一种具有防脉冲电弧污染结构的触发型过电压保护间隙的智能组合防护组件

1.本发明涉及一种电力、高速信息化铁路输电等领域的高性能带外串过电压保护间隙的避雷器，特别涉及一种具有防脉冲电弧污染结构的触发型过电压保护间隙的智能组合防护组件。


背景技术：

2.外串间隙的避雷器是交直流输电、高速信息化铁路系统重要的、新型过电压防护器件，国内外外串间隙避雷器的放电间隙大多采用工作在大气环境中，由于大气环境的放电间隙的缺点是冲击击穿电压高、分散性大，且易受环境影响，尤其是在空气湿度较大或雨水天气时，例如10kv输电系统，外串间隙避雷器的保护间隙距离约在30
‑
50mm，脉冲放电电压达高达100kv，这就对10kv系统电力设备的耐压提出了比较高的要求；110kv输电系统，外串间隙避雷器的保护间隙距离约在500mm，其脉冲放电电压高达500kv以上。因而在实际运行过程中，经常出现雷击时外串间隙避雷器不动作的状况，致使电力设备(诸如，绝缘子)发生击穿(或沿面闪络)而引发电力事故。
3.随着电力、高速信息化铁路等的发展需求，对带外串间隙的避雷器提出了更高的要求，主要包括要求：(1)外串间隙的交流/直流耐受电压高、而冲击击穿/闪络电压低。(2)外串间隙避雷器有足够强的后续工频或直流电弧抑制能力；(3)外串间隙避雷器有较高的雷电冲击保护水平，与保护对象具有良好的绝缘配合特性。目前，外串间隙避雷器还不能满足上述性能要求，其性能指标还有待提升。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种高性能的具有防脉冲电弧污染结构的触发型过电压保护间隙的智能组合防护组件，这种外串间隙避雷器具有较高的交/直流耐受电压、较低的冲击击穿电压、快速的雷电过电压响应速度，与被保护电力设备配合效果好以及能够对脉冲电弧污染进行有效防护能力的显著特点。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：由具有防污染结构的触发型过电压保护间隙与氧化锌避雷器单元串联而成；
6.所述的具有防污结构的触发型过电压保护间隙是一个具有环状触发电极的触发型表面放电过电压保护间隙，包括上绝缘壳体、下绝缘壳体、上端法兰和下端法兰构成的气压为100～103pa或者104～5
×
105pa的密闭腔体，在腔体内设置有通过上、下导流杆安装在上、下端法兰上的上电极和下电极，上电极和下电极之间构成放电间隙，在上绝缘壳体和下绝缘壳体之间安装有环状触发电极，环状触发电极有一伸出的连接端子，用于连接雷电感应过电压或操作过电压通过主动耦合触发电路耦合过来的雷电能量，环状触发电极与下电极之间安装有起绝缘隔离作用的环状表面放电绝缘介质材料，环状触发电极覆盖在环状表面放电绝缘介质材料的上表面，环状触发电极、环状表面放电绝缘介质材料和下电极之间
构成触发型过电压保护间隙的表面放电触发器即形成表面闪络放电界面，下电极的上表面低于环状表面放电绝缘介质材料的上表面，表面闪络放电界面与下电极的上表面垂直或成锐角，同时在上电极、下电极周围的上绝缘壳体内安装有屏蔽罩；
7.所述的氧化锌避雷器单元由多个氧化锌非线性电阻片串联而成，通过绝缘填充胶固定安装在绝缘套中，在串联的电阻片上、下端均设置有通过避雷器上、下法兰与串联的电阻片电连接的避雷器上、下电极，串联的电阻片外侧安装有绝缘伞裙外套；
8.具有防脉冲电弧污染结构的触发型过电压保护间隙的下电极与氧化锌避雷器的上电极相连，触发型过电压保护间隙的上电极与被保护电力设备的上端相连，氧化锌避雷器的下电极与被保护电力设备的下端相连。
9.所述的环状触发电极的下表面与环状表面放电绝缘介质材料的上表面紧密接触，环状触发电极的内径小于或等于环状表面放电绝缘介质材料的内径。
10.所述的环状触发电极的内径小于环状表面放电绝缘介质材料的内径1.5mm。
11.所述的环状触发电极安装在上、下绝缘壳体的结合处，其厚度为3
‑
5mm。
