一种采用磁增强灭弧效应的多腔室并联间隙装置

摘要

本发明公开一种采用磁增强灭弧效应的多腔室并联间隙装置，利用磁增强效应灭弧，通过加快电弧等离子运动，从而达到提升灭弧能力的效果。该采用磁增强灭弧效应的多腔室并联间隙装置并联于绝缘子串的一侧，由灭弧臂和导弧臂构成，上导弧臂和下导弧臂分别设于绝缘子串的顶部和底部；灭弧臂设于上导弧臂和下导弧臂之间，灭弧臂为竖直圆柱体结构，其内部设有灭弧腔室，灭弧腔室内设有串联的若干个淬弧结构单元和若干个磁场加速模块。该装置综合了磁场加速和气动加速作用，遮断雷电流和工频续流的能力更优，整体体积更小，可快速将雷电流泄放入地，并在极短时间内淬灭电弧，大幅度降低雷击跳闸率，提高线路运行可靠性和安全性。

说明书

技术领域

本发明涉及过电压保护装置技术领域，特别涉及一种采用磁增强灭弧效应的多腔室并联间隙装置。

背景技术

随着社会经济的发展，人们对电的需求量越来越大，对各种电压等级电网运行的技术经济指标的要求日益提高。配电网是电力系统的重要组成成分，它直接面向广大电力用户，负责分配电能的网络，将电能输送进千家万户，与人民的生产活动和生活息息相关。一旦配网发生雷击故障时，会严重威胁着配电网的安全稳定性和供电可靠性，给居民生活及工农业生产带来了不良影响。因此，如何对配网进行有效的雷电防护十分重要。

现有配电线路的雷电防护措施提高线路的绝缘水平较为局限，配电线路遭受雷击后，大概率会造成雷击跳闸导致停电事故的发生，而且雷击配电线路还会造成绝缘子灼伤、炸裂、掉串以及线路避雷器击穿等严重后果，一部分线路还会因雷击断线，因此进配网雷击故障极为严重，亟需一种更加有效的防雷保护措施。

已有学者提出，多级灭弧腔室串联结构具有优异的灭弧性能，将该结构运用在配电线路上可以有效解决目前配网雷击跳闸和电弧灼伤绝缘子串、避雷器等问题。但目前已有的该类设备其灭弧腔室结构简单，遮断冲击电流和工频续流的能力有限，导致腔室单元过多、装置庞大，难以安装；而且在不同线路安装运用时还存在匹配问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种采用磁增强灭弧效应的多腔室并联间隙装置，利用永磁铁增设磁场加速模块实现磁增强效应灭弧，该装置的淬灭电弧能力更强，遮断雷电流和工频续流能力更优，能够有效的治理雷击事故。

本发明采用的技术方案为：

一种采用磁增强灭弧效应的多腔室并联间隙装置，该采用磁增强灭弧效应的多腔室并联间隙装置并联于绝缘子串的一侧，由灭弧臂和导弧臂构成，上导弧臂和下导弧臂分别设于绝缘子串的顶部和底部，且一端通过连接金具与绝缘子串固定连接；灭弧臂设于上导弧臂和下导弧臂之间，且通过螺栓与下导弧臂的另一端固定连接，灭弧臂的顶部与上导弧臂的另一端端头处留有击穿电弧移动间隙；灭弧臂为竖直圆柱体结构，其内部设有灭弧腔室，灭弧腔室内设有串联的若干个淬弧结构单元和若干个磁场加速模块。

优选的，灭弧腔室内的若干淬弧结构单元串联，每个淬弧结构单元由同轴两个金属球电极构成，金属球电极之间形成有缩口结构腔室，缩口结构腔室分为直通段和三级缩放段，缩口结构为两个金属球电极之间形成的间隙腔室，间隙腔室的一端与导弧臂外壳连通，并从间隙到导弧臂外壳的方向逐渐缩小形成三个锥体形缩口通道。

优选的，金属球电极的半径为4～6mm，间距为0.5～2.5mm，其中缩口结构腔室的直通段的长度为3～8mm，三个锥体形缩口通道结构相同，单个锥体形缩口通道的两端开口直径为别为2～4mm和0.5～1mm，锥体形缩口通道的长度 1～3mm。

优选的，磁场加速模块设于两个金属球电极之间的缩口结构腔室的两侧，由相互平行的永磁铁构成，永磁铁产生的磁场方向与电极间中轴线、腔室喷口方向垂直，且永磁铁的S极位于缩口结构的X轴负半轴，永磁铁的N极位于缩口结构的X轴正半轴。

