防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置制造方法
【專利摘要】防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置，主要由金屬球面電極1、阻抗變換器2、電荷儲(chǔ)集板3、阻抗抑制器4、支柱法蘭盤(pán)5組成；金屬球面電極1設(shè)置在阻抗變換器2的上方，電荷儲(chǔ)存板3設(shè)置在阻抗變換器2的下方，阻抗抑制器4設(shè)置在電荷儲(chǔ)集板3的下方，法蘭盤(pán)5設(shè)置在裝置的最下端，與阻抗抑制器4的外殼緊固連接；本裝置不會(huì)引起由高電位反擊而造成的雷電災(zāi)害，對(duì)接地電阻要求不高，有效地減少了傳統(tǒng)避雷針頻繁引雷入地而產(chǎn)生的地電位反擊、跨步電壓等嚴(yán)重問(wèn)題，減少了從電源線、信號(hào)線、天線上的感應(yīng)雷，上行雷閃可減小繞擊雷和側(cè)擊雷的概率。
【專利說(shuō)明】防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及電子電氣設(shè)備領(lǐng)域，尤其涉及到一種直擊雷防護(hù)裝置。
技術(shù)背景
[0002]傳統(tǒng)的富蘭克林避雷針是一種引雷入地的裝置，200多年來(lái)由于傳統(tǒng)避雷針的普及應(yīng)用，大大的減少了雷電對(duì)人、畜、物的直接傷害和破壞，但是隨著近幾十年微電子技術(shù)的快速發(fā)展，富蘭克林避雷針在實(shí)際應(yīng)用中顯露出它的一些局限性:
[0003]1、富蘭克林避雷針接閃時(shí)，強(qiáng)大的雷電流通過(guò)避雷針、引下線、接地裝置泄放入大地，這將會(huì)使整個(gè)泄流通道上產(chǎn)生很高的電位，當(dāng)進(jìn)入建筑物的各種管線(水管、煤氣管、電纜等)與泄流通道的距離達(dá)不到安全距離的要求時(shí)，泄流通道上的高電位會(huì)向附近的金屬導(dǎo)體產(chǎn)生放電，引起由高電位反擊而造成的雷電災(zāi)害。
[0004]2、富蘭克林避雷針避雷針作為直擊雷保護(hù)裝置時(shí)，其接地電阻必須符合GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。高山巖石等地質(zhì)環(huán)境非常惡劣的地區(qū)，土壤電阻率都很高，如需制作接地電阻符合規(guī)范要求的地網(wǎng)，往往投資非常巨大，接地電阻值卻未必滿意。在雷擊時(shí)，由于接地電阻偏大造成的地電位反擊損壞設(shè)備的現(xiàn)象非常嚴(yán)重。
[0005]3、雷電流泄放入地時(shí)，將會(huì)在地面產(chǎn)生很高的跨步電壓，跨步電壓將會(huì)對(duì)人、畜造成生命危害，嚴(yán)重時(shí)還可能斃命。
[0006]4、富蘭克林避雷針在接閃入地的過(guò)程中，強(qiáng)大的雷電流(數(shù)十千安?上百千安)以極快的速度(微秒級(jí))沿避雷針及引下線進(jìn)入地中的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的雷電電磁脈沖(LEMP)，雷電電磁脈沖對(duì)微電子設(shè)備是致命的，會(huì)造成更多的感應(yīng)雷擊損壞微電子設(shè)備的事故，特別是微電子設(shè)備相對(duì)集中的地方(如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)、衛(wèi)星及微波通信系統(tǒng)、廣播電視系統(tǒng)，電子導(dǎo)航系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等等)，感應(yīng)雷擊對(duì)信息系統(tǒng)的安全構(gòu)成極大的威脅。另外，強(qiáng)大的雷電電磁脈沖(LEMP)容易引起局部的放電,將使油庫(kù)、液化氣庫(kù)、火藥庫(kù)等易燃、易爆場(chǎng)所發(fā)生起火甚至爆炸。
