一种多级反冲式压缩灭弧防雷装置的制作方法

本实用新型属于输配电架空线路用的电力金具技术领域，涉及一种多级反冲式压缩灭弧防雷装置。

背景技术：

在我国的电力能源和负荷中心分布很不均衡，主要以煤炭发电为主。煤炭资源大部分集中在西北地区，可开发的水力资源主要集中在西部以及中部地区，而我国的负荷中心集中在东部沿海、京津唐和中部发达地区。这决定了我国要解决负荷中心的电力问题，必然在大力开发水力和火力发电的同时建设跨区域、大容量和远距离的能源输送通道。

随着输电线路电压等级的不断升高，国家累计建成了“八交十直”的特高压工程，形成了110多万千米的输电线路，拥有近5000多万基杆塔，据统计，电网雷害风险主要集中于输电线路，雷害依然是影响输电网络安全、稳定和可靠的重要因素。现有的雷电防护体系主要是“阻塞型”防雷模式，主要措施为架设避雷线和耦合地线、降低杆塔接地电阻、增强线路绝缘和安装线路避雷器等，由于其有效性、安全性以及经济性存在局限，仅仅能防护单次的弱雷击，对巨大雷击和多重雷击防护存在巨大空白。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，虽然其结构简单、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”，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。

如专利号为2015100691235公开了一种可计数截弧防雷器，该专利虽然对防雷起到了很好的作用，但是仍然一些不足，只有纵吹灭弧方式，当电弧较强时，电弧不易吹灭。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术的不足，提出一种能够对能量大的电弧进行多级反冲作用，能够更好地截断电弧，大幅度削减电弧能量，有利于熄灭电弧的多级反冲式压缩灭弧防雷装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种多级反冲式压缩灭弧防雷装置，包括直筒状的装置主体；所述的装置主体的内部中空，并且在上半空间中设有若干段自上而下倾斜排布的灭弧管道组成的灭弧路径，在下半空间中自上而下设有若干个与装置主体内侧壁紧密接触的导弧球Ⅰ；所述的灭弧管道内设有导弧球Ⅲ；两两相邻的灭弧管道端部之间通过导电连接件相连接，最后一段灭弧管道的末端与位于顶部的导弧球Ⅰ电气相连；在与灭弧管道端部相对应的装置主体侧壁上设有压缩气流喷射通道，并且在装置主体外表面上对应设有压缩气流喷射口；在两相邻的导弧球Ⅰ之间的装置主体侧壁上还设有反冲喷射通道，并且在装置主体外表面上对应设有反冲喷射口，使得装置主体的下半部分形成若干个半封闭空间的反冲管。

作为进一步的技术改进，所述的装置主体内部还安装有金属环和小平台；所述的小平台设置在反冲喷射口的上方；所述的金属环安装在小平台上，并且金属环的外表面紧贴着装置主体的内侧壁面。反冲喷射口包括反冲喷射通道口和装置主体底部开口处的底部反冲喷射口；金属环外径紧贴于装置主体内径，通过小平台固定其位置，避免反冲过程中金属环发生移位；侧级反冲管（即两相邻导弧球Ⅰ之间的装置主体节段）中也可增加多个金属环，其中有一个金属环设置在反冲喷射通道上方处，在装置主体底部的底部反冲喷射口中增加一个金属环；利用金属环的金属导电性确保电弧能够顺利进入装置主体，实现反冲功能，同时由于装置主体出口处受力大，金属环也可以起到保护装置主体出口的作用；不仅可以在装置主体底部出口处设计金属环，也可以在整个装置主体间隔一定距离设计一个金属环确保电弧通道控制在设定的轨道。

作为进一步的技术改进，所述的反冲喷射通道为倾斜设置。

作为进一步的技术改进，所述的导电连接件为导线或者金属片或者三通管。

作为进一步的技术改进，所述的三通管内部设有两个导弧球Ⅱ；在两弧形球Ⅱ之间设有空气间隙，并且空气间隙长度恰好是三通管的径向管的直径。导弧球Ⅱ为球体结构，当电弧进入三通管后，三通管中间喷射口形成喷射气流作用于电弧，实现横吹，由于装置包含灭弧管道和三通管，就能实现对电弧的横吹和纵吹。