12.所述的环状表面放电绝缘介质材料采用环宽为5
‑
15mm的聚四氟乙烯、半导体或陶瓷材料。
13.所述的表面闪络放电界面与主电极的上表面的锐角为300～700。
14.所述的屏蔽罩采用无氧铜制作。
15.本发明将具有防脉冲电弧污染结构的触发型过电压保护间隙与氧化锌非线性电阻单元串联组成带外串触发型间隙的避雷器，触发型过电压保护间隙的上、下电极以及环状触发电极密闭在气体或真空环境下，环状触发电极和下电极之间的触发方式为绝缘介质材料触发且具有防脉冲电弧污染结构。显著的优点包括：(1)由于触发型过电压保护间隙的触发器具有较强的初始触发载流子释放能力，使得触发型过电压保护间隙在不影响直流耐受电压的同时，可以大幅度降低过电压保护间隙的脉冲击穿电压且具有极快的雷电过电压响应特性；(2)环状触发电极和下电极之间的触发方式为表面放电触发，且表面闪络放电的界面与主电极表面垂直，而与主电极之间的脉冲电弧的路径平行，可以防止过电压脉冲电弧产生的金属蒸汽沉积在绝缘介质表面，大大提高了触发型过电压保护间隙的使用寿命；(3)特别重要的是，由于触发型过电压保护间隙具有直流击穿电压高、冲击击穿电压低的显著特征，可以确保正常工作条件下，氧化锌避雷器单元无需承受长期的工频/直流电压，不存在长期工频/直流泄漏电流而导致性能劣化的缺陷，因而氧化锌避雷器单元可以设计为具有直流参考电压、雷电冲击电压均较低的特征，从而使带外串间隙的智能组合防护组件的过电压保护水平大大提高。
附图说明
16.图1是本发明的整体结构示意图。
17.图2是本发明具有防脉冲电弧污染结构的触发型过电压保护间隙的结构示意图。
18.图3是本发明具有防脉冲电弧污染结构的触发型过电压保护间隙的另一种结构示意图。
19.图4为本发明氧化锌避雷器单元的结构示意图。
20.图5为本发明具有防脉冲电弧污染结构的触发型过电压保护间隙的触发电路原理
图。
21.图中，1上绝缘壳体，2下绝缘壳体，3上电极，4下电极，5上端法兰，6下端法兰，7环状触发电极，8环状表面放电绝缘介质材料，9屏蔽罩9，10表面闪络放电界面，11上导流杆，12下导流杆，13避雷器上法兰，14避雷器上电极，15绝缘伞裙，16电阻片，17填充胶，18避雷器下电极，19避雷器下法兰.。
具体实施方式
22.下面结合附图及实施例对本发明的结构原理和工作原理作进一步详细说明。
23.参见图1、图2、图3、图4和图5。本发明由具有防脉冲电弧污染结构的触发型过电压保护间隙与氧化锌避雷器单元串联而成；
24.其中，具有防脉冲电弧污染结构的触发型过电压保护间隙的结构如图2、或图3所示，氧化锌避雷器单元结构如图4所示。触发型过电压保护间隙的下电极与氧化锌避雷器单元上电极相连，触发型过电压保护间隙上电极与被保护电力设备的上端相连，氧化锌避雷器单元下电极与被保护电力设备的下端相连；也可以是与上述电气连接互换的连接方式——即氧化锌避雷器单元下电极与触发型过电压保护间隙上电极相连，氧化锌避雷器单元上电极与被保护电力设备的上端相连，触发型过电压保护间隙下电极与被保护电力设备的下端相连。
25.图2是本发明具有防脉冲电弧污染结构的触发型过电压保护间隙的结构示意图：本发明包括上绝缘壳体1、下绝缘壳体2、上端法兰5和下端法兰6构成的气压为100～103或者104～5
×
105pa的密闭腔体，或真空度为10
‑1～10
‑5pa密闭腔体，在腔体内设置有通过上、下导流杆11、12安装在上、下端法兰5、6上的上电极3和下电极4，上电极3和下电极4之间构成主放电间隙，在上绝缘壳体1和下绝缘壳体2的结合处的下电极4周围安装有厚度为3
‑
5mm的环状触发电极7，环状触发电极7有一伸出的连接端子，用于连接雷电过电压或操作过电压通过主动耦合触发电路耦合过来的雷电能量，环状触发电极7与下电极4之间安装有起绝缘隔离作用的环宽为5
‑