[0007]5、富蘭克林避雷針保護(hù)范圍不肯定，有繞擊和側(cè)擊發(fā)生。世界不少研究雷電的專家對(duì)避雷針能向其臨近建筑物提供多大的保護(hù)范圍作了系統(tǒng)的研究，得出的結(jié)論是對(duì)一根垂直傳統(tǒng)富蘭克林避雷針無(wú)法獲得一個(gè)十分肯定的安全保護(hù)區(qū)。避雷針在實(shí)際運(yùn)行中的大量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，也證明了避雷針保護(hù)范圍所存在的問(wèn)題。
[0008]由于傳統(tǒng)富蘭克林避雷針在防雷中存在以上局限性，所以傳統(tǒng)避雷針特別不適合用來(lái)保護(hù)易燃、易爆環(huán)境及微電子設(shè)備等弱電系統(tǒng)設(shè)備，也不適合安裝在高土壤電阻率的地區(qū)。
[0009]四、實(shí)用新型內(nèi)容
[0010]發(fā)明目的:
[0011]本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一種防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置，可與雷電的“梯級(jí)先導(dǎo)”相互作用，把被保護(hù)區(qū)域表面的感應(yīng)電荷及時(shí)地發(fā)散到空氣中，而在空氣中的電荷具有均勻化的趨勢(shì)，使得被保護(hù)物上方的電場(chǎng)強(qiáng)度和電流密度達(dá)不到擊穿空氣的數(shù)值，改變雷電的主放電渠道，有效防止在保護(hù)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生地閃的“回?fù)簟?，使保護(hù)區(qū)內(nèi)不落直擊雷。
[0012]技術(shù)方案:
[0013]防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置，主要由金屬球面電極、阻抗變換器、電荷儲(chǔ)集板、阻抗抑制器、法蘭盤(pán)組成；金屬球面電極設(shè)置在阻抗變換器的上方，電荷儲(chǔ)集板設(shè)置在阻抗變換器的下方，阻抗抑制器設(shè)置在電荷儲(chǔ)集板的下方，法蘭盤(pán)設(shè)置在裝置的最下端，與阻抗抑制器的外殼緊固連接。
[0014]上述防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置，所述金屬球面電極、阻抗變換器、電荷儲(chǔ)集板、阻抗抑制器、法蘭盤(pán)相互之間通過(guò)螺桿、螺母固定連接。
[0015]上述防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置，所述阻抗變換器是復(fù)合金屬氧化物半導(dǎo)體器件。
[0016]上述防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置，所述阻抗抑制器是電感線圈。
[0017]有益效果
[0018]本防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置有以下有益效果:
[0019]①由于本防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置不接閃，沒(méi)有雷電流通過(guò)避雷針、引下線、接地裝置泄放入大地，避雷針、引下線、接地裝置上就不會(huì)產(chǎn)生高電位，也就不會(huì)引起由高電位反擊而造成的雷電災(zāi)害。
[0020]②在高土壤電阻率地區(qū)，若制作接地電阻值符合GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的地網(wǎng)非常困難時(shí)，由于本裝置采用了用地電荷中和雷電下行先導(dǎo)的原理，接地的主要作用是為了向金屬球面電極沖填地電荷，故本裝置對(duì)接地電阻要求不高，接地電阻^ 10Ω即可，特殊情況可放寬到30 Ω。
[0021]③本裝置可有效防地閃回?fù)衄F(xiàn)象的發(fā)生，沒(méi)有強(qiáng)大的雷電流(數(shù)十千安~上百千安)通過(guò)接地裝置流入大地，只因金屬球面電極上的電荷通過(guò)空氣在電場(chǎng)的作用下向雷電先導(dǎo)溢出，電流僅為幾百毫安至幾百安培，因此有效地減少了傳統(tǒng)避雷針頻繁引雷入地而產(chǎn)生的地電位反擊、跨步電壓等嚴(yán)重問(wèn)題。
[0022]④本裝置有效地大幅度減少雷電對(duì)地面的閃擊次數(shù)，相應(yīng)的大大減少了從電源線、信號(hào)線、天線上的感應(yīng)雷。