作为进一步的技术改进，所述的三通管的径向管管口紧贴装置主体内侧壁面，并且在装置主体侧壁上设有对应的压缩气流喷射通道。

作为进一步的技术改进，所述的导弧球Ⅲ设置在灭弧管道中间位置。

作为进一步的技术改进，所述的装置主体外表面设有若干个裙边。

作为进一步的技术改进，所述的导弧球Ⅰ、导弧球Ⅱ和导弧球Ⅲ均采用石墨或金属材料。

本实用新型的工作原理：

电弧是具有弹性形变的等离子体，当其进入反冲管后，由于受到反冲管壁的限制，电弧进入反冲管始端时，密度、速度、温度增加，导致管内压力的增加，最终产生压爆效应，电弧冲击反冲管底部的导弧球Ⅰ，电弧在堵塞的反冲管底部受到反向弹力，大部分电弧的前进方向发生180°的改变，少部分电弧由于库仑力作用进入灭弧管道组成的灭弧路径，由灭弧管道进行压缩气流喷射灭弧。反弹回的电弧由于速度、密度、压力更大，空腔效应在入口处作用于外电弧，导致反冲管端口处的电弧产生截断。

本实用新型中的反冲管是一个狭管灌注通道，这是电弧进入装置的唯一通道。灌注过程中产生多样的物理变化。

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。

电弧辐射、对流、传导为能量流失的三种方式，由于封闭管道即外源性封堵环境下，热量不能得到释放，对电弧起到了阻断的作用，只会产热，不会散热，因此会产生阻断性的温升，使得管内温度持续升高。

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。

灭弧管道由于倾斜在装置本体中，可以避免上下两相邻的灭弧管道端部相靠太近导致空气击穿引弧现象，而无法使电弧被有效吹灭；灭弧管道的两端分别与装置主体内壁两侧相接触；装置主体底部的开口为底部反冲喷射口；装置主体顶部设置为封闭状态；

导弧球Ⅰ为球体结构，导弧球Ⅰ等间距地设置在装置主体内部的下半空间中；导弧球Ⅰ与装置主体间紧密镶嵌，装置主体的上半空间构成压缩灭弧管道，位于装置主体最下方的导弧球Ⅰ与下方端口之间构成直筒反冲管，直筒反冲管为半封闭空间；两两相邻的导弧球Ⅰ与装置主体构成的空间形成侧级反冲管，每个侧级反冲管均与对应的压缩气流喷射通道形成半封闭空间；导弧球Ⅲ为球体结构，导弧球Ⅲ镶嵌在灭弧管道内，使得灭弧管道被导弧球Ⅲ分成两个半封闭空间。

装置主体的材质采用高强度高密度抗高温材料，例如合金陶瓷、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、有机玻璃等绝缘材料。

使用时将本压缩灭弧防雷装置安装在低压端一侧的绝缘子串上，第一段灭弧管道的首端与低压端一侧的绝缘子串电气相连；并且本压缩灭弧防雷装置的位置与高压端一侧的下电极相对应，中间为闪络空气通道，通过绝缘配合，雷击杆塔或避雷线时产生的雷击过电压优先击穿并联通道保护绝缘子串，形成的电弧进入反冲式压缩灭弧防雷装置，电弧首先进入直筒反冲管中；

装置主体的灭弧路径的内径要比电弧直径小，当电弧进入装置主体内时，电弧越往里走，受到装置主体管壁的狭管灌注作用越强；此时，装置主体内的电弧密度增加，由于装置主体的密闭性能，装置主体管内温度瞬间上升，形成内部与外界的密度差、温度差，装置主体管内壁的限制，电弧进入反冲管始端时密度、速度、温度增加，导致管内压力增加，最终产生压爆效应，使电弧在堵塞的反冲管底部受到反向弹力，电弧方向发生180°的改变。反弹回的电弧由于速度、密度、压力更大，空腔效应在入口处作用于外电弧，导致端口处的电弧产生截断。进入反冲管的电弧能量越大，受到反冲管的狭管灌注效应越大，形成的密度差和温度差越大，使得反冲能力就越强，甚至熄灭电弧。

