CN216214800U - 一种快速中断建弧过程的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种快速中断建弧过程的装置，属于防雷灭弧技术领域，包括陶瓷外壳、密封金属电极、放电棒、空腔绝缘液体介质和陶瓷管，陶瓷外壳包裹在陶瓷管的外侧，密封金属电极设置在陶瓷外壳与陶瓷管的两端并密封设置，空腔绝缘液体介质设置在陶瓷管内，放电棒设置在密封金属电极的内侧，并浸没在空腔绝缘液体介质内。本实用新型截断电弧迅速，电弧在液体中放电产生液电效应，迅速形成冲击压力波，雷电冲击电弧在建立初期就立即被截断。其反应速度迅速，且具有这样的特点，在电弧功率最大能量最大时，产生的反冲能量也最大。

Description

一种快速中断建弧过程的装置

技术领域

本实用新型涉及防雷灭弧技术领域，尤其涉及一种快速中断建弧过程的装置。

背景技术

雷击会给电力设施带来不同形式的损伤和破坏，雷云放电在电力系统中会引起雷击过电压。雷击过电压可能对绝缘子、输电线造成损伤；输电线路发生雷击时引起的冲击闪络，导致线路绝缘子闪络，继而产生很大的工频续流，损坏绝缘子串及金具，导致线路事故；雷电击打在输电线或避雷线上，可能会引起断股甚至断裂，使输电工作无法进行。

现有的防雷灭弧装置能使主动式灭弧并联间隙的伏秒特性变得更为平坦，但是现有的防雷灭弧装置仅能减小雷电流的波头陡度，无法进一步衰减雷电流幅值大小，衰减雷电流的能力有限。

其次，现有的防雷灭弧装置与绝缘子的连接方式存在不足，不能很好地保护绝缘子，充分发挥防雷装置作用。并且反应时间相对雷电破坏效果及电弧建立时间较慢，总体持续时间长，且动作过程不够迅速。本方法旨在充分利用新型防雷装置的特长，对绝缘子进行更具有安全性的保护。

最后，传统防雷方法碳排放过大，而新型防雷装置对于绝缘子的保护，则是通过减小雷击电流幅值的技术路线实现的，可以减少阀片、绝缘子等绝缘装置的发热，减少了绝缘部分热损耗，延长了设备使用寿命，从而减少碳排放，更加环保，可持续。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种快速中断建弧过程的装置，解决现有防雷灭弧装置衰减电流幅值大小能力有限，绝缘子功能单一、易损、碳排放高，保护措施不完善的技术问题。在建弧初期就能及时快速响应，形成灭弧压力。其灭弧压力峰值与电弧能量冲击峰值时间曲线高度重合，将快速的雷电流放电过程及大冲击幅值转变成间歇放电，并快速将电弧掐断。目的在于提高单防雷灭弧装置在灭弧过程中对大电流的衰减强度。

增强防雷灭弧装置在灭弧过程中的灭弧压强，既能衰减雷电流幅值大小，也可以延长电弧的放电时间，避免瞬时雷电流幅值过大对绝缘子造成损坏。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种快速中断建弧过程的装置，包括陶瓷外壳、密封金属电极、放电棒、空腔绝缘液体介质和陶瓷管，陶瓷外壳包裹在陶瓷管的外侧，密封金属电极设置在陶瓷外壳与陶瓷管的两端并密封设置，空腔绝缘液体介质设置在陶瓷管内，放电棒设置在密封金属电极的内侧，并浸没在空腔绝缘液体介质内。

进一步地，陶瓷管的侧壁设置有相间向外凸的侧部突出空腔，侧部突出空腔与侧部突出空腔等间距设置。

进一步地，侧部突出空腔的深度与陶瓷管的半径相同，侧部突出空腔设置为弧形或者框型。

进一步地，陶瓷外壳的外侧设置有裙边，裙边相间设置，裙边与陶瓷外壳一体设置。

进一步地，密封金属电极的外侧设置有固定金具，固定金具设置在横担上。

进一步地，装置的工作过程为，

步骤1：当雷击杆塔或输电线路，全密封型液体避雷器先于绝缘子串放电，雷电弧灌注到避雷器内部的绝缘管中，由于陶瓷管设置侧部突出空腔，增加陶瓷管与陶瓷外壳之间缝隙的电弧爬矩，电弧从陶瓷管内出现导通；