[0023]⑤本裝置采用了用上行先導(dǎo)去中和雷電下行先導(dǎo)的原理，由于雷云下行先導(dǎo)的分布不是“密集”分布，下行先導(dǎo)被中和以后不大可能就近出現(xiàn)新的下行先導(dǎo)，故其保護(hù)角較傳統(tǒng)避雷針大得多，可達(dá)到70°，冋時(shí)上彳丁雷閃可大大減小繞擊雷和側(cè)擊雷的概率。
[0024]【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】:
[0025]圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖，
[0026]圖2是阻抗變換器非線性伏安特性曲線圖，
[0027]圖3是防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置使用狀態(tài)的電路結(jié)構(gòu)示意圖，
[0028]圖4是雷云靜電感應(yīng)階段、裝載階段、阻斷階段、放電階段、結(jié)束階段的放電示意圖；
[0029]其中:1一金屬球面電極，2—阻抗變換器，3—電荷儲(chǔ)集板，4一阻抗抑制，5—法蘭盤(pán)，6-金屬球面電極的上球面，7-金屬球面電極的下底面；I 一泄漏區(qū)間，II 一箝位工作區(qū)域，III 一飽和區(qū)域；Rb-阻抗變換器；Cl-金屬球面電極與電荷儲(chǔ)集板之間的電容；L1—阻抗抑制器的電感；R1—引下線的阻抗；R2—地網(wǎng)的接地電阻?！揪唧w實(shí)施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。
[0031]實(shí)施例一:如圖1所示，防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置由金屬球面電極1、阻抗變換器2、電荷儲(chǔ)集板3、阻抗抑制器4、法蘭盤(pán)5組成，金屬球面電極I設(shè)置在阻抗變換器2的上方，電荷儲(chǔ)集板3設(shè)置在阻抗變換器2的下方，阻抗抑制器4設(shè)置在電荷儲(chǔ)存板3的下方，法蘭盤(pán)5設(shè)置在裝置的最下端，與阻抗抑制器的外殼緊固連接。
[0032]上述實(shí)施例中金屬球面電極I的外表面包括金屬球面電極的上球面6和金屬球面電極的下底面7，使用時(shí)，金屬球面電極的上球面6在上,金屬球面電極的下底面7在下；金屬球面電極的下底面7與電荷儲(chǔ)集板3的上表面相對(duì)；
[0033]上述實(shí)施例中金屬球面電極1、阻抗變換器2、電荷儲(chǔ)集板3、阻抗抑制器4、法蘭盤(pán)5之間可采用焊接、粘接或其它機(jī)械連接方式固定在一起，但為了安裝、搬運(yùn)、拆御方便，優(yōu)選相互之間通過(guò)螺桿、螺母等緊固件固定連接。
[0034]金屬球面電極1:由抗腐蝕鋁合金材料制成，為下方大地電荷提供一個(gè)聚集、釋放的區(qū)域，對(duì)其下方的被保護(hù)物起到一個(gè)保護(hù)傘的作用。
[0035]阻抗變換器2:在整個(gè)防直擊雷的過(guò)程中起高速開(kāi)關(guān)的作用，當(dāng)雷電先導(dǎo)被金屬球面電極吸引到其上方一定位置時(shí)，阻抗變換器快速由高阻狀態(tài)變換為低阻狀態(tài)，阻抗變換器下方的感應(yīng)電荷迅速聚集在金屬球面電極上，雷電先導(dǎo)與金屬球面電極之間電場(chǎng)強(qiáng)度繼續(xù)增大到接近擊穿空氣的臨界值時(shí)，阻抗變換器迅速由低阻狀態(tài)變換為高阻狀態(tài)，并釋放與雷電先導(dǎo)相反的電荷，中和雷電先導(dǎo)的異性電荷，有效地抑制地閃回?fù)舻陌l(fā)生。
[0036]電荷儲(chǔ)集板3:選用不銹鋼材料制成，當(dāng)被保護(hù)物的上方形成雷云時(shí)，電荷儲(chǔ)存板上將聚集與雷電先導(dǎo)極性相反的電荷，并與金屬球面電極的下端共同構(gòu)成電容的兩級(jí)，為阻抗變換器工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換集聚能量。電荷儲(chǔ)集板也可以采用環(huán)狀或網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，但與金屬球面電極下端之間的電容值比電荷儲(chǔ)集板的板狀結(jié)構(gòu)小，電荷的儲(chǔ)集能力相對(duì)較弱。