优选的，导弧臂设置为半径是15mm的竖直圆柱结构，其灭弧腔室内容纳 40个串联的淬弧结构单元；永磁铁设于两个球电极之间的缩口结构腔室的两侧，并嵌入灭弧腔室内壁；永磁铁为条形，其具体尺寸长为4mm，宽为8mm，厚度为4～11mm，条形永磁铁相互平行,平行间距6mm，其磁场强度为0.288-0.373T。

优选的，所述永磁铁采用条形，其具体尺寸长为4mm，宽为8mm，厚度为 4mm，条形永磁铁相互平行,平行间距6mm。

优选的，所述永磁铁采用球形，球形永磁铁具体尺寸为半径3.13mm，球形永磁铁间距6mm。

优选的，所述永磁铁采用圆柱体，其具体尺寸为半径2mm，高度为10.2mm，圆柱体永磁铁相互平行,平行间距6mm。

优选的，该采用磁增强灭弧效应的多腔室并联间隙装置利用磁场加速模块产生磁场，加速电弧运动，在气动压力的基础上叠加一个洛伦兹力。

本发明的有益效果是：

本发明利用磁增强效应灭弧，通过加快电弧等离子运动，从而达到提升灭弧能力的效果。该采用磁增强灭弧效应的多腔室并联间隙装置通过磁场加速模块，加快电弧等离子体的运动，提高了淬灭电弧能力，缩短了灭弧时间，能够有效改善绝缘子和避雷器灼伤问题。同时，磁场加速模块采用稀土材料的永磁铁产生磁场，相比电磁铁和线圈产磁的结构设置和绝缘问题，更加简便经济。

该采用磁增强灭弧效应的多腔室并联间隙装置综合了磁场加速和气动加速作用，遮断雷电流和工频续流的能力更优，整体体积更小，可快速将雷电流泄放入地，并在极短时间内淬灭电弧，大幅度降低雷击跳闸率，提高线路运行可靠性和安全性。

因此，无论从工程设计、经济方便及线路安全的角度来看，通过该采用磁增强灭弧效应的多腔室并联间隙装置可以有效治理配网线路的雷击事故，降低线路故障，从而带来良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明灭弧臂的结构示意图；

图3为本发明淬弧结构单元的结构示意图；

图4为本发明实施例1的磁场加速模块示意图；

图5为本发明实施例2的磁场加速模块示意图；

图6为本发明实施例3的磁场加速模块示意图；

图7为不同永磁铁设置下所产生磁场；

图8为多种结构腔室内气流速度随时间变化曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

专利申请号为CN110311297A的发明专利申请纰漏了一种紧凑式防雷灭弧腔室单元结构及其制备方法，该结构通过灭弧腔室单元结构被击穿时，电弧的高温使灭弧腔室狭小空间内的气体加热膨胀形成高速气流迫使电弧熄灭。但该结构只考虑了气动压力对电弧的加速作用，结构的灭弧能力有限。

如图1-2所示，本发明提供一种采用磁增强灭弧效应的多腔室并联间隙装置，为了提升灭弧能力，本发明利用磁场加速模块产生磁场，进一步加速电弧运动，即在气动压力的基础上叠加一个洛伦兹力。该采用磁增强灭弧效应的多腔室并联间隙装置并联于绝缘子串1的一侧，由灭弧臂2和导弧臂构成，导弧臂分为上导弧臂3和下导弧臂4，上导弧臂3和下导弧臂4分别设于绝缘子串1 的顶部和底部，且一端通过连接金具与绝缘子串固定连接，上、下导弧臂3和4 由折形钢制件热镀锌圆棒制成，其长度为300～600mm。灭弧臂2设于上导弧臂 3和下导弧臂4之间，且通过螺栓与下导弧臂4的另一端固定连接，灭弧臂2的顶部与上导弧臂3的另一端端头处留有击穿电弧移动间隙。灭弧臂2为竖直圆柱体结构，其内部设有灭弧腔室，灭弧腔室内设有串联的若干个淬弧结构单元5 和若干个磁场加速模块6。

灭弧腔室内的具体结构：

灭弧腔室内的若干淬弧结构单元5串联，如图3所示，每个淬弧结构单元5 由同轴两个金属球电极7构成，金属球电极7的半径R＝4～6mm，金属球电极7 的距离d1＝0.5～2.5mm，金属球电极7之间形成有缩口结构腔室。缩口结构腔室分为直通段8和三级缩放段9，缩口结构腔室为两个金属球电极7之间形成的间隙腔室，间隙腔室的一端与导弧臂外壳连通，并从间隙到导弧臂外壳的方向逐渐缩小形成三个锥体形缩口通道。缩口结构腔室的具体尺寸为：直通段8的长度d2＝3～8mm；三级缩放段9为结构相同的三个锥体形缩口通道，单个锥体形缩口通道的两端开口直径为别为d3＝2～4mm、d4＝0.5～1mm，锥体形缩放通道的长度d5＝1～3mm。

