阅读说明：本技术 一种反冲熄灭电弧等离子体的方法及系统 (Method and system for back-flushing extinguishing arc plasma ) 是由 王嬿蕾 王巨丰 许浩 毛成程 孟伟航 于 2019-04-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种反冲熄灭电弧等离子体的方法及系统,其方法包括将外电弧引入反冲模块内部；入口电弧快速进入反冲模块,冲向接闪模块并发生弹性碰撞,使电弧方向发生180°转化,形成出口电弧,离开反冲模块；出口电弧受到反冲作用离开反冲模块,削弱反冲模块内的能量,同时阻碍入口电弧的进入,在反冲模块入口处形成电弧大尺度断口,破坏电弧连续性,加速电弧熄灭；反冲出来的出口电弧作用于反冲模块入口外电弧,形成空腔效应,加速外电弧的截断。本发明可以应用在防雷灭弧装置的前端,能够有效提升防雷灭弧装置和电力系统的安全能力,降低了电力系统的短路发生的概率。(The invention discloses a method and a system for backflushing to extinguish arc plasma, wherein the method comprises the steps of introducing an outer arc into a backflushing module; the inlet electric arc rapidly enters the backflushing module, rushes to the lightning receiving module and generates elastic collision, so that the direction of the electric arc is converted by 180 degrees to form outlet electric arc, and the outlet electric arc leaves the backflushing module; the outlet electric arc leaves the recoil module under the action of recoil, energy in the recoil module is weakened, meanwhile, the inlet electric arc is blocked, an electric arc large-scale fracture is formed at the inlet of the recoil module, the continuity of the electric arc is damaged, and the extinguishing of the electric arc is accelerated; the outlet electric arc after backflushing acts on the outer electric arc at the inlet of the backflushing module to form a cavity effect, so that the interception of the outer electric arc is accelerated. The invention can be applied to the front end of the lightning protection arc extinguishing device, can effectively improve the safety capability of the lightning protection arc extinguishing device and the power system, and reduces the probability of short circuit of the power system.)

一种反冲熄灭电弧等离子体的方法及系统

技术领域

本发明属于引弧灭弧技术领域，具体涉及了一种反冲熄灭电弧等离子体的方法及系统。

背景技术

物质存在的状态都是与一定数值的结合能相互对应的，通常把固态称为第一态，液态称为第二态，气态称为第三态。当粒子的平均动能大于电离能时，在轨道上运动的束缚态的电子就能脱离原子或分子而称为自由电子，从而形成了物质第四态——等离子体。

等离子体就是指电离的气态物质，其作为物质存在的一种独立形态，具有三个基本特性：（1）导电性。因为存在自由电子和带正、负电荷的离子，所以等离子体具有很强的导电性；（2）电准中性。虽然等离子体内部具有许多带电荷粒子，但是在足够小的空间和时间尺度上，粒子所带的正电荷数总是等于负电荷数，称为电准中性。（3）与磁场的可作用性。因为等离子体是由带电荷粒子组成的导电体，所以可以利用磁场来控制在它的位置、形状和运动等特性。

等离子体按温度可划分为高温等离子体（粒子温度106～108K）和低温等离子体（粒子温度从室温到3×10⁴K）。低温等离子体中按照重粒子的温度水平还可以划分为热等离子体（重粒子温度3×10³—3×10⁴K）和冷等离子体（重粒子温度只有室温左右，电子温度可达上万度）。热等离子体基本上达到热力学平衡，所以具有统一的热力学温度，其中电弧等离子即属于热等离子体。

由于电弧等离子体中粒子温度较高，接近于局部热力学平衡状态，此时电子、离子和中性粒子具有相同的特征温度，所以可以像普通气体那样用统一热力学温度来描述电弧等离子体状态。由此可应用麦克斯韦速度分布、玻尔兹曼粒子能态几率分布和沙哈方程等确定电弧等离子体的状态和参数。

近年来的研究表明，电弧现象本质上是电物理与热物理的综合过程，且在很多情况下，热物理过程起决定性作用。而研究电弧等离子体的热力学状态、流动状态和电弧的物理过程对熄灭电弧至关重要。

目前，架空输配电线路、变电站和发电厂等区域雷击事故频繁，由雷击造成的事故给电力系统安全、稳定和可靠带来了极大的挑战，给国家经济发展和人民生活水平带来巨大的影响。电力设备中包含了断路器灭弧和防雷器灭弧等，断路器灭弧中常用的SF6气体用作灭弧气体，防雷器灭弧包括了固体灭弧和气体灭弧。申请人和相关发明人对此进行了大量研究，并已经获得了一系列的研究成果。如专利申请号为CN201210371579.3、CN201310276758.3、CN 201510069010.5、CN 201510069615.4、CN 201710735970、X等专利技术。然而，申请人和相关发明人在持续研究过程以及产品在实际应用中，仍然不断发现新的问题、新的研究方向。

