一种反冲压缩组合灭弧方法及装置与流程

本发明涉及防雷灭弧技术领域，尤其涉及一种反冲压缩组合灭弧方法及装置。

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，分为直接雷击过电压和感应雷击过电压。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“疏导型”防雷模式主要是在绝缘子(串)两端安装并联保护间隙，其结构简单、安装方便，但由于其没有灭弧功能模块，使系统中持续流入短路电流，只能依靠断路器切断短路电流，以“跳闸率换取事故率”，在一定程度上会使得雷击跳闸率有所提高，易造成线路巨大安全事故。同时因为短路电流的烧蚀作用，使得并联保护间隙绝缘配合失效，失去应用的功能。

现有的主动式灭弧并联间隙的电场大多属极不均匀电场，其伏秒特性很陡，难以与被保护绝缘的伏秒特性取得良好的配合。在传统绝缘配合中，如果进一步减小绝缘配合比，即缩短并联间隙的距离，并联间隙的静态击穿电压就会整定的过低，使主动式灭弧装置在内部过电压，甚至在工作过电压下频繁动作。

因此，针对上述所述问题，提出了一种反冲压缩组合灭弧方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种反冲压缩组合灭弧方法及装置，解决背景技术中存在的技术问题。

一种反冲压缩组合灭弧方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：在顶端设置有反冲管，反冲管底部设置若干个环绕设置的压缩管，反冲管顶端设置有引弧电极，底部设置有反冲电极；

步骤2：当雷击闪络电弧接近反冲管时，引弧电极对闪络电弧的物理触碰、库仑力作用或者尖端放电形成上行先导，将电弧牵引至反冲管入口处，外电弧在反冲电极吸引作用下进入反冲管内；

步骤3：电弧弧柱在反冲管内受到狭管灌注作用，电弧发生弹性形变，电弧径向变形转变为轴向变形，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，管内温度迅速升高；

步骤4：反冲管内外温度差变大，压力差也变大，反冲管内产生由内向外的定向电弧压爆效应，压爆效应造成电弧排放：一方面，管内电弧被迅速排空；另一方面，外电弧空腔效应，阻断了外电弧能量的注入；

步骤5：剩余未熄灭电弧经压缩管的引弧作用进入到压缩管内，剩余未熄灭电弧经过若干个环绕设置的压缩管压缩反冲后能量被进一步削弱，最终完全熄灭。

进一步地，所述步骤1中，若干个环绕设置的压缩管首尾依次连接，连接处设置有喷口，喷口的内侧设置有接闪电极传导电弧。

进一步地，压缩管包括压缩管体和压缩电极，压缩管体设为内部中空，两端开口的管状结构，压缩电极密封设置在压缩管体内。

进一步地，所述步骤3的具体过程为：

电弧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，在电弧反冲管喷出速度会加快；

电弧变细后，电弧横截面积减小，电弧电阻会大幅度上升，反冲管体能量会增强，反冲管内敛性温度会升高；

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。

进一步地，所述步骤5的压缩反冲过程为：

电弧进入压缩管时，在压缩管的前半段反冲段，反冲段对电弧压缩和弯折，在反冲段内产生轴压力梯度，一部分电弧由反冲段内向外界喷出，对电弧的拐点进行吹拉，再次拉伸细化了电弧，使电弧更加容易被吹灭且不复燃，另一部分电弧由压缩管内的压缩电极传到加速段；

电弧在加速段内加速传导，一部分从加速段的末端喷出，另一部分从接闪电极传到下一个压缩管的反冲段内，重复上述过程直到电弧熄灭。

一种反冲压缩组合灭弧装置，包括支撑体，支撑体的外侧设置有若干个裙边，支撑体的顶部设置有反冲装置，支撑体内设置有多级压缩装置，所述反冲装置与多级压缩装置连接。

进一步地，所述反冲装置包括反冲管、引弧电极和反冲电极，所述反冲管设置为内部空心管结构，所述引弧电极设置在反冲管的上端开口处，所述反冲电极密封设置在反冲管的底部。

进一步地，所述反冲管采用高强度耐高温耐高压的非导电材料制成的材料制成，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适当增大；