由于多级导弧球Ⅰ的导电性，电弧将会顺势进入侧级反冲管重复多级反冲作用，电弧受到弹力，电弧运动方向改变，从侧方喷口喷出，生成的部分侧方喷射气流作用于电弧，实现横向多级截断；电弧能量越大，形成的密度差和温度差就越大，使得反冲能力就越强；电弧在喇叭反冲管内受到空腔效应作用，削弱电弧的能量，使其进入侧级反冲管的能量减少，又由于侧级反冲管的横向截断作用，使电弧形成多个断点，加速电弧的熄灭； 电弧经过反冲作用后，能量被大大削减，残余电弧通过顶部的导弧球Ⅰ引弧进入上部分的灭弧管道，受到压缩作用，通过内外温度差、密度差和压力差形成多点喷射纵吹，把电弧分割成多个断点，实现电弧截断作用，最终熄灭电弧，确保在断路器开断之前完全熄灭电弧，在保护绝缘子串的同时又避免断路器跳闸。

本专利与现有技术“角形避雷装置（专利申请号为CN200810178607.3）”所述结构及原理相比有以下不同：

1）灭弧不存在时滞效应。由于角形避雷装置是通过雷击闪络喷出电弧喷气，该过程需要熔融、汽化而产生的金属成分或者等离子化的气体中的离子成分等的导电性成分，该成分在空气中呈现浮游状态，从而降低空气中绝缘能力并容易产生电弧位移，并在电弧位移处喷出电弧喷气，由此来阻断电弧。显然，在电弧闪络—导电材料熔融、汽化—喷出电弧喷气这一过程，存在时滞效应，即角形避雷装置存在喷出电弧喷气能量小于雷击闪络电弧能量。而本专利提出的狭管灌注效应，充分利用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）灭弧阈值高。由于角形避雷装置的灭弧筒以及产气装置是由聚酰胺树脂（又名尼龙），所能承受温度在500℃左右，其值远小于电弧灼烧温度（最高达到3726.85℃）。故此灭弧筒以及产气装置极易受高温影响，最后导致爆裂。而本专利提出采用高强度耐高温耐高压的非导电材料制成，例如合金陶瓷、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，结合新型材料

3）不存在高温烘烤产气方式。由于角形避雷装置是通过喷出电弧喷气作用于电弧，并在间隙内吹断电弧。其中喷出电弧喷气是需要高温烘烤产气，这严重导致产气材料的损失，明显降低了装置的使用寿命。而本专利提出等离子狭管灌注效应：利用电弧等离子体流动性，在进入反冲管内电弧的径向位移变为轴向膨胀；在接触到反冲管底部受到几何弹性变形，来流电弧和去流电弧形成的压强叠加、温度叠加和密度叠加效应，使反冲模块内的压强极速倍增，破坏电弧后续能量，阻断电弧连续性。故此不存在高温烘烤产气方式，保证本专利材料损失，并且使用寿命长。

与现有技术相比较，本实用新型具备的有益效果：

1.本实用新型采用直筒反冲管作为一级灭弧室，能够对能量大的电弧首先通过反冲作用，削减大部分电弧能量，削弱能量后的电弧再进入侧级反冲管和灭弧管道，可以有效保护灭弧管道，延长灭弧管道的使用寿命。

