一种气体增压方法及其应用

摘要

本发明公开了一种气体增压方法及其应用，属于输电线路防雷保护装置领域，所述方法包括如下过程：在产气材料外侧设置包裹层，包裹层上开设有喷气孔，产气材料上设置有触发信号输入端子。高强度包裹层包裹整个产气材料，设计留有唯一未包裹小孔，且小孔面积大小可控，高强度包裹层与喷气孔的设置增大了临界气压；径向套件对气流进行径向约束，包裹层对气流进行轴向约束，包裹层内临界气压进一步增大，气压升高使产气材料燃速加快，燃烧完全度提高，最终产生超强、超快的气体压力脉冲。并且喷气的方向可控，同时喷气灭弧的时间更长，灭弧的反应时间更快，达到灭弧的效果更好。

权利要求

1.一种气体增压方法，其特征在于，所述增压方法包括如下过程：在产气材料外侧设置包裹层，包裹层上开设有喷气孔，产气材料上设置有触发信号输入端子，触发信号输入端子输入触发信号，产气材料燃烧，硬质材料包裹层包裹整个产气材料，包裹强度大于产气材料的最大气压，包裹层对产气材料产生的气体进行轴向约束和径向约束，喷气孔设计为唯一未包裹小孔，且小孔面积大小可控，喷气孔处的弯矩提高，临界弯矩小于产气材料的最大气压，气体从喷气孔喷出，硬质材料包裹与喷气孔的组合结构进行轴向和径向约束增大包裹层内临界气压，包裹层内产气材料燃速度加快，从喷气孔产生气体压力脉冲进行灭电弧；

所述产气材料设置为气丸结构，气丸结构包括底座和气丸，触发信号输入端子设置在底座上且与气丸接触设置，气丸外侧套有径向套件，径向套件对气丸内产生的气流进行径向约束，包裹层对气丸内产生的气流进行轴向约束；

所述气丸包括材料束缚层、火药和固氧或者液氧，所述火药和固氧或者液氧混合密封放置在材料束缚层内，材料束缚层破裂压力值远小于包裹层内压力增量值；

所述触发信号输入端子与喷气孔分别设置在气丸结构的对立端；

所述材料束缚层、径向套件和包裹层为同类金属材料制成，所述径向套件和包裹层厚度与火药的量成正比，硬质材料包裹层的强度大于产气材料的最大气压；

所述喷气孔边缘处设置有密封垫圈，所述密封垫圈设置在气丸与包裹层接触处；

所述喷气孔的大小为5‑8mm，产气材料产生的气体从喷气孔喷出，喷气孔孔径变小，处弯矩提高，喷气孔临界弯矩小于最大气压，气体喷出；

所述包裹层设置为框体或者柱体结构，所述框体或者柱体结构设置为一体成型或者组合结构，所述包裹层为铝或者铜；

所述底座上的触发信号输入端子通过设置若干根发热电阻丝与气丸内部的火药接触设置，若干根发热电阻丝并联设置，且与触发信号输入端子连接；

触发信号输入端子输入电流信号，电阻丝发热，气丸内的火药燃烧产生高压气体，包裹层和径向套件对高压气体轴向和径向约束，包裹层内临界气压增大，气压升高使得硬质包裹层使产气材料燃速加快，燃烧完全度提高，燃烧速度加快，压力升高加快，压力波上升沿更陡峭，燃烧完全度提高，压力值与气体强度均提高，压力峰值更大，最终产生的气体压力脉冲。

2.根据权利要求1所述的一种气体增压方法的应用，其特征在于：所述气体增压方法用于输电线路防雷保护装置中进行喷灭电弧。

说明书

一种气体增压方法及其应用

技术领域

[0001] 本发明涉及输电线路防雷保护装置领域，尤其涉及一种气体增压方法及其应用。

背景技术

[0002] 输电线路防雷一直都是电力部门防雷工作的重要内容，雷电故障仍然是影响电网安全的重要因素之一。输电线路发生雷击，导致线路绝缘子闪络，随之而起的工频续流损坏
绝缘子串及金具，导致绝缘子串烧毁及烧断导线事故。

