一种10kV多级短弧位降电压叠加过电压防护装置的制作方法

本发明涉及电力系统架空线路过电压防护领域，具体涉及一种10kV多级短弧位降电压叠加过电压防护装置。

背景技术：

电力系统架空输电线路雷害治理一直是众多科研单位和管理部门重要目标，由于雷电造成的线路断线、跳闸故障是影响电力系统安全可靠运行的重要因素，其根本原因是由于雷击过电压造成线路绝缘子沿面闪络或相间空气击穿，形成低阻态闪络通道，电网工频网压顺着低阻态闪络通道持续放电形成持续时间较长、幅值较高的工频续流，继而引起线路导线烧断或线路继电保护动作引起跳闸保护。

现在架空输电线路防雷除了架设避雷线、负角保护针、降低杆塔接地电阻等主要手段外，另一个重要技术手段就是安装线路过电压保护器，目前的过电压保护器主要有金属氧化物避雷器、并联保护间隙以及将两者特点结合在一起的带串联间隙金属氧化物避雷器，近年来出现一种多间隙避雷器，属于较新颖的过电压防护装置。

其中，金属氧化物避雷器利用了金属物优异的压敏特性，目前大量使用在输电线路上。但由于受到金属氧化物电压梯度、通流容量、价格和体积重量等多方面的限制，使得应用成本居高不下，同时由于高压电老化原因造成线路检测、运维成本不菲。

而线路绝缘子并联保护间隙的方法，在过电压下容易建弧，无法自主切断工频续流引起线路跳闸，只能配合重合闸装置使用或者用于较低等级的供电场所。

为了解决这一问题，现有技术中采取了如下的方式：

中国专利(公开日：2013年11月27日、公开号：CN 203312737 U)公开了一种应用于高压架空线路的多间隙避雷器，采取的是长硅橡胶条内压制多个金属电极形成多个间隙，其工作原理是将雷击闪络电弧切割多段后利用工频电流过零点自然熄弧来实现的。但由于长硅橡胶条结构在淋雨条件下会形成雨水连线，在雷击过电压作用下极易发生沿面闪络现象而造成线路跳闸故障。

中国专利(公开日：2009年7月1日、公开号：CN 101471542A)公开了用于过电压保护系统的多间隙组合防护器件，该组合防护器件利用多个类似羊角对称的电极形成放电间隙，通过设置在放电间隙上的照射装置促使放电稳定，并通过羊角型电极将电弧拉长，增大弧阻从而实现灭弧功能。该发明结构复杂，制作工艺复杂，其拉长电弧主要依靠弧根在电动力作用下向“羊角”顶端移动形成的自然熄弧方式，由于熄弧时间过长，且不能确保在电流过零点后重燃的情况发生，容易引起电极烧损和线路跳闸事故的发生。

中国专利(公开日：2014年2月19日、公开号：CN 103594210 A)公开了一种多间隙自膨胀强气流纵吹灭弧防雷保护装置。其工作原理为利用灭弧装置的主体体积，把电弧由直线转变为螺旋立体环状，从而拉长电弧，利用电弧烘烤多产气材料产生强气流在多处同时纵向切断电弧。主要缺陷为螺旋状灭弧管结构精巧复杂，在陶瓷管里内置铜电极和金属球，并螺旋状布局与灭弧装置主体内的结构不太容易实现，从降低产品成本和制造工艺角度考虑量产很困难，同时产气材料的使用寿命有限，严重限制装置的使用寿命。

因此，急需一种能够抑制雷电流的幅值，并限制雷击过后工频续流幅值的快速增长，实现快速熄弧，切断工频续流并恢复线路绝缘水平的过电压防护装置。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种能抵消10kV工频网压、抑制雷电流的幅值并限制雷击过后工频续流幅值快速增长的10kV多级短弧位降电压叠加过电压防护装置，能够快速熄弧、切断工频续流并恢复线路绝缘水平。