2.本实用新型通过在侧级反冲管中对电弧进行多级反冲，可以使电弧形成多断点，大幅度削减电弧能量，有利于熄灭电弧。

3.本实用新型先通过直筒反冲管对电弧实行纵向截断作用，再通过侧级反冲管对电弧实行横向截断作用，纵向截断和横向截断结合，能够更好地截断电弧。

4.本实用新型中装置主体是利用雷电自身能量进行灭弧，不依赖于工频能量。

5.本实用新型利用电流热效应改变装置主体内外的温度差，从而产生空气压力差对电弧进行吹灭，避免使用外在产气材料，有利于长期重复使用。

附图说明

图1为本实用新型的安装示意图。

图2为本实用新型的外部结构示意图。

图3为本实用新型中实施例1的内部结构示意图。

图4为图3中A处的放大图。

图5为本实用新型中灭弧管道的剖视图。

图6为本实用新型中实施例2的内部结构示意图。

图7为本实用新型中三通管的剖视图。

图8为本实用新型中实施例3的结构示意图。

图9为本实用新型中实施例4的结构示意图。

附图标记：1-低压端，2-绝缘子串，3-高压端，4-下电极，5-压缩气流喷射口，6-反冲喷射通道，7-底部反冲喷射口，8-导弧球Ⅰ，9-裙边，10-灭弧管道，11-导弧球Ⅲ，12-喷射通道，13-三通管，14-导弧球Ⅱ，15-金属环，16-小平台，17-装置主体。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

实施例1：

如图3所示，一种多级反冲式压缩灭弧防雷装置，包括直筒状的装置主体17；所述的装置主体17外表面设有若干个裙边9；所述的装置主体17的内部中空，并且在上半空间中设有若干段自上而下倾斜排布的灭弧管道10组成的灭弧路径，在下半空间中自上而下设有若干个与装置主体内侧壁紧密接触的导弧球Ⅰ8；所述的灭弧管道10内设有导弧球Ⅲ11；两两相邻的灭弧管道端部之间通过导电连接件相连接，最后一段灭弧管道的末端与位于顶部的导弧球Ⅰ电气相连；在与灭弧管道10端部相对应的装置主体侧壁上设有压缩气流喷射通道12，并且在装置主体外表面上对应设有压缩气流喷射口5；在两相邻的导弧球Ⅰ之间的装置主体侧壁上还设有反冲喷射通道6，并且在装置主体外表面上对应设有反冲喷射口，使得装置主体的下半部分形成若干个半封闭空间的反冲管。

所述的反冲喷射通道6为倾斜设置。所述的导弧球Ⅲ11设置在灭弧管道10中间位置。所述的导电连接件为导线。

本实施例的工作原理：

灭弧管道10由于倾斜在装置本体17中，可以避免上下两相邻的灭弧管道10端部相靠太近导致空气击穿引弧现象，而无法使电弧被有效吹灭；灭弧管道10的两端分别与装置主体17内壁两侧相接触；装置主体17底部的开口为底部反冲喷射口7；装置主体17顶部设置为封闭状态；导弧球Ⅰ8为球体结构，导弧球Ⅰ8等间距地设置在装置主体17内部的下半空间中；导弧球Ⅰ8与装置主体17间紧密镶嵌，装置主体17的上半空间构成压缩灭弧管道，位于底端的导弧球Ⅰ8与下方端口之间构成直筒反冲管，直筒反冲管为半封闭空间；两两相邻的导弧球Ⅰ8与装置主体17构成的空间形成侧级反冲管，每个侧级反冲管与对应的压缩气流喷射通道12形成半封闭空间；导弧球Ⅲ11为球体结构，导弧球Ⅲ11镶嵌在灭弧管道10内，使得灭弧管道10被导弧球Ⅲ11分成两个半封闭空间。