步骤2：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3：帕斯卡效应增强液电效应，电弧作用在空腔绝缘液体介质上时，静止的空腔绝缘液体介质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4：液电效应和帕斯卡效应的冲击波冲击到侧边后返回冲击，集中对电弧通道进行冲击灭弧，产生间歇放电模式，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残压值。

进一步地，步骤2中的具体过程为，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。

进一步地，步骤3中的具体过程为，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4中的具体过程为，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，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，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，介质在冲击预击穿阶段产生极化电流，使得击穿电压降低，降低短时间段对应的击穿电压值，使介质对应击穿伏秒特性变得平缓，冲击波在侧部突出空腔处反冲的时间变慢，由于冲击波蓄能时间变大，冲击波在侧部突出空腔反冲回来的冲击波变大，更好的灭弧，频繁灭弧和频繁重燃机制，抑制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。

液电效应产生冲击波：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，对外界表现出超高功率的力学效应。建弧初期就在陶瓷管中形成冲击陶瓷管壁的作用力，这一冲击力在电弧预击穿时达到峰值，灭弧响应时间极短。由于力的相互性，陶瓷管管壁在绝缘油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。

帕斯卡效应进一步增强液电效应：帕斯卡原理是指：“不可压缩静止流体中任一点受外力产生压力增值后，此压力增值瞬时间传至静止流体各点”，即压强等于作用压力除以受力面积。

当冲击电弧作用在金属电极上，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。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，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的冲击压力，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。考虑到电弧作用时间短，其作用效果在瞬间即形成强大的反冲压力作用回电弧本身，而电弧在建弧初期电流较弱，自磁压缩形成的维持电弧的电场力较小，从而形成远超电弧维持洛伦兹力压强的巨大冲击力，瞬间将电弧掐断。

库仑力作用：在电弧发生击穿前，大气中存在有强电场，在电弧以及强电场产生的些微电子崩构成的等离子体即将注入进狭窄的反冲管前，外部的等离子体及电弧是呈电中性的，然而，在电弧运动到管中，并与管内感应出的正离子团碰撞时，可以认为是单极性的电荷注入到整个等离子体中，从而符合德拜屏蔽效应的条件，考虑到德拜屏蔽效应的半径，管内的等离子体无法维持电中性。因而无法维持德拜效应从而对外部电势无法实现屏蔽，于是在外界强电场的作用下，很快被反冲出去。

反冲出去后引发了等离子体的朗缪尔震荡，从而使得受强电场影响的负电子基团在电场的作用下来回震荡，形成了强烈的震荡电流，因此电弧电流不能快速增加，而是产生波动和震荡，从而实现对电弧电流的有效衰减。

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。

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。

本实用新型由于采用了上述技术方案，具有以下有益效果：

(1)本实用新型截断电弧迅速，电弧在液体中放电产生液电效应，迅速形成冲击压力波，雷电冲击电弧在建立初期就立即被截断。其反应速度迅速，且具有这样的特点，在电弧功率最大能量最大时，产生的反冲能量也最大。

(2)冲击电弧重燃被延迟，陶瓷管内的高压破坏了持续放电条件和重燃条件，截断冲击电弧后，重燃击穿时间被大幅度延迟十几到几十微秒以上，将电弧的瞬间冲击放电转变成为间歇放电方式，使冲击电流不能突变升高。雷电流的陡度显著降低90％，电流幅值衰减50％以上。

(3)对绝缘子保护效果更好，当雷电放电的先导通道击中输电线路的导线、杆塔或其他建筑物时，基于帕斯卡原理的灭弧方法能够减小过电压幅值，将快速的冲击放电变成连续低强度的间歇放电，避免了直击雷过电压对设备、装置造成的损坏。

