有下尖端电极(11)，上尖端电极(8)和下尖端电极(11)相对竖直设置，上尖端电极(8)和下尖端电极(11)均为石墨电极。

7.根据权利要求6所述的一种串联补偿电容器抑制雷电过电压的保护装置，其特征在于：灭弧栅(9)由绝缘材料制成，灭弧栅(9)设置为半圆结构，密封管内两半圆内侧壁设置的灭弧栅(9)相间设置，同一半圆上的灭弧栅(9)之间设置有凸墩(10)，一个半圆内侧壁的凸墩(10)与另一个半圆内侧壁的灭弧栅(9)相对设置。

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