[0003] 现有的输电线路防雷装置主要使用输电线路防雷保护间隙装置，但是现有的防雷保护间隙装置使用的防雷关键是使用气体发生器进行灭弧处理。但是现有的气体发生装置
的灭弧效果不好，气体发生装置喷射的气体方向不可控，同时喷射气体压强不够高，喷射的
时间短，气体生成材料不能完全燃烧，从而导致不能完全的把电弧喷灭。

[0004] 经过多年研究，经过在持续研究过程以及产品在实际应用中，发现对于一些特殊场合和更高的电压等级，需要更大的灭弧气体压力，因此提出了一种气体增压方法。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种气体增压方法及其应用，以解决现有气体发生装置灭弧效果不好的技术问题。

[0006] 一种气体增压方法，所述增压方法包括如下过程：

[0007] 在产气材料外侧设置包裹层，包裹层上开设有喷气孔，产气材料上设置有触发信号输入端子，触发信号输入端子输入触发信号，产气材料燃烧。高强度材料包裹整个产气材
料，包裹强度大于最大气压，包裹层对产气材料产生的气体进行轴向约束和径向约束；设计
留有唯一未包裹小孔，且小孔面积大小可控，喷气孔处的弯矩提高，临界弯矩小于最大气
压，气体从喷气孔释放。设置高强度包裹与喷气孔使得包裹层内临界气压增大，气压升高使
得硬质包裹层内产气材料燃速加快，燃烧完全度提高，最终产生超快、超强的气体压力脉
冲。

[0008] 所述产气材料设置为气丸结构，气丸结构包括底座和气丸，触发信号输入端子设置在底座上且与气丸接触设置，气丸外侧套有径向套件，径向套件对气丸内产生的气流进
行径向约束，包裹层对气丸内产生的气流进行轴向约束。

[0009] 所述气丸包括材料束缚层、火药和固氧或者液氧，所述火药和固氧或者液氧混合密封放置在材料束缚层内，材料束缚层破裂压力值远小于包裹层内压力增量值。

[0010] 所述触发信号输入端子与喷气孔分别设置在气丸结构的对立端。

[0011] 所述材料束缚层、径向套件和包裹层为同类金属材料制成，所述径向套件和包裹层厚度与火药的量成正比，高强度包裹层强度大于最大气压。

[0012] 所述喷气孔边缘处设置有密封垫圈，所述密封垫圈设置在气丸与包裹层接触处。

[0013] 所述喷气孔的大小为5‑8mm，产气材料产生的气体从喷气孔喷出。设置喷气孔使得该处弯矩提高，临界弯矩小于最大气压，气体释放。

[0014] 所述包裹层设置为框体或者柱体结构，所述框体或者柱体结构设置为一体成型或者组合结构，所述包裹层为铝或者铜。

[0015] 所述底座上的触发信号输入端子通过设置若干根发热电阻丝与气丸内部的火药接触设置，若干根发热电阻丝并联设置，且与触发信号输入端子连接；

[0016] 触发信号输入端子输入电流信号，电阻丝发热，气丸内的火药燃烧产生高压气体，包裹层和径向套件对高压气体轴向和径向约束，包裹层内临界气压增大，气压升高使得硬
质包裹层使产气材料燃速加快，燃烧完全度提高。燃烧速度加快，压力升高加快，压力波上
升沿更陡峭；燃烧完全度提高，压力值与气体强度均提高，压力峰值更大，最终产生超快、超
强的气体压力脉冲。