固体灭弧主要是利用非线性电阻进行灭弧，其存在以下缺陷：（1）存在残压与灭弧电压之间的矛盾：非线性电阻最小值越小残压越低，有利于限制保护设备两端的过电压幅值，但灭弧能力弱。残压高，虽然灭弧能力增强，但是防雷器动作后施加在保护设备两端的过电压幅值也随之增大，对绝缘提出了高的要求，使得固体灭弧防雷器在灭弧效益和防雷效益不可同时兼得；（2）存在发热与散热之间的矛盾：非线性电阻工作过程是当雷电过电压超过动作值时，电阻阻值由原来的高阻状态变化为低阻状态，根据欧姆定律I=U/R，巨大的雷电流将流过非线性电阻，产生巨大焦耳热量。再加上其防潮密封环境，严重影响散热通道，导致热击穿是大概率事件，一旦热击穿非线性电阻电阻将变成永久性短路；（3）存在动作间隔远小于散热时间的矛盾：一般非线性电阻散热间隔时间在50秒到60秒之间，严重情况会使得因不能及时散热导致该防雷器击穿，造成短路事件。

气体灭弧主要是利用气体作用于电弧并使其熄灭，也称为吹弧。气体灭弧中包含了外能式气体灭弧和内能式气体灭弧。其中内能式气体灭弧是利用雷电或工频的自身能量作用于电弧，主要分为热膨胀灭弧和压缩灭弧两种，热膨胀灭弧主要是在防雷器中设计多个金属电极，两两电极之间为空气小间隙，当电弧击穿空气小间隙之后，利用工频续流能量烘烤加热空气小间隙中的气体，使其产生热膨胀并作用于电弧实现横吹，在工频续流过零点时熄灭电弧。压缩灭弧是在防雷器中设置多个压缩管道，压缩管道中设置一个金属电极，当冲击电弧进入压缩管道后，使电弧被大尺度压缩，利用内外压力差和温度差在喷口出形成电弧压爆效应，同时产生喷射气流作用于电弧断口处，实现纵吹。而两两压缩管道之间又增加了三通管道，三通管两端设置金属电极，来冲击电弧进入三通管道后，产生横向喷射气体作用于电弧，实现横吹。纵吹与横吹相互结合，再加上压缩管道和三通管道间的空间结构设计，使电弧形成多断点压爆，并喷射，从而在冲击电弧阶段或工频续流早期熄灭电弧。

灭弧防雷器中由于电弧运动轨迹均是按照同一个方向进行，所以电弧的整体能量均沿着运动轨迹流过气体灭弧防雷器，此时就存在着通流能力有限的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的不足，提出了一种反冲熄灭电弧等离子体的方法及系统。本发明提出了一种新的灭弧理念，形成有效的灭弧方法及系统，本发明可以应用在固相灭弧装置或者气体灭弧装置的动作前端，有效弥补了它们的不足之处。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种反冲熄灭电弧等离子体的方法，包括以下步骤：

步骤一，在反冲模块的其中一个端口安装接闪模块进行密封，使反冲模块构成半封闭管件；

步骤二，发生电弧闪络时，外电弧在接闪模块的库仑力作用下被引入反冲模块内部；

步骤三，进入到反冲模块内部的电弧称为入口电弧（电弧方向为正方向），入口电弧的弧柱直径因为受到反冲模块中管壁限制，受到反冲模块的狭管灌注作用；受到狭管灌注的入口电弧由于弧柱直径变小，导致整个电弧导电横截面积变小、电弧密度增大、电弧中心温度升高、速度增大，反冲模块内压强急剧上升；入口电弧快速进入反冲模块，使得电弧受到狭管灌注作用，径向变细且产生轴向力更大的弹力，冲向接闪模块并发生弹性碰撞，使电弧方向发生180°转化，形成出口电弧（电弧方向为负方向），出口路径是从反冲模块内部的灌注细管的入口冲出，并离开反冲模块；

步骤四，在反冲模块中，运动方向相反的入口电弧和出口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；最终，外电弧和反冲模块内的电弧形成内外压强差、温度差、密度差、速度差，使内电弧受到反冲作用冲出反冲模块，削弱反冲模块内的能量，同时阻碍入口电弧的进入，在反冲模块入口处形成电弧大尺度断口，破坏电弧连续性，加速电弧熄灭；反冲出来的出口电弧作用于反冲模块入口外电弧，形成空腔效应，加速外电弧的截断。

在本发明的反冲熄灭电弧等离子体的方法中，所述的反冲模块为内部中空、一端开口、另一端封闭的半封闭管件，并且反冲模块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。所述的反冲模块的入口处还设有引弧模块。设置引弧模块，可以保证远距离的外电弧也会被引入反冲模块内部。

在本发明的反冲熄灭电弧等离子体的方法中，所述的反冲模块的内径取值范围为2.5～10mm。在具体实施中，反冲模块的内径取值主要是根据反冲系统应用方面不同，应用在输电线路的反冲模块内径取值范围比建筑防雷的反冲模块内径取值范围小，且应用反冲模块的输电线路电压等级越高，反冲模块内径越大。