15mm的聚四氟乙烯、半导体或陶瓷材料制成的环状表面放电绝缘介质材料8，环状触发电极7覆盖在环状表面放电绝缘介质材料8的上表面，环状触发电极7的下表面与环状表面放电绝缘介质材料8的上表面紧密接触，环状触发电极7的内径小于环状表面放电绝缘介质材料8的内径1.5mm，环状触发电极7、环状表面放电绝缘介质材料8和下电极4之间构成触发型过电压保护间隙的表面放电触发器即形成表面闪络放电界面10，下电极4的上表面低于环状表面放电绝缘介质材料8的上表面，表面闪络放电界面10与主电极4的上表面垂直，而与主电极之间的脉冲电弧路径平行，且环状触发电极覆盖在绝缘介质表面上，有效防止脉冲电弧产生的金属蒸汽沉积在绝缘介质表面，使得触发型过电压保护间隙具有高的电压保护水平，重要的是可以使触发型保护间隙的使用寿命大大提高。同时在上电极3、下电极4周围的上绝缘壳体1内安装有无氧铜制作的屏蔽罩9，可防止金属蒸汽扩散并沉积在绝缘密闭外壳1、2上，造成上电极3和下电极4短路。
26.图3是本发明具有防脉冲电弧污染结构的触发型过电压保护间隙的又一种结构：本发明的环状表面放电绝缘介质材料8下部为圆柱型，上部圆柱的内侧呈梯形，环状表面放电绝缘介质材料8和下电极4、环状触发电极7的下表面的接触点之间形成表面闪络放电界面10，表面闪络放电界面10与主电极4的上表面的锐角为300～700。
27.图4为本发明氧化锌避雷器单元的结构示意图：所述的氧化锌避雷器单元由多个氧化锌非线性电阻片16串联而成，通过绝缘填充胶17固定安装在绝缘套中，在串联的电阻片16上、下端均设置有通过避雷器上、下法兰13、19与串联的电阻片16电连接的避雷器上、下电极14、18，串联的电阻片外侧安装有绝缘伞裙外套15；
28.参见图5，本发明专利具有防脉冲电弧污染结构的触发型过电压保护间隙的耦合触发电路，包括：由耦合电容c1、耦合电容c2组成的过电压能量耦合单元，其中耦合电容c1的电容量远大于耦合电容c2的电容量，确保在雷电过电压作用下，大部分过电压作用在耦合电容c2上，使得隔离间隙导通，在脉冲变压器t的原边中由脉冲电流通过并在两端感应出脉冲电压，经脉冲变压器t(升压变压器)放大后给触发过电压保护间隙提供足够的触发电压，加速触发型过电压保护间隙的击穿导通速度，从而使得触发型过电压保护间隙具有比相同静态交流/直流击穿电压的被动型(无触发电极)两极放电间隙更优良的过电压保护水平，其冲击击穿电压与直流击穿电压的比值可以调控到接近1甚至小于1。
29.本发明不同于现有带外串间隙避雷器的最显著特点是：(1)采用具有防脉冲电弧污染结构的触发型过电压保护间隙，具有自动耦合过电压能量机构，且触发型过电压保护间隙采用环状绝缘介质材料表面放电的触发方式，因而具有在不降低现有间隙避雷器交流/直流耐受电压或者直流击穿电压的情况下，可以显著降低带触发型过电压保护间隙避雷器的脉冲击穿电压、缩短响应时间的显著特点。(2)本技术专利的表面闪络触发器的表面闪络放电界面或路径与下电极表面垂直(或成锐度)，而与主电极之间的脉冲电弧路径平行(或成锐角)，有效避免脉冲电弧产生的金属蒸汽在绝缘介质表面上的沉积，大大提高触发型保护间隙触发器和保护间隙的使用寿命。(3)真空环境的强电弧熄灭能力，可以显著提高触发型过电压保护间隙抑制后续工频或直流电流的能力。(4)由于外串触发型过电压保护间隙的隔离作用，可以降低外串间隙避雷器中氧化锌避雷器单元的交流/直流耐受电压和直流击穿电压，这就使得在标称雷电放电电流作用下，氧化锌避雷器的冲击残压大幅度降低，因而使得带外串触发型过电压保护间隙避雷器具有比现有间隙避雷器更优良的过电压保护水平，而且还具有优良的工作稳定性，不受外界环境(如湿度、海拔高度、风速)因素影响。总之，本发明的带外串触发型过电压保护间隙的智能组合防护组件具有高的交流/直流耐受或击穿电压、低冲击击穿电压、快速雷电响应时间等显著特点，同时本发明的触发型过电压保护间隙设计有防脉冲电弧污染结构，可以大幅度提高过电压保护间隙的使用寿命。本发明的具有防脉冲电弧污染结构的触发型过电压保护间隙的智能组合防护组件可以用于电力是配电及类似应用场合的雷电感应过电压防护。