[0017] 一种气体增压方法的应用，上述气体增压方法用于输电线路防雷保护装置中进行喷灭电弧。

[0018] 本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：

[0019] (1)本方法可以提升固相式灭弧防雷装置安全能力，因为在外部结构没有强化的条件下，不会损坏外部结构。

[0020] (2)本方法通过提高产气单元的密封强度来增强气体压强，使产气材料燃料燃烧更充分，产气更集中且方向可控，进一步提升灭弧效果。

[0021] (3)本方法通过高强度包裹层使产气材料燃速加快，燃烧完全度提高，燃烧更充分，产气材料完全燃烧后都不会产生爆轰，高强度径向套件对气流进行径向约束，包裹层对
气流进行轴向约束，包裹层内的增量压力迅速增大，产气材料燃烧的速度更快，并且把喷气
孔的孔径改小，喷气孔处的材料的弯矩提高，临界弯矩小于最大气压时，气体释放。并且喷
气的方向可控，同时喷气灭弧的时间更长，灭弧的反应时间更快，达到灭弧的效果更好。

附图说明

[0022] 图1为本发明增压对应结构剖面图。

[0023] 图2为本发明包裹层一结构示意图。

[0024] 图3为本发明包裹层另一结构示意图。

[0025] 图4为本发明增压流程图。

[0026] 图5为本发明灭弧效果和普通气体发生器灭弧效果对比图。

[0027] 图中：1‑包裹层、2‑触发信号输入端子、3‑产气材料、4‑径向套件、5‑密封垫圈、6‑喷气孔。

具体实施方式

[0028] 为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为
了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以
实现本发明的这些方面。

[0029] 一下是对本发明所用到的一些技术原理进行说明：

[0030] 弯矩是受力构件上的内力矩的一种。通俗的说法：弯矩是一种力矩。它的标准定义为:与横截面垂直的分布内力系的合力偶矩；计算公式：M＝θ·EI/L，θ为转矩，EI为转动刚
度，L为杆件的有效计算长度。

[0031] 根据弯矩的特征，通过高强度包裹层使产气材料燃速加快，燃烧完全度提高，燃烧更充分。产气材料完全燃烧后都不会产生爆轰，高强度径向套件对气流进行径向约束，包裹
层对气流进行轴向约束，包裹层内的增量压力迅速增大，产气材料燃烧的速度更快，并且把
喷气孔的孔径改小，喷气孔处的材料的弯矩提高，临界弯矩小于最大气压时，气体释放。并
且，可以通过控制未包裹的喷气孔面积大小来控制压力增量，使产气材料本身的基础压力
与包裹层增量压力之和远远大于产气材料破裂的临界压力。

[0032] 燃速与压力的关系满足以下公式：un＝a+bPv；压力对燃速的影响最大，一定范围内，压力越大，燃速越大，压力大可能转为爆轰。炸药燃烧转爆轰机理：密封强度提高，燃烧
产物来不及扩散，使反应区的压力不断增加，导致燃速也增加，当燃速达到临界值时，燃烧
被破坏转变为爆轰。

[0033] 炸药燃烧过程是以燃烧反应波的形式传播的，燃烧波在传播中反应区的能量是通过热传导、辐射以及燃烧气体产物的扩散作用向外传播的，因此，燃烧传播速度与炸药性
质、压力、装药直径和有无外壳等因素有关。

[0034] 炸药燃速随压力增大的原因：1、压力大，气相活化分子的碰撞机会大，气相反应速度大；2、压力大，气相高温产物向凝聚相炸药内部渗透作用增大。故此，在固相式灭弧防雷
装置中可以通过控制气丸所在空间压强来控制气丸燃烧速度。