使用时将本压缩灭弧防雷装置安装在低压端1一侧的绝缘子串2上，第一段灭弧管道10的首端与低压端1一侧的绝缘子串2电气相连；并且本压缩灭弧防雷装置的位置与高压端3一侧的下电极4相对应，中间为闪络空气通道，通过绝缘配合，雷击杆塔或避雷线时产生的雷击过电压优先击穿并联通道保护绝缘子串2，形成的电弧进入反冲式压缩灭弧防雷装置，电弧首先进入直筒反冲管中；装置主体17的直径要比电弧直径小，当电弧进入装置主体17内时，电弧越往里走，由于受到反冲管狭管灌注效应越强，电弧进入反冲管始端时密度、速度、温度增加，导致管内压力增加，最终产生压爆效应，电弧在堵塞的反冲管底部受到弹力，电弧方向发生180°的改变。反弹回的电弧由于速度、密度、压力更大，在入口处形成空腔效应并作用于外电弧，导致端口处的电弧产生截断；此时，装置主体17内的电弧密度增加，由于装置主体17的密闭性能，装置主体17管内温度瞬间上升，形成内部与外界的密度差、温度差。进入反冲管电弧能量越大，受到的狭管灌注作用更为强烈，形成的密度差和温度差就越大，使得反冲能力就越强，甚至熄灭电弧；由于多级导弧球Ⅰ8的导电性，电弧将会顺势进入侧级反冲管重复多级反冲作用，电弧受到弹力，电弧运动方向改变，从侧方喷口喷出，生成的侧方喷射气流作用于电弧，实现横向多级截断；电弧能量越大，形成的密度差和温度差就越大，使得反冲能力就越强；电弧在直筒反冲管内受到空腔效应作用，削弱电弧的能量，使其进入侧级反冲管的能量减少，又由于侧级反冲管的横向截断作用，使电弧形成多个断点，加速电弧的熄灭；电弧经过反冲作用后，能量被大大削减，残余电弧通过顶部的导弧球Ⅰ8引弧进入上部分的灭弧管道10，由于受到压缩作用，通过内外温度差、密度差和压力差形成多点喷射纵吹，把电弧分割成多个断点，实现电弧截断作用，最终熄灭电弧，确保在断路器开断之前完全熄灭电弧，在保护绝缘子串2的同时又避免断路器跳闸。

实施例2：

本实施例与实施例1的区别仅在于：所述的装置主体17内部还安装有金属环15和小平台16；所述的小平台16设置在反冲喷射口的上方；所述的金属环15安装在小平台16上，并且金属环15的外表面紧贴着装置主体17的内侧壁面。

反冲喷射口包括反冲喷射通道6和装置主体17底部开口处的底部反冲喷射口7；金属环15外径紧贴于装置主体17内径，通过小平台16固定其位置，避免反冲过程中金属环15发生移位；同理，侧级反冲管中也可增加多个金属环15，其中有一个金属环15设置在反冲气流喷射通道6上方处，在装置主体17底部的底部反冲喷射口7中增加一个金属环15；利用金属环15的金属导电性确保电弧能够顺利进入装置主体17，实现反冲功能，同时由于装置主体17出口处受力大，金属环15也可以起到保护装置主体17出口的作用；不仅可以在装置主体17底部出口处设计金属环15，也可以在整个装置主体17间隔一定距离设计一个金属环15确保电弧通道控制在设定的轨道。

实施例3：

本实施例与实施例1的区别仅在于：所述的导电连接件为三通管。所述的三通管13内部设有两个导弧球Ⅱ14；在两弧形球Ⅱ之间设有空气间隙，并且空气间隙长度恰好是三通管13的径向管的直径。所述的三通管13的侧方管口紧贴装置主体内侧壁面，并且在装置主体侧壁上设有对应的压缩气流喷射通道。

导弧球Ⅱ14为球体结构，当电弧进入三通管13后，三通管13中间喷射口形成喷射气流作用于电弧，实现横吹，由于装置包含灭弧管道10和三通管13，就能实现对电弧的横吹和纵吹。

实施例4：

本实施例与实施例3的区别仅在于：所述的装置主体17内部还安装有金属环15和小平台16；所述的小平台16设置在反冲喷射口的上方；所述的金属环15安装在小平台16上，并且金属环15的外表面紧贴着装置主体17的内侧壁面。

显然，上述实施例仅仅是为了清楚的说明本实用新型所作的举例，而并非对实施的限定。对于所述领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式子以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。