[0037]阻抗抑制器4:是由電感線圈構(gòu)成。任何防雷措施都有可能失靈，當(dāng)金屬球面電極和阻抗變換器失靈時(shí)，此時(shí)電荷儲(chǔ)集板可作為臨時(shí)接閃裝置，阻抗抑制器可以有效抑制雷電流的幅值，降低雷電流上升沿的陡度，同時(shí)減小感應(yīng)雷和高電位反擊的強(qiáng)度，減小由于泄放雷電流而造成的破壞。
[0038]法蘭盤(pán)5:由不銹鋼材料制成，主要起支撐和固定的作用。
[0039]根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)防雷小組(TC-81)副組長(zhǎng)RICK GUMLEY先生的資料和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明:①包圍尖端的電暈電荷會(huì)抑制該處的電場(chǎng)進(jìn)一步提高；②在雷電電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到約
3.0X103kV/m時(shí)，接地點(diǎn)產(chǎn)生每秒> I億個(gè)自由電子，接閃器才能啟動(dòng)雪崩過(guò)程(產(chǎn)生最強(qiáng)的向上迎面流注與下行先導(dǎo)流注通道匯合形成主放電。)；③為使向上迎面流注在啟動(dòng)后持續(xù)增長(zhǎng)，接閃器與下行先導(dǎo)的空間電場(chǎng)強(qiáng)度必須> 200kV/m。
[0040]為了加強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度，研究了避雷針的結(jié)構(gòu)外形，即研究結(jié)構(gòu)外形與空間電場(chǎng)強(qiáng)度的關(guān)系。若空間電場(chǎng)強(qiáng)度為1，發(fā)現(xiàn)對(duì)于平坦表面為1:1，對(duì)于針尖為100:1?1000:1，為此提出最理想的接閃器形狀應(yīng)是介于平面與尖針之間，能力為15:1的近似球面。15:1意味當(dāng)空間電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到200 kV/m時(shí)，接閃器附近的電場(chǎng)強(qiáng)度約為3.0X IO3 kV/m。
[0041]本實(shí)用新型的金屬球面電極I即為球型接閃器，安裝在局部區(qū)域的最高點(diǎn)，接閃器在靜態(tài)時(shí)，能盡量減少包圍著接閃器球面的空間電荷，使接閃器球面表面電場(chǎng)相對(duì)平滑和電暈極小，以免影響雪崩啟動(dòng)時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度增長(zhǎng)的延誤，即向上迎面流注的發(fā)生時(shí)間，有效地把局部電荷密度減小到安全范圍之內(nèi)，干擾雷電先導(dǎo)繼續(xù)向保護(hù)區(qū)發(fā)展，阻止雷電在該區(qū)域主放電通道的形成，防止在保護(hù)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生地閃的“回?fù)簟爆F(xiàn)象，可使目標(biāo)遭受直接雷擊的可能性大大降低。
[0042]本實(shí)用新型防地閃“回?fù)簟钡募夹g(shù)理論分析:(如圖3、圖4所示)
[0043]雷電先導(dǎo)接近地面上的防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置時(shí)，使電荷往金屬球面電極I上聚集。雷電先導(dǎo)與大地之間的電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)預(yù)定值時(shí)，阻抗變換器2在電場(chǎng)作用下變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，金屬球面電極I通過(guò)接地線與大地導(dǎo)通，金屬球面電極I上聚集大量與雷電先導(dǎo)極性相反的電荷，使得在被保護(hù)范圍內(nèi)雷電先導(dǎo)始終被金屬球面電極I所吸引，雷電先導(dǎo)進(jìn)一步接近金屬球面電極I達(dá)到雷擊距離時(shí)(離地約5?50m左右)，可形成很強(qiáng)的地面大氣電場(chǎng)，使地面的正電荷向上運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生從地面向上發(fā)展的正流光，這就是連接先導(dǎo)，連接先導(dǎo)大多發(fā)生于地面凸起物處。