在本发明的反冲熄灭电弧等离子体的方法中，所述的接闪模块和引弧模块均分别由导电材料制成。

本发明还提供了一种反冲熄灭电弧等离子体的系统，主要由接闪模块、反冲模块和引弧模块组成；所述的引弧模块安装在反冲模块的一端开口处，所述的接闪模块密封安装在反冲模块的另一端口，使反冲模块成为内部中空、一端开口、另一端封闭的半封闭管件。

作为本系统的进一步限定说明，所述的引弧模块为导电金属环，并且导电金属环的外侧壁紧贴于反冲模块的内壁。

作为本系统的进一步限定说明，引弧模块一般以导电材料构成，使电弧等离子体顺利进入反冲模块，处于反冲系统与外部空气的连接处；反冲模块一般以高强度耐高温耐高压的非导电材料构成，使电弧受到狭管灌注作用，是入口电弧和出口电弧交汇的区域，是实现反冲过程的核心模块；接闪模块一般以导电材料构成，与引弧模块不同的是，接闪模块使整个反冲系统形成半封闭空间，是电弧弹性碰撞的区域。

本发明的技术原理：

本发明中的反冲模块之前都有一个狭管灌注通道，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 ，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。

本专利的原理与现有技术“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，入口电弧和出口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。

本发明的优点：

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.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.维护成本低、效率高。

附图说明

图1是本发明一实施例中反冲熄灭电弧等离子体的方法的工作流程示意图。

图2是本发明一实施例中反冲熄灭电弧等离子体的系统的结构示意图。

图3是本发明一实施例中电弧进入反冲系统的工作示意图。

附图标记：1-引弧模块，2-反冲模块，3-接闪模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

实施例：

如图1所示，一种反冲熄灭电弧等离子体的方法，包括以下步骤：

步骤一，在反冲模块入口处安装引弧模块，反冲模块的另一端口安装接闪模块进行密封；

步骤二，发生电弧闪络时，通过引弧模块将外电弧引入反冲模块内部；

步骤三，进入到反冲模块内部的电弧称为入口电弧，入口电弧的弧柱直径因为受到反冲模块中管壁限制，受到反冲模块的狭管灌注作用；受到狭管灌注的入口电弧由于弧柱直径变小，导致整个电弧导电横截面积变小、电弧密度增大、电弧中心温度升高、速度增大，反冲模块内压强急剧上升；入口电弧快速进入反冲模块，使得电弧受到受到狭管灌注作用，径向变细且产生轴向力更大的弹力，冲向接闪模块并发生弹性碰撞，使电弧方向发生180°转化，形成出口电弧，出口路径是从反冲模块内部的灌注细管的入口冲出，并离开反冲模块；

步骤四，在反冲模块中，运动方向相反的入口电弧和出口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；最终，外电弧和反冲模块内的电弧形成内外压强差、温度差、密度差、速度差，使内电弧受到反冲作用冲出反冲模块，削弱反冲模块内的能量，同时阻碍入口电弧的进入，在反冲模块入口处形成电弧大尺度断口，破坏电弧连续性，加速电弧熄灭；反冲出来的出口电弧作用于反冲模块入口外电弧，形成空腔效应，加速外电弧的截断。

在本方法还提供了一种反冲熄灭电弧等离子体的系统，如图2所示，主要由引弧模块1、反冲模块2和接闪模块3组成；所述的引弧模块1安装在反冲模块2的一端开口处，所述的接闪模块3密封安装在反冲模块2的另一端口，使反冲模块2成为内部中空、一端开口、另一端封闭的半封闭管件。

本实施例中反冲模块2的内径取值主要是根据反冲系统应用方面不同，应用在输电线路的反冲模块内径取值范围比建筑防雷的反冲模块内径取值范围小，且应用反冲模块的输电线路电压等级越高，反冲模块内径越大，可以优选为2.5～10mm。

电弧进入反冲系统实现熄灭电弧的过程原理分析：

如图3所示，虚线表示为出口电弧，实线表示为入口电弧，虚线框内为内电弧，框外为外电弧。 其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。外电弧进入反冲模块后，形成的入口电弧速度v₁，压强为p₁，密度为ρ₁，温度为T₁。经过引弧模块后出口电弧速度v₂，压强为p₂，密度为ρ₂，温度为T₂。外电弧通过入口进入反冲模块形成了内电弧，内电弧受到反冲模块壁的限制，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模块实现弹性碰撞瞬间，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，入口电弧经过接闪模块碰撞后，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模块。出口电弧以冲出反冲模块后，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。

考虑到反冲系统中原有存在着空气，当电弧进入反冲系统后，形成的一系列效应和机制，使得反冲系统中的空气被压缩，造成反冲系统内气压升高，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。反冲系统中原有的空气，受到反冲系统中温升效应和压升效应的影响，产生的喷射气流从反冲系统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。