针对磁场加速模块方式的选择：

现有的磁场产生方式即利用永磁铁、电磁铁磁场装置、线圈磁场装置等装置产生磁场。由于导弧臂的灭弧腔室结构微小，灭弧腔室内串联的若干个淬弧结构单元5更为微小，电磁铁和线圈都难以在该结构中设置，且电磁铁和线圈这两种方式均需要利用通入电流产生磁场，在实际运用中电源设置及绝缘问题难以解决。

该采用磁增强灭弧效应的多腔室并联间隙装置的磁场加速模块6设于两个金属球电极7之间的缩口结构腔室的两侧，由相互平行的永磁铁构成，永磁铁产生的磁场方向与电极间中轴线、缩口结构腔室方向垂直，且永磁铁的S极位于缩口结构的X轴负半轴，永磁铁的N极位于缩口结构的X轴正半轴。通过永磁铁在两个金属球电极7之间的放电段产生一个磁场，使装置灭弧臂在击穿时，电弧等离子受到气动压力和磁吹力共同作用，从而加快电弧的熄灭。

针对永磁铁的选择：

永磁铁即永久性磁铁，可以是天然磁石，也可以由人工制造。具有宽磁滞回线、高矫顽力、高剩磁，一经磁化即能保持恒定磁性。永磁铁分为合金永磁铁和铁氧体永磁铁，其中合金永磁铁又包括稀土永磁材料、钐钴材料、铝镍钴材料制成的永磁铁。材料需满足相对磁导率μr≤1.05，剩磁Br≥1T，最大磁能积大于30MGOe，最高工作温度大于150℃。因此选择稀土永磁材料制作的永磁铁。

该采用磁增强灭弧效应的多腔室并联间隙装置针对磁场加速模块的设置方式给出以下实施例。

实施例1：

如图4所示，将灭弧臂2设置为半径是15mm的竖直圆柱结构，其灭弧腔室内能够容纳40个串联的淬弧结构单元5；并将永磁铁设于两个金属球电极7 之间的缩口结构腔室的两侧，并嵌入灭弧腔室内壁。永磁铁采用条形，其具体尺寸长为a＝4mm，宽为b＝8mm，厚度为h＝4mm，条形永磁铁10相互平行,平行间距D＝6mm，条形永磁铁10产生的磁场方向与电极间中轴线、缩口结构腔室方向垂直，且条形永磁铁10的S极位于缩口结构腔室的X轴负半轴，条形永磁铁10的N极位于缩口结构腔室的X轴正半轴。

根据磁介质的分子电流观点，基于毕奥-萨伐尔定律，当两个金属球电极7 之间产生电弧，电弧距离条形永磁铁10的N极的距离为d时，可根据以下公式求得磁场强度B。

若采用剩磁B

实施例2：

如图5所示，将永磁铁设于两个金属球电极7之间的缩口结构腔室的两侧，并嵌入灭弧腔室内壁。永磁铁采用球形，为了使得实施例2与实施例1具有可比较性，球形永磁铁11采用与实施例1中的条形永磁铁10同等体积，球形永磁铁11具体尺寸为半径R＝3.13mm，球形永磁铁11间距D＝6mm，球形永磁铁 11产生的磁场方向与电极间中轴线、缩口结构腔室方向垂直，且球形永磁铁11 的S极位于缩口结构腔室的X轴负半轴，球形永磁铁11的N极位于缩口结构腔室的X轴正半轴。

根据磁介质的分子电流观点，基于毕奥-萨伐尔定律，当两个金属球电极7 之间产生电弧，电弧距离球形永磁铁11的N极的距离为d时，可根据以下公式求得磁场强度B。

式中Br为球形永磁铁的剩磁；R为球形永磁铁的半径；D为球形永磁铁S 极和N极的间距。

若采用剩磁Br＝1.4T的钕铁硼制成的球形永磁铁11在电弧中心产生的磁场强度B＝0.248T，按此设置对应产生的磁场曲线如图7曲线B。

实施例3：

如图6所示，将永磁铁设于两个金属球电极7之间的缩口结构腔室的两侧，并嵌入灭弧腔室内壁。永磁铁采用圆柱体，为了使得实施例3与实施例1和实施例2具有可比较性，圆柱体永磁铁12采用与实施例1中的条形永磁铁10同等体积，其具体尺寸为半径R＝2mm，高度为h＝10.2mm，圆柱体永磁铁12相互平行,平行间距D＝6mm，圆柱体永磁铁12产生的磁场方向与电极间中轴线、缩口结构腔室方向垂直，且圆柱体永磁铁12的S极位于缩口结构腔室的X轴负半轴，圆柱体永磁铁12的N极位于缩口结构腔室的X轴正半轴。