如果是傳統(tǒng)富蘭克林避雷針，“回?fù)簟?當(dāng)雷電先導(dǎo)與連接先導(dǎo)匯合，形成一股明亮的光柱，沿著雷電先導(dǎo)所形成的電離通道由地面高速?zèng)_向云中，這稱為回?fù)?。回?fù)舯壤纂娤葘?dǎo)明亮得多，回?fù)舻膫鞑ニ俣纫脖壤纂娤葘?dǎo)的速度快得多，平均為5.0X 107m/s左右，變化范圍2.0X 107m/s?2.0 X 108m/s左右，回?fù)敉ǖ赖闹睆狡骄鶠閹桌迕?，其變化范圍?.1?23cm，回?fù)艟哂休^強(qiáng)的放電電流，峰值電流強(qiáng)度可達(dá)IO4A量級(jí)，因而發(fā)出耀眼的光亮)就會(huì)發(fā)生，雷電先導(dǎo)就會(huì)演變成雷擊。而此時(shí)，防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置的阻抗變換器2在極短的時(shí)間內(nèi)突變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，金屬球面電極I上的電荷通過(guò)空氣在電場(chǎng)的作用下向雷電先導(dǎo)溢出，電流僅為幾百毫安至幾百安培，流過(guò)防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置的阻抗變換器2的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于回?fù)綦娏?，金屬球面電極I與雷云間的電場(chǎng)強(qiáng)度降低，有效阻止雷電先導(dǎo)的前進(jìn)和發(fā)展，避免形成回?fù)?。?jīng)過(guò)以上過(guò)程后，金屬球面電極I與雷電先導(dǎo)又回到開(kāi)始的狀態(tài)，準(zhǔn)備好對(duì)雷電的下一次干預(yù)。在這一循環(huán)過(guò)程中，防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置有效地抑制了云地之間雷電的演變。
[0044]為了說(shuō)明本實(shí)用新型工作的物理過(guò)程，設(shè)定下列符號(hào)及意義:
[0045]Ej:金屬球面電極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度；
[0046]Es:金屬球面電極與電荷儲(chǔ)集板之間的電場(chǎng)強(qiáng)度；
[0047]Ec:對(duì)應(yīng)于阻抗變換器導(dǎo)通狀態(tài)的電場(chǎng)強(qiáng)度；
[0048]Ecs:形成向上雷擊所需要的電場(chǎng)強(qiáng)度臨界值。
[0049]干預(yù)雷電先導(dǎo)演變發(fā)展為雷擊的工作過(guò)程可以劃分為五個(gè)階段:如圖4
[0050]第一階段:雷云靜電感應(yīng)階段。隨著向下發(fā)展的雷電先導(dǎo)接近金屬球面電極時(shí)，由于電場(chǎng)靜電感應(yīng)，可以在金屬球面電極和阻抗變換器的電極上富集成符號(hào)相反的電荷。此時(shí)Es < Ec，阻抗變換器呈高阻狀態(tài)，金屬球面電極可以看成是對(duì)地的電隔離體。
[0051]第二階段:裝載電荷階段。雷電先導(dǎo)進(jìn)一步發(fā)展使Es > Ec (3kV?5kV/cm)，此時(shí)阻抗變換器導(dǎo)通成為導(dǎo)體，通過(guò)接地導(dǎo)線從地面向金屬球面電極裝載電荷。
[0052]第三階段:阻斷狀態(tài)。隨著雷電先導(dǎo)不斷接近金屬球面電極，在金屬球面電極附近的電場(chǎng)進(jìn)一步增加，電荷的注入使阻抗變換器兩端的電場(chǎng)強(qiáng)度減弱，Es < Ec時(shí)，阻抗變換器變?yōu)楦咦锠顟B(tài)。此時(shí)，金屬球面電極上電荷對(duì)其下面的物體起到“盾”的作用。