[0035] 根据上述的原理说明和参阅图1‑图4对本发明实施例进一步说明：

[0036] 实施例1：

[0037] 本发明提供一种气体增压方法，所述增压方法包括如下过程：

[0038] 在产气材料3外侧设置包裹层1，包裹层1上开设有喷气孔6，产气材料3上设置有触发信号输入端子2，触发信号输入端子2输入触发信号，产气材料3燃烧。高强度材料包裹整
个产气材料3，包裹强度大于最大气压，包裹层1对产气材料3产生的气体进行轴向约束和径
向约束；设计留有唯一未包裹小孔，且小孔面积大小可控，喷气孔6处的弯矩提高，临界弯矩
小于最大气压，气体从喷气孔6释放。设置高强度包裹与喷气孔6使得包裹层1内临界气压增
大，气压升高使得硬质包裹层1内产气材料3燃速加快，燃烧完全度提高，最终产生超快、超
强的气体压力脉冲。产气材料3嵌套到包裹层1内，包裹层1将其包裹起来。实现产气材料3与
包裹层1的紧密嵌套，可以对包裹层1内壁厚度进行处理，使其不会发生偏移。产气材料3的
巨大气压被包裹层1所束缚，包裹层1承受所有的压力。包裹层1的顶端设计有触发信号输入
口2，用于产气材料接收雷电触发信号；包裹层1设的喷气孔6，气体从这个未包裹的喷气孔
喷出且喷射方向可控。包裹层1使用高强度材料，比如铝钢等。

[0039] 产气材料3的基础压力和包裹层1的增量压力之和大于产气材料3破裂的临界压力。产气材料3的基础压力即为产气材料3没有发生燃烧时，包裹的火药的挤压时的挤压力
的反作用力，即为包裹层1在与产气材料3在紧密包裹时，产气材料3会对包裹层1产生向外
的张力，即为产气材料3的基础压力，包裹层1的增量压力即为给包裹层1增加向外的压力，
使得包裹层1刚好破裂的极限压力为包裹层1的增量压力。产气材料3破裂的临界压力为产
气材料3内的内燃料完全燃烧时，产生气体最大的压强时的压力。即为，高强度的包裹层1包
裹产气材料3不会产生爆轰，而是完全燃烧后高压气体从喷气孔6喷射出去。

[0040] 产气材料3在接收到触发信号输入端子2输入的触发信号后，产气材料3迅速产生气体，由于包裹层1的强度很好，远远大于了产气材料3产生的气体的压强，使包裹层1不会
破裂而产生爆轰情况。产气材料3产生的气体均只能从喷气孔6喷出，从而喷射的气体的压
强增大，同时根据喷气孔6的设置大小和位置实现喷气方向可控的操作。并且在产气材料3
燃烧过程，内部气体压强增大，使得燃烧的速度更快，灭弧的反应时间更短。

[0041] 如图5所示，曲线S1为普通气体发生器的灭弧效果的时间和气体压强关系图，曲线S2表示本发明方法的灭弧效果的时间和气体压强关系图。通过对比可以知道，普通气体发
生器开始灭弧需要的反应时间为t2，而使用本申请的增压方法需要的反应时间为t1，t2大
于t1。造成这个时间差的对比为，本申请方法设置的包裹层1，本方法通过高强度包裹层1使
产气材料3燃速加快，燃烧完全度提高，燃烧更充分。产气材料3完全燃烧后都不会产生爆
轰，高强度径向套件对气流进行径向约束，包裹层1对气流进行轴向约束，使得产气材料3在
被点燃的那一刻产生气体而包裹层1不会发生形变，气体压强迅速升高，而普通的气体发生
器在产生气体时会发生一定形变，体积增大，使得气体压强升高没有本申请的气体的压强
高。根据燃速与压力的关系：压力越大，燃速越大，使得本方法的产气材料3燃烧的速度会比
普通气体发生器内的燃料燃烧的速度更快，从而本方法的喷气的时间会比普通气体发生器
的喷气时间快，及灭弧反应时间快。