为实现上述目的，本发明所设计的10kV多级短弧位降电压叠加过电压防护装置，包括绝缘本体、设置在绝缘本体一端部的高压电极及设置在绝缘本体另一端部的低压电极，以及同轴套置在所述绝缘本体上的两个绝缘盘，每个所述绝缘盘的圆周面上均布置有多级短弧位降电压叠加室，且所述多级短弧位降电压叠加室分布在所述绝缘盘二分之一至四分之三的圆周面上；所述多级短弧位降电压叠加室包括沿所述绝缘盘圆周面均匀镶嵌的若干个电极，每相邻两个所述电极之间有第一放电间隙；所述绝缘盘圆周面上正对着每个所述第一放电间隙位置处开有与所述第一放电间隙连通的通孔，且所述通孔与外界连通。

优选地，所述第一放电间隙的距离为0.4～0.6mm，所述通孔的孔径大于所述第一放电间隙的距离且小于所述电极的最大宽度。

优选地，每个所述第一放电间隙底部向内凹陷有气腔，且每个所述通孔端部边沿向外延伸有凸起。

优选地，所述多级短弧位降电压叠加室中的电极均为由两个弧度相同的弧面对合形成的电极。

优选地，所述多级短弧位降电压叠加室的两端分别设置有第一接闪电极和第二接闪电极，所述第一接闪电极位于所述绝缘盘的上表面，所述第二接闪电极位于所述绝缘盘的下表面；位于高压侧所述绝缘盘上的第二接闪电极与位于低压侧所述绝缘盘上的第一接闪电极相对布置且之间留有第二放电间隙，且所述第二放电间隙的距离为25～35mm。

优选地，所述绝缘本体的一端且位于高压电极的下方位置处设置有与所述高压电极等电位连接的第一引弧电极，所述第一引弧电极与高压侧所述绝缘盘的第一接闪电极相对布置且留有第三放电间隙，且所述第三放电间隙的距离为8～12mm；所述绝缘本体的另一端且位于低压电极的上方位置处设置有与所述低压电极等电位连接的第二引弧电极，所述第二引弧电极与低压侧所述绝缘盘的第二接闪电极相对布置且之间留有第四放电间隙，且所述第四放电间隙距离为8～12mm。

优选地，所述第一引弧电极与对应的所述第一接闪电极、位于高压侧所述绝缘盘上的第二接闪电极与位于低压侧所述绝缘盘上的第一接闪电极、所述第二引弧电极与对应的所述第二接闪电极均错开相对布置。

优选地，两个所述绝缘盘均为硅橡胶圆盘式结构，两个所述绝缘盘均由硅橡胶通过硫化工艺同轴连接在所述绝缘本体上。

优选地，所述高压电极、所述第一引弧电极、两个所述第一接闪电极、两个所述第二接闪电极、所述第二引弧电极、所述低压电极及所述多级短弧位降电压叠加室中的电极均为耐腐蚀材料，且通流容量为幅值100kA的8/20us冲击电流。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、通过增加多级短弧位降电压叠加室，可有效抵消10kV工频网压，抑制雷电流的幅值，并限制雷击过后工频续流幅值的快速增长，从而快速熄弧、切断工频续流并恢复线路绝缘水平；

2、通过第二放电间隙、第三放电间隙及第四放电间隙来隔离电网工频电压，在正常工作条件下不存在泄露电流和高压电老化的问题；

3、采用耐腐蚀材料的电极，使得本发明10kV多级短弧位降电压叠加过电压防护装置不受金属氧化物电阻片通流容量和电压梯度的限制，且重量轻、成本低、通流容量大、使用寿命长及维护费用低。