[0053]第四階段:放電階段。由于雷電先導(dǎo)始終在金屬球面電極附近，金屬球面電極附近的電場(chǎng)強(qiáng)度Ej繼續(xù)增高，達(dá)到接近Ecs值時(shí)，在金屬球面電極上方產(chǎn)生電暈放電。Ej繼續(xù)增高，當(dāng)Ej ^ Ecs時(shí)，如果使用的是傳統(tǒng)避雷針，此時(shí)“回?fù)簟卑l(fā)生，雷電先導(dǎo)就演變成雷擊。但是，由于阻抗變換器處于高阻狀態(tài)，在其作用下，“回?fù)簟彪娏魍凡粫惩?，只有小量的上升電子流形成，這種放電面向雷電先導(dǎo)下行的方向，其符號(hào)與雷電先導(dǎo)的符號(hào)相反，與雷電流發(fā)生中和作用，抑制回?fù)舻陌l(fā)生。
[0054]第五階段:結(jié)束階段。該階段是防護(hù)干預(yù)的最后階段，此時(shí)雷電先導(dǎo)放電產(chǎn)生的電荷已經(jīng)消除，但Es還會(huì)再次增高，防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置又開(kāi)始前述的工作循環(huán)。因此，防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置在每一次防護(hù)干預(yù)后又回復(fù)到原有的狀態(tài)，準(zhǔn)備好下一次干預(yù)。
[0055]本實(shí)用新型主要設(shè)備結(jié)構(gòu)材料
[0056]考慮到安裝使用上的方便，本實(shí)用新型采用緊湊一體化設(shè)計(jì)。金屬球面電極I設(shè)置在阻抗變換器2的上方，電荷儲(chǔ)集板3設(shè)置在阻抗變換器2的下方，阻抗抑制器4設(shè)置在電荷儲(chǔ)集板3的下方，法蘭盤(pán)5設(shè)置在裝置的最下端，并計(jì)劃在引下線合理位置安裝雷電計(jì)數(shù)器，便于對(duì)雷擊情況進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)。
[0057]上述實(shí)施例工作原理:
[0058]雷電先導(dǎo)接近地面上的防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置時(shí)，使電荷往金屬球面電極I上聚集。雷電先導(dǎo)與大地之間的電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)預(yù)定值時(shí)，阻抗變換器2在電場(chǎng)作用下變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)，金屬球面電極I通過(guò)接地線與大地導(dǎo)通，金屬球面電極I上聚集大量與雷電先導(dǎo)極性相反的電荷，使得在被保護(hù)范圍內(nèi)雷電先導(dǎo)始終被金屬球面電極I所吸引，雷電先導(dǎo)進(jìn)一步接近金屬球面電極I達(dá)到雷擊距離時(shí)(離地約5~50m左右)，可形成很強(qiáng)的地面大氣電場(chǎng)，使地面的正電荷向上運(yùn)動(dòng)，并產(chǎn)生從地面向上發(fā)展的正流光，這就是連接先導(dǎo)，連接先導(dǎo)大多發(fā)生于地面凸起物處。如果是傳統(tǒng)富蘭克林避雷針，“回?fù)簟?當(dāng)雷電先導(dǎo)與連接先導(dǎo)匯合，形成一股明亮的光柱，沿著雷電先導(dǎo)所形成的電離通道由地面高速?zèng)_向云中，這稱為回?fù)?。回?fù)舯壤纂娤葘?dǎo)明亮得多，回?fù)舻膫鞑ニ俣纫脖壤纂娤葘?dǎo)的速度快得多，平均為5.0X 107m/s左右，變化范圍2.0X 107m/s~2.0 X 108m/s左右，回?fù)敉ǖ赖闹睆狡骄鶠閹桌迕祝渥兓秶鸀?.1~23cm，回?fù)艟哂休^強(qiáng)的放電電流，峰值電流強(qiáng)度可達(dá)IO4A量級(jí)，因而發(fā)出耀眼的光亮)就會(huì)發(fā)生，雷電先導(dǎo)就會(huì)演變成雷擊。而此時(shí)，防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置的阻抗變換器2在極短的時(shí)間內(nèi)突變?yōu)楦咦锠顟B(tài)，金屬球面電極I上的電荷通過(guò)空氣在電場(chǎng)的作用下向雷電先導(dǎo)溢出，電流僅為幾百毫安至幾百安培，流過(guò)防閃電回?fù)舯Ｗo(hù)裝置的阻抗變換器2的電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于回?fù)綦娏?