一种利用磁场提升多腔室结构灭弧效率的方法与流程

1.本发明涉及过电压保护装置技术领域，特别涉及一种利用磁场提升多腔室结构灭弧效率的方法。


背景技术：

2.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。
3.现有配电线路的雷电防护措施存在明显不足，如采用安装传统并联间隙装置，虽具有安装方便、价格低廉，可保护绝缘子免于电弧灼烧等优点，但往往会一定幅度提高雷击跳闸率。而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，同时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。
4.已有学者提出，多腔室结构具有良好的灭弧性能，可以弥补传统并联间隙装置无法自发灭弧的缺点，降低雷击跳闸率，但目前腔室的灭弧能力有限，导致实际装置体积庞大难以安装使用。多腔室结构淬弧能力的体现是由于狭小半密闭的气动压力推动电弧等离子体运动实现淬弧，增强气动压力只能优化腔室结构，但对结构加工工艺和材料选择带来了巨大挑战。


技术实现要素：

5.为解决上述问题，本发明提供一种利用磁场提升多腔室结构灭弧效率的方法。本发明从加速电弧等离子的角度出发，选择通过在淬弧结构中合理设置磁场来实现加速，相比基础结构，结合了气动压力和洛伦兹力共同加速，能有效在电弧淬灭时间提升电弧等离子运动的平均速度，提升多腔室结构的灭弧效率，缩短淬弧时间。
6.本发明采用的技术方案为：
7.一种利用磁场提升多腔室结构灭弧效率的方法，所述利用磁场提升多腔室结构灭弧效率的方法通过在淬弧结构内设置磁场，在淬弧结构的电极之间产生电弧时，电弧等离子通过气动压力向淬弧结构的缩口方向移动，在移动过程中，通过磁场作用，使电弧等离子叠加一个沿缩口方向加速移动的洛伦兹力。
8.优选的，所述磁场的方向具体设置如下：若将淬弧结构内喷口朝向的中轴线和高低压球球电极连线分别定义为向量则磁场的方向与向量一致。
9.优选的，所述磁场为非恒定磁场，在磁场区域均匀分布，其大小随时间变化，呈现随时间先增大再减小的规律，具体选用函数b＝b
m
×
a[exp(
‑
bt)
‑
exp(
‑
ct)]对应的磁场，其中b
m
＝0.1～5t对应磁场的峰值大小，a、b、c取为常数，t为时间，单位取为μs。
[0010]
优选的，所述磁场区域涵盖淬弧结构的放电段，其中放电段涵盖放电电极及电极间电弧的气隙空间。
[0011]
优选的，所述灭弧效率是选取时间t1内电弧等离子的平均速度v
av
来表征的，通过公式vav＝s/t1能够得出电弧等离子的平均速度，其中t1的选取针对不同电流大小情况有t1＝100～800μs，s为0～t1时间段内求取指定函数积分即速度曲线包络线的面积。
[0012]
优选的，该利用磁场提升多腔室结构灭弧效率的方法能够用于制作多腔室结构的防雷装置。
[0013]
本发明的有益效果是：
[0014]
本发明的一种利用磁场提升多腔室结构灭弧效率的方法，在原有多腔室结构中，有效添加了时变磁场，在电弧等离子体运动时叠加了沿运动方向的洛伦兹力，加快了电弧等离子的平均速度，可提高原有结构的灭弧效率，缩短电弧熄灭时间。与添加电场加速或增强气动压力方法，磁场加速相比增强气动压力加速所带来的结构加工问题更易实现，相比电场加速，不用将较多成本花费在绝缘设置上。由于磁场的特殊设置，本发明的方法可在电弧发展初期较快提升电弧等离子速度，并在加速末期降低磁场大小，对应磁场加速转化率较高。
[0015]
因此，无论从工程设计、经济方便及线路安全的角度来看，采用本发明中的一种利用磁场提升多腔室结构灭弧效率的方法，可提高多腔室型防雷装置的灭弧性能，从而有效治理配网线路的雷击事故，降低线路故障，有着良好的应用前景。
附图说明
[0016]
图1是磁场方向示意图；
[0017]
图2是磁场作用范围示意图；
[0018]
图3是灭弧腔室单元结构图；
[0019]
图4是不同磁场条件下腔室内气流速度随时间的变化曲线。
具体实施方式
[0020]
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。
[0021]
实施例1
[0022]
如图1所示，是在单个淬弧腔室单元内的设置的时变磁场方向示意图，其中是淬弧结构内喷口朝向的中轴线，为高低压球球电极连线，磁场b的方向与向量一致，即与淬弧结构内喷口朝向的中轴线和高低压球球电极连线相垂直，且这样设置电弧等离子可在磁场中所受洛伦兹力为沿缩口方向。
[0023]
如图2所示，是在本实施例所设置的磁场区域示意图，所述的磁场范围1主要涵盖淬弧结构的放电段2，其中放电段2是指涵盖放电电极及电极间电弧的气隙空间3。本实施例中具体设置的磁场为：b＝5
×
2.453[exp(
‑
0.77t)
‑
exp(
‑
2.5t)]，对应峰值大小b
m
为5t。
[0024]
如图3所示，本实施例采用带有三级缩口结构的淬弧结构单元，外壁包覆着绝缘性能良好的材料如环氧树脂等，球形电极采用金属球形电极5，半径r为5mm，两球形电极的间
隙d1为2mm；放电段2的长度d2为6mm，开口直径d3为2mm，加速段4采用了三级缩口结构，每级缩口底部半径与直通段相同，缩口的开口直径d4为1mm，d5为3mm。
[0025]
仿真实验验证：
[0026]
利用comsol mutiphsics软件搭建淬弧结构单元的磁流体仿真模型，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，验证本发明提出的一种利用磁场提升多腔室结构灭弧效率的方法的有效性。
[0027]
本实施例所述的磁流体仿真模型是耦合电磁场、气流场、热场和环境磁场等多物理场的二维磁流体模型，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。
[0028]
本发明中是以电弧运动平均速度v
av
作为表征淬弧结构的灭弧效率，故在仿真计算中具体关注电弧速度这一参数。本实施例仿真中选取了1ka的冲击雷电流，在未加磁场、添加恒定磁场、时变磁场三种条件下研究电弧的运动特性。如图4所示，不同条件下所对应的电弧速度曲线，从速度曲线s2、s3不难看出，添加磁场后，电弧速度会有较明显提升，如未加磁场时速度曲线s1的速度峰值约211m/s，但添加磁场后速度曲线s2、s3的速度峰值分别为330m/s、313m/s，电弧速度峰值有明显提升。进一步添加磁场后的速度曲线s2、s3都在原曲线s1上方，不难看出电弧运动平均速度v
av
也有提升。
[0029]
为了分析电弧运动平均速度v
av
的提升效率，本实施例中选取的时间t1＝400μs，通过matlab软件对速度曲线进行拟合，再在0～t1时间段内求取指定函数积分即速度曲线包络线的面积s，最终v
av
＝s/t1。依据此求解方法，三种条件对应的电弧运动平均速度分别为v1＝25.9m/s，v2＝48.3m/s，v3＝46.9m/s。不难看出v3在v1的基础上提升了80％。进一步，对比v2、v3，两者相差不大，同时从曲线可以看出，在时间较大时，磁场对电弧运动的加速效果影响不大，可以说明在实际添加磁场时不需要恒定匀强磁场，同时恒定匀强磁场产生限制较大，故本发明中所设置的磁场的加速效果良好，能提升多腔室结构的灭弧效率。
[0030]
综上所述，本发明中的一种利用磁场提升多腔室结构灭弧效率的方法可以提升多腔室结构的灭弧效率，缩短灭弧时间。