[0042] 同时对比灭弧的压强和灭弧的时间，在曲线S1普通气体发生器的爆轰瞬间的最大压强为P1，且达到该压强的时间非常的短，使得灭弧的效果不好。而本申请方法中，在灭弧
时达到P1压强的时间为t1‑t3这一段时间，时间t1‑t3大于了普通气体发生器整个灭弧的全
部时间，因此使得灭弧的效果非常好，对更大电压传输线产生的电弧均可以灭。造成上述的
原因为，本方法的气体只能从喷气孔6喷出，而普通气体发生器的是直接爆轰多个方向进行
喷射，使得时间非常的短。而本方法的高压强气体从喷气孔6喷出需要一个时间过程为t1‑
t3，因此灭弧的气体压强高，喷射气体的时间长，使得灭弧的效果更好，可以对特殊场合和
更高的电压等级的电弧进行喷灭。其中，P2的值为P1的十倍左右，具有更强的灭弧喷气压
强。

[0043] 实施例2：

[0044] 如图1所示：产气材料3设置为气丸结构，气丸结构包括底座和气丸，触发信号输入端子2设置在底座上且与气丸接触设置，气丸外侧套有径向套件4，径向套件4对气丸内产生
的气流进行径向约束，包裹层对气丸内产生的气流进行轴向约束。通过径向套件4对气丸内
产生的气流进行径向约束，包裹层对气丸内产生的气流进行轴向约束。产气材料3产生的气
体使得产气材料3原有的空间不会增大，而使得气体的压强增加速度快，燃烧速度更快，达
到燃烧完产气材料3的时间短，即为灭弧的反应时间更快。由于高强度包裹使产气材料燃速
加快，燃烧效率提高，燃烧更充分，径向套件对气流进行径向约束，包裹层对气流进行轴向
约束，套件与包裹层内压强增大，在材料不变的情况下，通过控制喷气孔6大小来控制喷气
孔材料的临界弯矩，从而提高喷射气流的临界释放气压。由于喷气孔6处强度远小于包裹层
1的强度，会产生很大的弯矩，当产气材料3的基础压力和包裹层的增量压力之和大于产气
材料破裂的临界压力时，气流从未包裹的喷气孔喷射，喷气孔喷射方向可控，喷射气流集中
且强烈，灭弧效果大大提升。包裹层1内的产气材料3外套有高强度径向套件4，径向套件4为
套管，当产气材料3被触发后，气流受到套管的径向约束，喷射气流更为集中。包裹层1材料
为高强度材料，必须保证其强度远远大于产气材料破裂的临界压力。

[0045] 实施例3：

[0046] 气丸包括材料束缚层、火药和固氧或者液氧，所述火药和固氧或者液氧混合密封放置在材料束缚层内，材料束缚层破裂压力值远小于包裹层内压力增量值。火药在被点燃
后，固氧或者液氧提供燃烧的氧气，并且温度升高，固氧或者液氧均会气化，提供一个附加
气体压强，形成二次增压的效果，使气体压强增大更快。在产气材料3基本完全燃烧时产生
的气体压强会比材料束缚层破裂的临界压力大，使得喷气孔6处的材料束缚层破裂，气体从
喷气孔6喷出进行灭弧。

[0047] 实施例4：

[0048] 所述触发信号输入端子2与喷气孔6分别设置在气丸结构的对立端。通过设置在对立端，使得气丸结构内的火药燃烧完全后气压才会瞬间压到喷气孔6的材料束缚层，使得产
气材料3燃烧的更加完全。

[0049] 实施例5：

[0050] 材料束缚层、径向套件和包裹层为同类金属材料制成，所述径向套件和包裹层厚度与火药的量成正比，高强度包裹层1强度大于最大气压。由于防雷装置长期装在输电线
上，会有太阳晒和雨淋的情况，如果使用不同的金属会使得材料束缚层与径向套件或者包
裹层之间形成点位差，形成电位差之后就会容易出现腐蚀的情况，从而大大的减短了防雷
装置的使用寿命，使用同类金属材料可以有效的防止上述情况的发生。

[0051] 实施例6：

[0052] 喷气孔边缘处设置有密封垫圈5，所述密封垫圈5设置在气丸与包裹层接触处。为了增加包裹层1与产气材料3之间的密闭性，在包裹层1的喷气孔6的缝隙处可增加密闭垫圈
5。防止包裹层1与产气材料3之间的密闭性不好，更好地提高了喷气灭弧的时间。