，金屬球面電極I與雷云間的電場(chǎng)強(qiáng)度降低，有效阻止雷電先導(dǎo)的前進(jìn)和發(fā)展，避免形成回?fù)簟＝?jīng)過(guò)以上過(guò)程后，金屬球面電極I與雷電先導(dǎo)又回到開(kāi)始的狀態(tài)，準(zhǔn)備好對(duì)雷電的下一次干預(yù)。在這一循環(huán)過(guò)程中，防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置有效地抑制了云地之間雷電的演變。
[0059]主要技術(shù)參數(shù)
[0060]①標(biāo)稱電壓:5kV
[0061]阻抗變換器在電場(chǎng)作用下出現(xiàn)IA電流時(shí)阻抗變換器兩端的電壓。
[0062]②標(biāo)稱放電電流:5kA
[0063]雷云對(duì)地的電場(chǎng)在金屬球面電極和電荷儲(chǔ)集板之間感應(yīng)的電壓在IOkV左右時(shí)阻抗變換器的放電電流，即開(kāi)始向金屬球面電極裝載電荷的電流。
[0064]③最大放電電流:100kA [0065]允許通過(guò)阻抗變換器的最大脈沖(峰值)電流值。[0066]④能量吸收能力:15kJ/ kV
[0067]阻抗變換器通過(guò)電流時(shí)能夠承受的電能。
[0068]⑤保護(hù)角:50°?70°
[0069]阻抗變換器工作原理:
[0070]阻抗變換器主要材料是以氧化鋅為主的復(fù)合金屬氧化物半導(dǎo)體元件，經(jīng)過(guò)成型、高溫?zé)Y(jié)、表面處理等復(fù)雜工藝制成，是利用金屬氧化物半導(dǎo)體材料的非線性伏安特性的一種電壓敏感元件。當(dāng)外加電壓較低時(shí)，流過(guò)阻抗變換器的電流很小，阻抗變換器呈高阻狀態(tài)；當(dāng)外加電壓達(dá)到或超過(guò)標(biāo)稱電壓Uc時(shí)，阻抗變換器的阻值急劇下降并迅速導(dǎo)通，其工作電流會(huì)增加幾個(gè)數(shù)量級(jí)，動(dòng)作時(shí)間為納秒級(jí)。
[0071]圖2給出了阻抗變換器的伏安特性曲線，它是一條非線性曲線，在10_8?IO4 A的電流范圍內(nèi)大致可劃分為三個(gè)區(qū)間。
[0072]圖中所示區(qū)間1:區(qū)間I稱為泄漏區(qū)間，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，阻抗變換器中的電流很小，呈現(xiàn)出近似開(kāi)路的高阻狀態(tài)，對(duì)應(yīng)于一個(gè)小于1.8 kV/cm的電場(chǎng)強(qiáng)度。
[0073]圖中所示區(qū)間I1:區(qū)間II稱為箝位工作區(qū)域，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，在10_3?IO4 A的電流范圍內(nèi)十分平坦，阻抗變換器中的電流大，動(dòng)態(tài)電阻很小，呈現(xiàn)出近似導(dǎo)通的低阻狀態(tài)。
[0074]圖中所示區(qū)間II1:區(qū)間III稱為飽和區(qū)域，在這個(gè)區(qū)間內(nèi)，阻抗變換器的伏安特性曲線從原來(lái)的箝位工作區(qū)域的平坦?fàn)顟B(tài)陡然上翹，動(dòng)態(tài)電阻迅速增大，此時(shí)阻抗變換器的固有電阻開(kāi)始起支配作用。
[0075]上述實(shí)施例的有益效果:本防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置主要解決了富蘭克林避雷針5個(gè)方面的不足:1、富蘭克林避雷針接閃時(shí)，強(qiáng)大的雷電流通過(guò)避雷針、引下線、接地裝置泄放入大地，這將會(huì)使整個(gè)泄流通道上產(chǎn)生很高的電位，當(dāng)進(jìn)入建筑物的各種管線(水管、煤氣管、電纜等)與泄流通道的距離達(dá)不到安全距離的要求時(shí)，泄流通道上的高電位會(huì)向附近的金屬導(dǎo)體產(chǎn)生放電，引起由高電位反擊而造成的雷電災(zāi)害。