技术特征：
1.一种利用磁场提升多腔室结构灭弧效率的方法，其特征在于：所述利用磁场提升多腔室结构灭弧效率的方法通过在淬弧结构内设置磁场，在淬弧结构的电极之间产生电弧时，电弧等离子通过气动压力向淬弧结构的缩口方向移动，在移动过程中，通过磁场作用，使电弧等离子叠加一个沿缩口方向加速移动的洛伦兹力。2.根据权利要求1所述的利用磁场提升多腔室结构灭弧效率的方法，其特征在于：所述磁场的方向具体设置如下：若将淬弧结构内喷口朝向的中轴线和高低压球球电极连线分别定义为向量则磁场的方向与向量一致。3.根据权利要求1所述的利用磁场提升多腔室结构灭弧效率的方法，其特征在于：所述磁场为非恒定磁场，在磁场区域均匀分布，其大小随时间变化，呈现随时间先增大再减小的规律，具体选用函数b＝b
m
×
a[exp(
‑
bt)
‑
exp(
‑
ct)]对应的磁场，其中b
m
＝0.1～5t对应磁场的峰值大小，a、b、c取为常数，t为时间，单位取为μs。4.根据权利要求1所述的利用磁场提升多腔室结构灭弧效率的方法，其特征在于：所述磁场区域涵盖淬弧结构的放电段，其中放电段涵盖放电电极及电极间电弧的气隙空间。5.根据权利要求1所述的利用磁场提升多腔室结构灭弧效率的方法，其特征在于：所述灭弧效率是选取时间t1内电弧等离子的平均速度v
av
来表征的，通过公式vav＝s/t1能够得出电弧等离子的平均速度，其中t1的选取针对不同电流大小情况有t1＝100～800μs，s为0～t1时间段内求取指定函数积分即速度曲线包络线的面积。6.根据权利要求1所述的利用磁场提升多腔室结构灭弧效率的方法，其特征在于：该利用磁场提升多腔室结构灭弧效率的方法能够用于制作多腔室结构的防雷装置。
技术总结
本发明涉及过电压保护装置技术领域，具体涉及的是一种利用磁场提升多腔室结构灭弧效率的方法，可提升多腔室灭弧结构的性能。本发明中所提出这种磁场提升多腔室结构灭弧效率的方法，可在多腔室结构被击穿产生电弧时进一步加速结构内电弧等离子体的运动，缩短电弧喷出及熄灭时间，提升灭弧效率。本发明是在原有腔室结构内基础上设置非恒定磁场，磁场的磁感应强度为0.1~5T，磁场方向与灭弧腔室单元内电极间中轴线、腔室喷口中轴线相垂直。通过磁场，可在气动压力加速的基础上，使电弧等离子体受到朝喷口方向的洛伦兹力，加速电弧等离子体运动，缩短电弧喷出及熄灭时间，从而达到提升多腔室结构灭弧效率。腔室结构灭弧效率。腔室结构灭弧效率。


技术研发人员：浦仕遵 李宏梅 彭庆军 刘平林
受保护的技术使用者：云南电网有限责任公司电力科学研究院
技术研发日：2021.02.24
技术公布日：2021/6/29