附图说明

图1为本发明10kV多级短弧位降电压叠加过电压防护装置的立体结构示意图；

图2为图1的主视示意图；

图3为图1中绝缘盘的结构示意图；

图4为图3的俯视示意图；

图5为图3中多级短弧位降电压叠加室局部放大示意图；

图6为本发明多级短弧位降电压叠加室工作原理示意图。

图中各部件标号如下：

高压电极1、低压电极2、第一引弧电极3、第二引弧电极4、第一接闪电极5、第二接闪电极6、绝缘盘7、多级短弧位降电压叠加室8、绝缘本体9、通孔10、第一放电间隙11、第二放电间隙12、第三放电间隙13、第四放电间隙14、电极15、气腔16、凸起17、阴极位降区域18、弧柱19、阳极位降区域20、阴极21、阳极22、电弧23。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1及图2所示10kV多级短弧位降电压叠加过电压防护装置，包括绝缘本体9、设置在绝缘本体9一端部的高压电极1及设置在绝缘本体9另一端部的低压电极2，以及同轴套置在绝缘本体9上的两个绝缘盘7。本实施例的关键点在于：两个绝缘盘7的圆周面上均布置有多级短弧位降电压叠加室8，并且多级短弧位降电压叠加室8的两端分别设置有第一接闪电极5和第二接闪电极6，第一接闪电极5位于绝缘盘7的上表面，第二接闪电极6位于绝缘盘7的下表面；同时，一个绝缘盘7上的第二接闪电极6与另一个绝缘盘7上的第一接闪电极5相对布置且之间留有第二放电间隙12，即位于高压侧绝缘盘7上的第二接闪电极6与位于低压侧绝缘盘7上的第一接闪电极5相对布置且之间留有第二放电间隙12，且第二放电间隙12的距离为25～35mm(优选为30mm)。

另外，绝缘本体9的一端且位于高压电极1的下方位置处设置有与高压电极1等电位连接的第一引弧电极3，第一引弧电极3与高压侧绝缘盘7的第一接闪电极5相对布置且留有第三放电间隙13，且第三放电间隙13的距离为8～12mm(优选为10mm)；同理，绝缘本体9的另一端且位于低压电极2的上方位置处设置有与低压电极2等电位连接的第二引弧电极4，第二引弧电极4与低压侧绝缘盘7的第二接闪电极6相对布置且之间留有第四放电间隙14，且第四放电间隙14距离为8～12mm(优选为10mm)。

再次如图2所示，第一引弧电极3与对应的第一接闪电极5、位于高压侧绝缘盘7上的第二接闪电极6与位于低压侧绝缘盘7上的第一接闪电极5、第二引弧电极4与对应的第二接闪电极6均错开相对布置，即第一引弧电极3的端部不正对着对应的第一接闪电极5的端部，位于高压侧绝缘盘7上的第二接闪电极6端部不正对着位于低压侧绝缘盘7上的第一接闪电极5的端部，第二引弧电极4的端部不正对着对应的第二接闪电极6的端部，防止在淋雨条件下形成雨水连线。综上所述，第二放电间隙12、第三放电间隙13及第四放电间隙14串联后用于隔离正常线路工频网压，能够承受20kV以上的工频电压而不发生闪络现象。

结合图3、图4所示，多级短弧位降电压叠加室8包括沿绝缘盘7圆周面且均匀镶嵌在绝缘盘7上的若干个电极15，本实施例中电极15为由两个弧度相同的弧面对合形成的电极15。相邻电极15之间留有第一放电间隙11，且绝缘盘7圆周面上正对着每个第一放电间隙11位置处均开有与第一放电间隙11连通的通孔10，同时，该通孔10也与外界连通；第一放电间隙11的距离为0.4～0.6mm(优选为0.5mm)，通孔10的孔径大于第一放电间隙11的距离且小于电极15的最大宽度(即宽度是指一个弧面到另一个弧面的距离)。结合图5所示，每个第一放电间隙11底部向内(即指向绝缘本体9的方向)凹陷有气腔16，且每个通孔10端部边沿向外(即远离绝缘本体9的方向)延伸有凸起17。

多级短弧位降电压叠加室8分布在绝缘盘7二分之一至四分之三的圆周面上，且优选为五分之三的圆周面，在这种结构设计下，多级短弧位降电压叠加室8的50％冲击动作电压远小于剩余二分之一至四分之一的圆周面沿面冲击闪络电压，以确保装置燃弧路径可控，使得燃弧路径沿多级短弧位降电压叠加室12的方向闪络，综上所述，多级短弧位降电压叠加室8可有效抵消10kV工频网压，抑制雷电流的幅值，并限制雷击过后工频续流幅值的快速增长，从而快速熄弧、切断工频续流并恢复线路绝缘水平。