(4)避免电磁感应过电压损坏设备，雷击放电过程中，放电通道周围空间产生瞬变的强电磁场，产生更高的电磁感应电动势干扰信号线、甚至损坏仪器设备。基于帕斯卡原理的灭弧方法通过反冲作用力截断电弧，将电弧的放电时间延长了几百上千倍，使电弧的上升更为平缓，从而降低了雷电波的陡度。避免了感应电磁过电压对电力电子元器件、通讯信号等造成危害。

(5)减少因雷击损伤产生的碳排放，新型防雷装置采用的技术路线能够有效衰减雷击强度，从而减少雷电直击绕击对于绝缘子的损伤，其一可以避免雷电通路构建在绝缘子中，产生大量热损耗从而增加碳排放、减少绝缘子寿命。第二是削减了雷电强度，使得原本因雷击损伤造成的大量碳排放减少了。

附图说明

图1是本实用新型装置剖面图；

图2是本实用新型装置俯视图；

图3是本实用新型安装结构示意图。

附图中，1-裙边，2-陶瓷外壳，3-密封金属电极，4-放电棒、5-空腔绝缘液体介质，6-固定金具，7-侧部突出空腔，8-陶瓷管。

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。

如图1-3所示，一种快速中断建弧过程的装置，包括陶瓷外壳2、密封金属电极3、放电棒4、空腔绝缘液体介质5和陶瓷管8，陶瓷外壳2包裹在陶瓷管8的外侧，密封金属电极3设置在陶瓷外壳2与陶瓷管8的两端并密封设置，空腔绝缘液体介质5设置在陶瓷管8内，放电棒4设置在密封金属电极3的内侧，并浸没在空腔绝缘液体介质5内。

放电棒4设置为石墨电极，通过在接闪的地方设置为石墨电极，可以有效的提高使用寿命。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”。

陶瓷管8的侧壁设置有相间向外凸的侧部突出空腔7，侧部突出空腔7与侧部突出空腔7等间距设置。侧部突出空腔7的深度与陶瓷管8的半径相同，侧部突出空腔7设置为弧形或者框型。

陶瓷外壳2的外侧设置有裙边1，裙边1相间设置，裙边1与陶瓷外壳2 一体设置。密封金属电极3的外侧设置有固定金具6，固定金具6设置在横担上。

装有绝缘液体介质的陶瓷外壳以高硬度耐高温耐高压的无机非金属材料构成，陶瓷管内部的半封闭空间，装有绝缘油，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进行气密密封。电极上用螺栓进行外部金具和内部放电结构间的固定。

当雷击装满绝缘油的陶瓷管时，产生液电效应，在建弧初期形成强大的冲击波，以冲量或者冲击压力的方式作用于放电通道，截断电弧。其冲击压力峰值与电弧峰值在时间上几近重合，能够形成最良好的灭弧效果。此外，由于管内库仑力的作用，对外部电子运动产生影响，迫使电弧进入管内，而进入管内的电弧由于小于德拜屏蔽的尺寸，无法维持电中性，受到外部电场的强作用力从而被排斥出新型防雷灭弧装置。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，达到在建弧初期截断电弧，并通过间歇放电方式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。

分立的并联装置用连接金具固定，保证良好的并联效果，在防雷灭弧装置处加紧加固，分立的好处在于可以调节两者间的间距。其内部在伞裙间隙处设计的壁厚较薄弱，从而使得过强雷击爆破外壁时从薄弱处突破，减小破坏效果，同时进一步地保护绝缘子。而分立结构设计需要控制好二者间距，根据实际情况调整，使得既能保证良好绝缘配合和雷击防护，又能避免可能的爆破损伤绝缘子。

在动作过程中，首先防雷灭弧装置吸引雷电击入上部导电级，绝缘子承担的压降与防雷灭弧间隙相同。而防雷灭弧间隙两端的电压一旦超过某一阈值，就能产生放电灭弧作用，将雷击电压通过短暂、反复的通弧释放，并使得累计电流无法快速升高，而是波动变化，因此使得绝缘子两端承受的电压和并联通流总在承受范围内，使得绝缘子无过热情况。对绝缘子进行了更好的保护效果。