引弧电极和反冲电极均为导电材料制成，引弧电极为导电金属环，且导电金属环的外侧壁紧贴于反冲管上段开口的内壁。

进一步地，所述多级压缩装置包括若干个压缩管，若干个压缩管环绕设置在支撑体内，若干个压缩管首尾依次不平行连接，压缩管与压缩管的连接处设置有喷口与外部连通，喷口的内侧设置有接闪电极。

进一步地，两个喷口之间设置有一个或者一个以上的裙边。

所述反冲管位于装置顶端，反冲管为内部中空的半封闭管件，反冲管封闭端采用金属接闪电极封闭，反冲管开放端端口设有金属材质的引弧电极，对电弧起到牵引作用。反冲管管壁的材料需为高强度耐高温耐高压绝缘材料，例如陶瓷等。

反冲管下方连接着多段压缩管，所述压缩管管壁采用高强度耐高温耐高压的绝缘材料，每段压缩管管内中间部位都设置引弧单元，引弧单元材料为金属导弧材料，引弧单元将压缩管管内空间分隔成两部分。电弧进入压缩管后，在压缩管前半段空间(反冲段)内同样发生着反冲灭弧过程，对电弧能量进行削弱；在压缩管后半段空间(加速段)内电弧受到管壁的限制，电弧速度加快，电弧从喷口喷出。多段压缩管成空间螺旋状交错排布，在每两段压缩管连接拐点部位设置了电弧喷口。其中，多段压缩管的结构由支撑体支撑，压缩管埋设在支撑体内，电弧喷口设置于支撑体表面。为了不让电弧在灭弧装置外面发生闪络，使电弧通过指定的通道，约束电弧的发展路径，在支撑体外部设置了裙边。为了避免灭弧装置垂直方向上相邻喷口处的电弧发生重燃，在同一垂直方向的两个电弧喷口之间至少设置有一个裙边。在灭弧装置底端设有一固定螺杆，通过螺杆可将灭弧装置连接在杆塔横担上，并联在绝缘子一侧或并联于绝缘子两端。

电弧经过灭弧装置的多段压缩管时，由于电弧路径存在多个拐点，使得电弧同时产生多个断点，实现同步分段熄灭电弧。由于电弧在灭弧装置内的闪络速度非常快，可认为灭弧装置的反冲灭弧过程与压缩灭弧过程是同时同步出现的。

本发明的原理：

1.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。

2.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。

3.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。

4.冲击电弧进入多段压缩管时，被压缩管强烈压缩、折弯，在管内产生极高的轴压力梯度，电弧由压缩管内向外界喷出，对电弧的拐点进行吹拉，再次拉伸细化了电弧，使电弧更加容易被吹灭且不复燃。

本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

1、本发明可以提升防雷装置安全能力，因为它是通过阻断电弧注入实现的。

2、提高电力系统安全能力；装置灭弧能力的提升降低了电力系统的短路发生的概率，在各种自然界扰动之前，所有闪络点都能有效的终止，电力系统发生恶性突变之前，消除它，防雷的性价比提高。

3、结构简单、设计合理，灭弧能力更强，工作更加稳定可靠。反冲管首先对冲击闪络电弧进行削弱，然后多段压缩管的设置不仅有效限定了电弧的路径，保障电弧经过多次拉伸膨胀，通过纵吹横吹相配合的方式使电弧形成多断点，在电弧拐点(电弧最脆弱的地方)增加横吹能使电弧迅速熄灭并且具有极强的抑制电弧重燃的能力。

