一种多管反冲熄灭电弧等离子体装置及避雷针的制作方法

本发明涉及防雷技术领域，尤其涉及一种多管反冲熄灭电弧等离子体装置及避雷针。

背景技术：

雷电是大自然中的气体放电现象，在雷电放电过程中，呈现出电磁效应、热效应以及机械效应，对于建筑物和电气设备有很大的危害性，因此，我们需要设置防护装置来规避或减小这种危害性。我们需要设置防护装置来规避或减小雷电所带来的损害。我们利用避雷针来保护建筑物、高大树木等避免遭受雷击，避雷针的作用是吸引雷电击于自身，通过接地装置将雷电流迅速泄入大地。但是避雷针仍存在一些弊端。

1.避雷针的泄流过程影响较大:

当雷电来临时，普通的避雷针在一定程度上可以防御雷击对建筑或输电线路的破坏，保护建筑与电力系统的安全。但是当巨大的雷电流快速泄放到大地时，雷电流将会巨大的瞬时电磁场，这个巨大的电磁场将会影响处于这个磁场之中的电子设备、通讯设备、电力系统的线路，这些设备可能产生额外的感应电流，轻则会产生装置误动作，重则会造成设备损坏。

2.雷电过电压的降低程度不够:

当利用普通避雷针保护物体时，强大的雷电流快速流过避雷针时，会产生很高的冲击电压，但由于冲击电压大小与雷电流大小和被击物体冲击电阻大小有关，避雷针对雷电过电压降低程度不够，设备仍无法完全受到避雷针的保护。同时，在雷电流泻入大地的过程中，可向附近的各种接地导体闪络电弧，电压可高达数万伏以上，对建筑物内电子设备及输电线路产生巨大的影响。因此，需要设计一种具有反冲功能的避雷针。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多管反冲熄灭电弧等离子体装置及避雷针，以解决现有避雷针泄流裕量大和过电压降低程度不够的技术问题。使电弧在每个反冲管内均为全程反冲，提高灭弧效果，减小泄流裕量，增大保护范围。

一种多管反冲熄灭电弧等离子体装置，包括接闪线、反冲口、裙边、支撑体和若干个反冲单元，所述裙边间隔固定在支撑体的外侧，所述若干个反冲单元相互首尾通过接闪线连接构成多级反冲结构，所述多级反冲结构环绕在支撑体的内部，所述反冲口设置在两个反冲单元的连接处，且反冲单元经反冲口与外部连通。

进一步地，若干个反冲单元均设置为内部中空、一端开口、另一端封闭的半封闭管件。

进一步地，若干个反冲单元均包括引弧组件、反冲管和接闪组件，所述引弧组件内嵌套在反冲管的一端，且开口与外部连通，所述接闪组件封闭设置在反冲管的另一端

进一步地，所述接闪线一端连接在引弧组件上，另一端连接在另一个相邻的反冲单元接闪组件上。

进一步地，所述支撑体设置为实心体结构，支撑体采用高强度耐高温耐高压的非导电材料制成，非导电材料制为合金陶瓷、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、石墨烯玻璃或者有机玻璃，反冲管的内径大小随输电线路电压等级升高而增大。

进一步地，所述裙边设置为圆形边结构，所述反冲口设置在支撑体的侧壁上，且两个反冲口之间至少设置一个以上的裙边。

进一步地，所述引弧组件和接闪组件均为由导电材料制成，引弧组件为导电金属环，且导电金属环的外侧壁紧贴于反冲管的内壁，在第一个反冲单元的导电金属环外设置有引弧电极。

进一步地，所述支撑体设置为三棱柱、四棱柱或五棱柱结构，若干个反冲单元螺旋沿着三棱柱、四棱柱或五棱柱侧面排布，设置在侧面的内部。

该多管反冲熄灭电弧等离子体的装置是由多个反冲管连接构成，在反冲管的其中一个端口安装接闪组件进行密封。使得反冲管构成半封闭管件，并且反冲管的管壁由高强度耐高温耐高压的非导电材料制成。高强度耐高温耐高压的非导电材料可以选用但不限于以下材料：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。反冲管为内部中空、一端开口、另一端封闭的半封闭管件。每一个反冲管的反冲管入口处均设有引弧组件，引弧组件和接闪组件均分别由导电材料制成。引弧组件可以为导电金属环，并且导电金属环的外侧壁紧贴于反冲管的内壁。在第一个反冲管口外设置金属引弧电极，可以保证距离较远的外电弧也会被引入反冲管内部。