根据磁介质的分子电流观点，基于毕奥-萨伐尔定律，当两个金属球电极7 之间产生电弧，电弧距离圆柱体永磁铁12的N极的距离为d时，可根据以下公式求得磁场强度B。

若采用剩磁Br＝1.4T的钕铁硼制成的圆柱体永磁铁12在电弧中心产生的磁场强度B＝0.219T，按此设置对应产生的磁场曲线如图7曲线C。

比较图7中三条曲线中，曲线A对应的磁场强度较大，说明实施例1、实施例2和实施例3，同等体积的前提下采用条形永磁铁10对应产生的磁场最大，同时条形永磁铁10对应的宽度为8mm，所产生的磁场的覆盖最大，综合而言，本发明中磁场加速模块选用条形永磁铁10的效果最优。需要说明的是，在灭弧臂2采用半径为15mm的竖直圆柱结构的前提下，条形永磁铁10的厚度可设计为4-11mm范围，其磁场强度为0.288-0.373T范围；磁场强度越大时，灭弧效果越好。

基于磁流体理论，利用COMSOL Mutiphsics软件搭建单个淬弧结构单元5 的磁流体仿真模型，研究淬弧结构腔室内电弧的运动特性，从而分析淬弧结构的熄弧能力，对比不同条件下淬弧结构单元5的性能验证本发明的装置的有效性。

本实施例所述的磁流体仿真模型是耦合电磁场、气流场、热场和永磁铁所产生磁场等多物理场的磁流体模型，具体是基于流体力学的Navier–Stokes方程的三个守恒定律和麦克斯韦方程，以温度T为各个物理场的基本量实现各场的相互耦合，并提出合理的假设，如局部热力学平衡、电弧等离子体为牛顿流体等条件，在软件中选择静电场、流体等模块选择合理的参数和边界条件建立仿真模型，模型中能表征淬弧结构单元5的电弧运动特性的参数有电极两端电势、电弧温度、电弧电导率、气动压力。

通过仿真计算不同条件下的无缩口结构、单极缩口结构、三极缩口结构、实施例1、实施例2和实施例3，可得到如图8所示多种结构腔室内气流速度的变化曲线。对比图中的6条曲线，曲线4对应的气流速度峰值最大，相比其他条件下特别是无缩口结构，气流速度有明显的提升，说明本发明采用的磁场加速模块6能提升腔室的灭弧性能，且当采用条形永磁铁10时效果最优。

为了进一步验证该采用磁增强灭弧效应的多腔室并联间隙装置够加速淬灭电弧，本发明进行了如下试验：

一，利用重庆大学高压试验室现有试验设备搭建多腔室并联间隙装置的冲击电弧测试平台；具体地，试验平台主要由冲击电流发生器、绝缘子、多腔室并联间隙装置、分压器、罗氏线圈、示波器、高速摄像机、处理器等组成。其中，冲击电流发生器可产生幅值为8～200kA可调、波前时间为1.2～20μs可变、波尾时间为20～1000μs可变的双指数电流波，实际试验时调节调波电感和调波电阻来得到指定冲击电流波形。分压器、罗氏线圈、示波器组成试品电压电流波形采集模块，高速摄像机和处理器组成试品冲击电弧的运动特性观测模块，通过结合电压电流波形和电弧运动图像即可得到电弧熄灭的大致时刻和电弧运动速度。

二，利用高速摄像机拍摄冲击电弧的运动和熄灭过程。

基于所建立的试验平台，分别对不同的试品开展了淬灭冲击电弧试验：试品1中灭弧腔室采用无缩口通道，试品2灭弧腔室采用直通段和单个锥体形缩口通道，试品3灭弧腔室采用直通段8和三级缩放段9通道，试品4灭弧腔室采用直通段8和三级缩放段9通道并增加条形永磁铁10，试品5灭弧腔室采用直通段8和三级缩放段9通道并增加球形永磁铁11，试品6灭弧腔室采用直通段8和三级缩放段9通道并增加圆柱体永磁铁12，根据不同试品进行试验，分析示波器的电压电流波形及高速摄像机所拍摄图像可得到不同试品淬灭电弧时运动和熄灭时间。实验结果表明：试品1-6对应的电弧吹出熄灭时间分别为 422.4μs、184.8μs、132μs、72.6μs、85.8μs、82.4μs，不难看出相比未添加磁场模块时，本发明设置的在灭弧腔室内采用直通段8和三级缩放段9并增加永磁铁将电弧吹出熄灭时间有明显缩短，且采用条形永磁铁10时电弧吹出熄灭时间最短，这与仿真所得结果相吻合。综合上述，本发明所提供的一种采用磁增强灭弧效应的多腔室并联间隙装置相比已有装置，灭弧性能更优，且当装置中磁场模块采用条形永磁铁10时效果最优。