附图说明

图1是本发明的装置平面结构示意图。

图2是本发明的压缩管螺旋结构平面图。

图3是本发明的压缩管内部剖面图。

图4是本发明的装置外部结构示意图。

图5是本发明的相邻压缩管及拐点处电弧结构示意图。

图6是本发明的反冲管的反冲原理图。

图中编号：1-支撑体、2-压缩管、3-喷口、4-裙边、5-螺杆、6-反冲管、7-引弧电极、8-反冲电极、9-压缩电极、10-接闪电极、a-反冲段、b-加速段。

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。

如图1所示，根据本发明的一种反冲压缩组合灭弧方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：在顶端设置有反冲管6，反冲管6底部设置若干个环绕设置的压缩管2，反冲管6顶端设置有引弧电极7，底部设置有反冲电极8。

若干个环绕设置的压缩管2首尾依次连接，连接处设置有喷口3，喷口3的内侧设置有接闪电极10传导电弧。压缩管2包括压缩管体和压缩电极9，压缩管体设为内部中空，两端开口的管状结构，压缩电极9密封设置在压缩管体内。

反冲管6进行对电弧进行引入，然后首次进行对电弧进行反冲，使得电弧进行第一步的削弱，通过反冲，使得180°的对冲，可以有效的削弱后面进入的电弧，或者是直接截断入口的电弧。

压缩管2内先进行电弧压缩然后反冲，前半段起到的是压缩反冲的作用削弱电弧，后半段是使电弧加速然后从末端喷出，形成加速喷出的效果。

步骤2：当雷击闪络电弧接近反冲管6时，引弧电极7对闪络电弧的物理触碰、库仑力作用或者尖端放电形成上行先导，将电弧牵引至反冲管6入口处，外电弧在反冲电极8吸引作用下进入反冲管6内。

步骤3：电弧弧柱在反冲管6内受到狭管灌注作用，电弧发生弹性形变，电弧径向变形转变为轴向变形，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，管内温度迅速升高。

电弧在进入反冲管6入口时，首先物理形状发生改变，由粗电弧变成了细的电弧，径向压力转成轴向压力，由于狭管反冲效应，在电弧反冲管6喷出速度会加快。

电弧变细后，电弧横截面积减小，电弧电阻会大幅度上升，反冲管6体能量会增强，反冲管内敛性温度会升高。

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。

步骤4：反冲管6内外温度差变大，压力差也变大，反冲管6内产生由内向外的定向电弧压爆效应，压爆效应造成电弧排放：一方面，管内电弧被迅速排空；另一方面，外电弧空腔效应，阻断了外电弧能量的注入。

步骤5：剩余未熄灭电弧经压缩管2的引弧作用进入到压缩管2内，剩余未熄灭电弧经过若干个环绕设置的压缩管2压缩反冲后能量被进一步削弱，最终完全熄灭。

电弧进入压缩管2时，在压缩管2的前半段反冲段a，反冲段a对电弧压缩和弯折，在反冲段a内产生轴压力梯度，一部分电弧由反冲段a内向外界喷出，对电弧的拐点进行吹拉，再次拉伸细化了电弧，使电弧更加容易被吹灭且不复燃，另一部分电弧由压缩管2内的压缩电极9传到加速段b；

电弧在加速段b内加速传导，一部分从加速段b的末端喷出，另一部分从接闪电极10传到下一个压缩管2的反冲段a内，重复上述过程直到电弧熄灭。

一种反冲压缩组合灭弧装置，包括支撑体1，支撑体1的外侧设置有若干个裙边4，支撑体1的顶部设置有反冲装置，支撑体1内设置有多级压缩装置，所述反冲装置与多级压缩装置连接。

如图1-图3所示，所述反冲管6位于装置顶端，反冲管为内部中空的半封闭管件，反冲管封闭端采用金属接闪电极3封闭，反冲管开放端端口设有金属材质的引弧电极7，对电弧起到牵引作用。反冲管6下方连接着多段压缩管2，每段压缩管2管内中间部位都设置压缩电极9，压缩电极9将压缩管管内空间分隔成两部分。多段压缩管2成空间螺旋状交错排布，在每两段压缩管连接拐点部位设置了电弧的喷口3。其中，多段压缩管2的结构由支撑体1支撑，压缩管埋设在支撑体内，喷口3设置于支撑体1表面。为了不让电弧在灭弧装置外面发生闪络，使电弧通过指定的通道，约束电弧的发展路径，在支撑体外部设置了裙边4。在灭弧装置底端设有一固定螺杆9，通过螺杆可将灭弧装置连接在杆塔横担上，并联在绝缘子一侧或并联于绝缘子两端。裙边4主要是隔断两个喷口3的电弧连接，更好的隔断电弧，使得形成隔断削弱熄灭的过程。