本发明中的反冲管的内径取值范围为2.5-10mm，应用反冲管的输电线路电压等级越高，反冲管内径适当越大。

若干个单管反冲倾斜排布，首尾相连构成多管反冲，空间结构类似螺旋状，连接方式为：上一个反冲管的接闪组件与下一个反冲管的引弧组件相邻，从而构成多段多管反冲方式。

进一步说明，接闪组件封堵在反冲管其中一个端口，使得电弧能够在整个反冲管内进行反冲灭弧，达到全程反冲的目的。灭弧能量聚集更大，灭弧效果更好。

进一步说明，为使电弧路径能够在指定的通道内进行多管反冲，在相邻两个反冲管之间设有接闪线。接闪线为金属材质，一端连着上一反冲管的接闪组件，另一端连着下一反冲管的引弧组件，使得电弧能够更顺利进入下一反冲管。

进一步说明，相邻反冲管之间的连接呈平面锯齿状，并且仅用一根很细的接闪线相连，电弧的连接度、脆弱性较低，这有利于电弧的熄灭。

进一步说明，多管反冲结构可以设计成空间类螺旋状结构，多管螺旋结构可以为沿着三棱柱、四棱柱或五棱柱侧面排布；也可以为多管交叉螺旋排布，其俯视图形状为五角星。但结构并不局限于上述几种，也可以设计成平面锯齿状排布。

进一步说明，上述结构可安装在任何避雷针上，底部与避雷针的引雷杆结构相接，整体装置安装在杆塔或者建筑上，加强灭弧防雷效果，减少雷电的泄流裕量，使被保护的物体受保护程度增加。

进一步说明，多管反冲结构可以呈空间螺旋结构分布在一柱体内部，柱体外壁留有电弧喷口。柱体外部设有裙边，可以增加电弧的爬弧距离，使得电弧在设定路径内。裙边设置要求：同一垂直方向的上、下电弧喷口之间需设有一裙边，避免上、下喷口处的电弧再次相连。

该装置灭弧过程：

当雷击闪络电弧接近反冲装置时，引弧电极将电弧牵引至第一个反冲管入口附近，外电弧在第一个反冲管的引弧模块牵引下进入极细的反冲管，其中，反冲管内径远小于电弧直径。电弧弧柱在反冲管内受到狭管灌注作用，电弧因受到反冲模块中管壁限制，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，此为功率性温升。同时，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，此为阻断性温升。与此同时，电弧等离子体在管内密度急剧增大，粒子之间的摩擦、碰撞加快，热量、温度再次升高，此为摩擦性温升。三大温升效应使得管内外温度差变大，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，管内电弧被迅速排空，外电弧空腔效应，阻断了外电弧能量的注入。剩余电弧依次经接闪线接闪、下一个引弧模块导弧后进入下一反冲管，之后的反冲灭弧过程同上。最终，电弧在多个断点同时断裂，其连续性被破坏，加速了冲击电弧的熄灭，消除了工频建弧通道的形成。

电弧等离子体发生弹性形变。电弧等离子体在进入反冲管入口时，首先物理形状发生改变，由粗电弧变成了极细的电弧，径向压力转成轴向压力，由于狭管反冲效应，在电弧反冲时喷出速度会加快。

电弧温升效应加剧。电弧变细后，电弧横截面积减小，根据公式电弧电阻会大幅度上升。由于雷电弧在实际经验工作中常作为恒流源，根据公式w＝∫i²×rδt可知，尽管冲击时时间仅有几微秒，但整体能量会增强，反冲管内敛性温度会升高。

压爆效应急剧增加。当温度的逐步升高使得电弧积累性的增加，又进一步加剧了压爆效应，使电弧喷射力度更大。

一种多管反冲熄灭电弧等离子体装置的避雷针，其特征在于：包括上述的等离子体装置、引雷杆、锁紧组件和金属球座，等离子体装置固定在引雷杆的一端、引雷杆的另一端通过锁紧组件固定在金属球座上。