本实施例中，绝缘本体9由圆柱绝缘体与硅橡胶硫化加工而成，两个绝缘盘7均为硅橡胶圆盘式结构，且两个绝缘盘7均由硅橡胶通过硫化工艺同轴连接在绝缘本体9上。另外，高压电极1、第一引弧电极3、两个第一接闪电极5、两个第二接闪电极6、第二引弧电极4、低压电极2及多级短弧位降电压叠加室8中的电极15均为耐腐蚀材料，且通流容量为幅值100kA的8/20us冲击电流，使得本发明10kV多级短弧位降电压叠加过电压防护装置不受金属氧化物电阻片通流容量和电压梯度的限制，且重量轻、成本低、通流容量大、使用寿命长及维护费用低。

如图6所示为本发明10kV多级短弧位降电压叠加过电压防护装置的工作原理，短电弧分为阴极位降区域18、弧柱19和阳极位降区域20，其中阴极位降区域18和阳极位降区域20电压梯度高达10⁵～10⁶V/cm，而弧柱19只有10～50V/cm。为充分利用阴极位降区域18和阳极位降区域20的高电压梯度，本发明通过控制第一放电间隙11的距离，缩短电压梯度较低的弧柱19部分的长度，以便在有限的长度范围内布置更多的位降区域进行叠加，从而确保在保护装置遭受雷击闪络时两个绝缘盘7上的多级短弧位降电压叠加室8均能够呈现足够高的压降。假定雷击过电压为U₀，回路等效电阻为R，等效电感为L，多级短弧位降电压为U_h，系统在遭受雷击时弧道电流为i，雷电流上升率为：

则系统在遭受雷击时：

或者：

求得：

因此，增大多级短弧位降电压U_h，能够有效限制雷电流上升率和幅值，随着U_h的增大即可快速降低电流幅值至零，熄灭电弧。

本发明10kV多级短弧位降电压叠加过电压防护装置，在过电压入侵时，过电压通过高压电极1下引至第一引弧电极3，使第一引弧电极3与位于高压侧绝缘盘7上的第一接闪电极5之间的第三放电间隙13击穿闪络，闪络路径依次为第一引弧电极3→位于高压侧绝缘盘7上的第一接闪电极5→位于高压侧绝缘盘7上的多级短弧位降电压叠加室8→位于高压侧绝缘盘7上第二接闪电极6→位于低压侧绝缘盘7上的第一接闪电极5→位于低压侧绝缘盘7上的多级短弧位降电压叠加室8→位于低压侧绝缘盘7上的第二接闪电极6→第二引弧电极4→低压电极2。在整个闪络路径中，串联的多级短弧位降电压叠加室8，在快速泄放雷电流过程中，单个短弧位降电压在40V～100V之间，通过多个短弧位降电压的叠加，整个闪络路径整体呈现约1.2kV～5kV的压降。

另外，本发明10kV多级短弧位降电压叠加过电压防护装置不仅可并联于10kV架空线路绝缘子两端使用，亦可替换10kV架空线路绝缘子作为具有过电压防护功能的绝缘子使用。

综上所述，本发明10kV多级短弧位降电压叠加过电压防护装置，可有效抵消10kV工频网压，抑制雷电流的幅值，并限制雷击过后工频续流幅值的快速增长，从而快速熄弧、切断工频续流并恢复线路绝缘水平；并通过第二放电间隙12、第三放电间隙13及第四放电间隙14等多级长间隙来隔离电网工频电压，在正常工作条件下不存在泄露电流和高压电老化的问题；且本发明不受金属氧化物电阻片通流容量和电压梯度的限制，且重量轻、成本低、通流容量大、使用寿命长及维护费用低。