电弧进入压缩管2后，在压缩管前半段空间内同样发生着反冲灭弧过程(反冲段)，对电弧能量进行削弱；在压缩管2后半段空间内电弧受到管壁的限制，电弧速度加快(加速段)，电弧从喷口3喷出。

所述反冲装置包括反冲管6、引弧电极7和反冲电极8，所述反冲管6设置为内部空心管结构，所述引弧电极7设置在反冲管6的上端开口处，所述反冲电极8密封设置在反冲管6的底部。

所述反冲管6采用高强度耐高温耐高压的非导电材料制成的材料制成，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6的内径大小随输电线路电压等级升高而适当增大。其中支撑体1的材料与反冲管6的材料相同。

引弧电极7和反冲电极8均为导电材料制成，引弧电极7为导电金属环，且导电金属环的外侧壁紧贴于反冲管6上段开口的内壁。

如图1-5所示，所述多级压缩装置包括若干个压缩管2，若干个压缩管2环绕设置在支撑体1内，若干个压缩管2首尾依次不平行连接，压缩管2与压缩管2的连接处设置有喷口3与外部连通，喷口3的内侧设置有接闪电极10。两个喷口3之间设置有一个或者一个以上的裙边4。支撑体1的底部设置有螺杆4，螺杆4可以直接旋转固定在其他的杆塔或者连接件上。接闪电极10和压缩电极9均是使用金属材料制成。压缩电极9密封设置在压缩管2的中部位置。接闪电极10相切设置在两个压缩管2的连接处，在下一个压缩管2的所占的弧度与上一个压缩管2所占的弧度比为7:4，从而使得电弧更好的往下传导。

组合灭弧装置的灭弧过程为：

当雷击闪络电弧接近反冲管6时，引弧电极7对闪络电弧的物理触碰、库仑力作用或者尖端放电形成上行先导，将电弧牵引至反冲管6入口处，外电弧在反冲电极8吸引作用下进入反冲管6内。

电弧弧柱在反冲管6内受到狭管灌注作用，电弧发生弹性形变，电弧径向变形转变为轴向变形，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，管内温度迅速升高。

电弧在进入反冲管6入口时，首先物理形状发生改变，由粗电弧变成了细的电弧，径向压力转成轴向压力，由于狭管反冲效应，在电弧反冲管6喷出速度会加快。

电弧变细后，电弧横截面积减小，电弧电阻会大幅度上升，反冲管6体能量会增强，反冲管内敛性温度会升高。

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。

反冲管6内外温度差变大，压力差也变大，反冲管6内产生由内向外的定向电弧压爆效应，压爆效应造成电弧排放：一方面，管内电弧被迅速排空；另一方面，外电弧空腔效应，阻断了外电弧能量的注入。

剩余未熄灭电弧经压缩管2的引弧作用进入到压缩管2内，剩余未熄灭电弧经过若干个环绕设置的压缩管2压缩反冲后能量被进一步削弱，最终完全熄灭。

电弧进入压缩管2时，在压缩管2的前半段反冲段a，反冲段a对电弧压缩和弯折，在反冲段a内产生轴压力梯度，一部分电弧由反冲段a内向外界喷出，对电弧的拐点进行吹拉，再次拉伸细化了电弧，使电弧更加容易被吹灭且不复燃，另一部分电弧由压缩管2内的压缩电极9传到加速段b。

电弧在加速段b内加速传导，一部分从加速段b的末端喷出，另一部分从接闪电极10传到下一个压缩管2的反冲段a内，重复上述过程直到电弧熄灭。

本申请中，如图6所示，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。

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。