一种多管反冲熄灭电弧等离子体装置的避雷针，其特征在于：包括若干个上述的等离子体装置，每个等离子体装置均通过引雷杆和锁紧组件固定在金属球座上。

本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

本发明可以提升防雷装置安全能力，通过阻断电弧注入实现灭弧；本等离子体装置安装在避雷针上，当雷电弧来临时，先进入装置中，逐级地削弱进入的电弧，从而减小雷电流的泄流裕量，增强避雷针的效果，被保护的杆塔或建筑降低了遭受雷击的危险，被保护程度提高；同时本发明应用范围广，该结构与避雷针相互结合使用，可应用于任何避雷针上，保护了电气设备、杆塔、输电线路等等，保护了电力系统的安全；雷击闪络电弧进入装置中，在装置内逐级的削弱电弧，因此，大部分电弧被熄灭，小部分电弧随着引雷杆泄入大地，所以该装置起到了减小雷电流的泄流裕量的效果。

附图说明

图1为本发明等离子体装置结构示意图。

图2为本发明反冲单元剖面图；

图3为本发明多个反冲单元环绕结构剖面图；

图4为本发明反冲单元反冲原理图；

图5为本发明避雷针安装结构示意图；

图6为本发明三棱柱反冲管俯视图；

图7为本发明四棱柱结构俯视图；

图8为本发明类螺旋状和五边形的两种结构俯视图。

图9为本发明避雷针另一种结构示意图；

图10为本发明避雷针另一种结构示意图；

图中标号：1-引弧组件；2-反冲管；3-接闪组件；4-引弧电极；5-接闪线；6-反冲口；7-裙边；8-支撑体；9-引雷杆；10-锁紧组件；11-金属球座。

具体实施方式

为使本发明的目的、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，对本发明进一步详细说明。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发明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发明的这些方面。

实施例1：

如图1、3、6所示，多管反冲螺旋结构为沿着三棱柱侧面排布。当雷击闪络电弧接近反冲装置时，首先通过最外部的引弧电极4将电弧牵引至第一个反冲管入口附近，外电弧在引弧模块1牵引下进入反冲管2，电弧在图中所示结构内进行多管反冲，最终，电弧在多个断点a、b、c同时断裂，其连续性被破坏，加速了冲击电弧的熄灭，消除了工频建弧通道的形成。

实施例2：

如图1、3、7所示，多管反冲螺旋结构为沿着四棱柱侧面排布。当雷击闪络电弧接近反冲装置时，首先通过最外部的引弧电极4将电弧牵引至第一个反冲管入口附近，外电弧在引弧模块1牵引下进入反冲管2，电弧在图中所示结构内进行多管反冲，最终，电弧在多个断点d、e、f、g同时断裂，其连续性被破坏，加速了冲击电弧的熄灭，消除了工频建弧通道的形成。

实施例3：

如图1、3、8所示，多管反冲螺旋结构为沿着五棱柱侧面排布，也可以为多管交叉空间螺旋排布、其俯视图形状为五角星。当雷击闪络电弧接近反冲装置时，首先通过最外部的引弧电极4将电弧牵引至第一个反冲管入口附近，外电弧在引弧模块1牵引下进入反冲管2，电弧在图中所示结构内进行多管反冲，最终，电弧在多个断点h、i、j、k、l同时断裂，其连续性被破坏，加速了冲击电弧的熄灭，消除了工频建弧通道的形成。

实施例4：

如图1所示，多管反冲结构可以呈空间螺旋结构分布在一柱体内部，柱体外壁留有电弧喷口6。柱体外部设有裙边7，可以增加电弧的爬弧距离，使得电弧在设定路径内。裙边7设置要求：同一垂直方向的上、下电弧喷口6之间需设有一裙边，避免上、下喷口处的电弧再次相连。

实施例5：

如图2所示，多管反冲结构可以设计成空间类螺旋状结构，也可以设计成平面锯齿状排布。但结构并不局限于上述几种。

实例例6：

如图5、9、10所示，多管反冲结构可安装在避雷针上，可在单级避雷针、球形避雷针以及多针形避雷针等等任何的避雷针上进行应用，可将多管反冲结构安装在避雷针的引雷杆上，该整体装置安装在杆塔、建筑以及一些适合避雷针安装的地方，具体的安装方式可根据实际的现场情况进行装置。

本申请中，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。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。