2、富蘭克林避雷針避雷針作為直擊雷保護(hù)裝置時(shí)，其接地電阻必須符合GB50057-2010《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。高山巖石等地質(zhì)環(huán)境非常惡劣的地區(qū)，土壤電阻率都很高，如需制作接地電阻符合規(guī)范要求的地網(wǎng)，往往投資非常巨大，接地電阻值卻未必滿意。在雷擊時(shí)，由于接地電阻偏大造成的地電位反擊損壞設(shè)備的現(xiàn)象非常嚴(yán)重。3、雷電流泄放入地時(shí)，將會(huì)在地面產(chǎn)生很高的跨步電壓，跨步電壓將會(huì)對(duì)人、畜造成生命危害，嚴(yán)重時(shí)還可能斃命。4、富蘭克林避雷針在接閃入地的過(guò)程中，強(qiáng)大的雷電流(數(shù)十千安?上百千安)以極快的速度(微秒級(jí))沿避雷針及引下線進(jìn)入地中的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的雷電電磁脈沖(LEMP)，雷電電磁脈沖對(duì)微電子設(shè)備是致命的，會(huì)造成更多的感應(yīng)雷擊損壞微電子設(shè)備的事故，特別是微電子設(shè)備相對(duì)集中的地方(如計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、無(wú)線通信系統(tǒng)、衛(wèi)星及微波通信系統(tǒng)、廣播電視系統(tǒng)，電子導(dǎo)航系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)等等)，感應(yīng)雷擊對(duì)信息系統(tǒng)設(shè)備的安全構(gòu)成極大的威脅。另外，強(qiáng)大的雷電電磁脈沖(LEMP)容易引起局部的放電，將使油庫(kù)、液化氣庫(kù)、火藥庫(kù)等易燃、易爆場(chǎng)所發(fā)生起火甚至爆炸。5、富蘭克林避雷針保護(hù)范圍不肯定，有繞擊和側(cè)擊發(fā)生。世界不少研究雷電的專家對(duì)避雷針能向其臨近建筑物提供多大的保護(hù)范圍作了系統(tǒng)的研究，得出的結(jié)論是對(duì)一根垂直傳統(tǒng)富蘭克林避雷針無(wú)法獲得一個(gè)十分肯定的安全保護(hù)區(qū)。避雷針在實(shí)際運(yùn)行中的大量運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，也證明了避雷針保護(hù)范圍所存在的問(wèn)題。
【權(quán)利要求】
1.防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置，其特征在于:主要由金屬球面電極(I)、阻抗變換器(2)、電荷儲(chǔ)集板(3)、阻抗抑制器(4)、法蘭盤(pán)(5)組成；金屬球面電極(I)設(shè)置在阻抗變換器(2)的上方，電荷儲(chǔ)集板(3 )設(shè)置在阻抗變換器(2 )的下方，阻抗抑制器(4 )設(shè)置在電荷儲(chǔ)集板(3 )的下方，法蘭盤(pán)(5)設(shè)置在裝置的最下端，與阻抗抑制器(4)的外殼緊固連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置，其特征在于:所述金屬球面電極(I)、阻抗變換器(2)、電荷儲(chǔ)集板(3)、阻抗抑制器(4)、法蘭盤(pán)(5)相互之間通過(guò)螺桿、螺母固定連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置，其特征在于:所述阻抗變換器(2)是復(fù)合金屬氧化物半導(dǎo)體器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的防地閃回?fù)舯Ｗo(hù)裝置，其特征在于:所述阻抗抑制器(4)是電感線圈。
【文檔編號(hào)】H01T19/00GK203722054SQ201420092915
【公開(kāi)日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年3月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月3日
【發(fā)明者】孫建中, 鄭軍, 都明, 羅勇, 熊書(shū)軍, 孫勇 申請(qǐng)人:四川省奧凌通信工程有限責(zé)任公司