考虑到整个装置的承压等级，如若电压等级过高损伤了防雷灭弧装置，防雷灭弧装置的破坏性策略使得电弧爆破效果在伞裙间隙中，从而减小对绝缘子的影响以及爆破损伤的波及范围。

考虑到更高等级以及安装条件的限制，设计出将防雷灭弧装置与绝缘子一体化共用外壳的并联安装方法。这一方法旨在对绝缘子串进行非裸露的一体化设计，增加氧化锌避雷器结构进行双重防护，更加安全可靠。但缺点是对于其间距的调节范围小。对于可能的传热因素导致右侧氧化锌避雷器过热问题，设计出足够的空腔用于帮助避雷器散热。

在动作过程中，首先防雷灭弧装置吸引雷电击入上部导电级，绝缘子承担的压降与防雷灭弧间隙相同。而防雷灭弧间隙两端的电压一旦超过某一阈值，就能产生放电灭弧作用，将雷击电压通过短暂、反复的通弧释放，并使得累计电流无法快速升高，而是波动变化，因此使得绝缘子两端承受的电压和并联通流总在承受范围内，使得绝缘子无过热情况。对绝缘子进行了更好的保护效果。

这一装置具有更高的承压等级，且承压等级可以通过增加装置的长度实现，同时通过调节中间放电结构的间隙调整绝缘配合，确保对绝缘子的保护。同时，对于分立结构的破坏性保护措施优点也有采取，在综合了前者的部分优点。也防止了可能的绝缘液体介质泄漏污染氧化锌避雷器内部。

装置的工作过程为，

步骤1：当雷击杆塔或输电线路，全密封型液体避雷器先于绝缘子串放电，雷电弧灌注到避雷器内部的绝缘管中，由于陶瓷管8设置侧部突出空腔7，增加陶瓷管8与陶瓷外壳2之间缝隙的电弧爬矩，电弧从陶瓷管8内出现导通。

步骤2：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3：帕斯卡效应增强液电效应，电弧作用在空腔绝缘液体介质5上时，静止的空腔绝缘液体介质5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4：液电效应和帕斯卡效应的冲击波冲击到侧边后返回冲击，集中对电弧通道进行冲击灭弧，产生间歇放电模式，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残压值。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，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，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，介质在冲击预击穿阶段产生极化电流，使得击穿电压降低，降低短时间段对应的击穿电压值，使介质对应击穿伏秒特性变得平缓，冲击波在侧部突出空腔7处反冲的时间变慢，由于冲击波蓄能时间变大，冲击波在侧部突出空腔7反冲回来的冲击波变大，更好的灭弧，频繁灭弧和频繁重燃机制，抑制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。

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 (5)

1.一种快速中断建弧过程的装置，其特征在于：包括陶瓷外壳(2)、密封金属电极(3)、放电棒(4)、空腔绝缘液体介质(5)和陶瓷管(8)，陶瓷外壳(2)包裹在陶瓷管(8)的外侧，密封金属电极(3)设置在陶瓷外壳(2)与陶瓷管(8)的两端并密封设置，空腔绝缘液体介质(5)设置在陶瓷管(8)内，放电棒(4)设置在密封金属电极(3)的内侧，并浸没在空腔绝缘液体介质(5)内。

2.根据权利要求1所述的一种快速中断建弧过程的装置，其特征在于：陶瓷管(8)的侧壁设置有相间向外凸的侧部突出空腔(7)，侧部突出空腔(7)与侧部突出空腔(7)等间距设置。

3.根据权利要求2所述的一种快速中断建弧过程的装置，其特征在于：侧部突出空腔(7)的深度与陶瓷管(8)的半径相同，侧部突出空腔(7)设置为弧形或者框型。

4.根据权利要求1所述的一种快速中断建弧过程的装置，其特征在于：陶瓷外壳(2)的外侧设置有裙边(1)，裙边(1)相间设置，裙边(1)与陶瓷外壳(2)一体设置。

5.根据权利要求1所述的一种快速中断建弧过程的装置，其特征在于：密封金属电极(3)的外侧设置有固定金具(6)，固定金具(6)设置在横担上。

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