[0053] 实施例7：

[0054] 喷气孔6的大小为5‑8mm，产气材料产生的气体从喷气孔6喷出。设置喷气孔6使得该处弯矩提高，临界弯矩小于最大气压，气体释放。气流从未包裹的喷气孔6喷射，喷气孔6
喷射方向可控，喷射气流集中且强烈，灭弧效果大大提升。普通原来的喷射孔一般为十几个
毫米，使得喷射范围过大，喷射的时间变短，灭弧的效果不好。根据弯矩计算公式：M＝θ·
EI/L，θ为转矩，EI为转动刚度，L为杆件的有效计算长度。θ为转矩和EI为转动刚度均相同
时，L变短后，使得弯矩变大，即喷出的气体的压强变大，并且喷气孔6较小，相同气体需要较
长的时间才能喷完，也就是灭弧的时间较长，达到灭弧气体压强增大，灭弧时间增长，达到
更好的灭弧的效果。

[0055] 实施例8：

[0056] 包裹层1设置为框体或者柱体结构，所述框体或者柱体结构设置为一体成型或者组合结构，所述包裹层为铝或者铜。本方法对应的装置的结构形状设置为球型、圆柱方框型
等结构均是可以的，本申请的方法并不限定具体的结构，而框体或者柱体结构在造价更低，
安装速度更快。

[0057] 实施例9：

[0058] 底座上的触发信号输入端子2通过设置若干根发热电阻丝与气丸内部的火药接触设置，若干根发热电阻丝并联设置，且与触发信号输入端子连接。电阻丝并联设置，并且为
均匀等间距设置在火药内部，从而可以达到多点同时点燃火药，使得灭弧的反应时间更快，
灭弧的效果更好。

[0059] 触发信号输入端子2输入电流信号，电阻丝发热，气丸内的火药燃烧产生高压气体，包裹层1和径向套件4对高压气体轴向和径向约束，包裹层内压强增大，在材料不变的情
况下，通过控制喷气孔6大小来控制喷气孔材料的临界弯矩，从而提高喷射气流的临界释放
气压，设置喷气孔的位置控制喷气方向。产气材料3接收到触发信号输入端子2的电信号时，
会触发产生大量的灭弧气体；高强度套管对气流进行径向约束，包裹层对气流进行轴向约
束，包裹层内的增量压力迅速增大；由于喷气孔处强度远小于包裹层1的强度，会产生很大
的弯矩，当产气材料3的基础压力和包裹层的增量压力之和大于产气材料破裂的临界压力
时，气流从未包裹的喷气孔喷射，喷气孔喷射方向可控，喷射气流集中且强烈，灭弧效果大
大提升。由于高强度包裹使产气材料燃速加快，燃烧效率提高，燃烧更充分，径向套件对气
流进行径向约束，包裹层对气流进行轴向约束，套件与包裹层内压强增大，在材料不变的情
况下，通过控制喷气孔6大小来控制喷气孔材料的临界弯矩，从而提高喷射气流的临界释放
气压。通过提高密封强度，使产气材料充分燃烧产生更大的临界释放气压，在建弧的同时产
生高速灭弧气流，作用于电弧通道，阻断后续工频电弧建弧过程，能够在极短时间内熄灭工
频电弧，其熄弧时间远远小于断路器动作时间。其中灭弧单元的产气直接影响灭弧效果。

[0060] 一种气体增压方法的应用，上述的气体增压方法用于输电线路防雷保护装置中进行喷灭电弧中。主要是增加输电线路防雷保护装置中的气体发生装置的喷出的气体的压强
和提高喷射高压强气体的时间，灭弧的效果得到进一步的提高。

[0061] 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或
基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将
实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说
明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明
内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

[0062] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应
视为本发明的保护范围。