CN1116885A - 对于避雷的改进 - Google Patents

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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

一种避雷***，其中包括一早期流光放射(ESE)空中端(14)和多个延迟流光放射(DSE)部件(18)。DSE部件以合适的间隔围绕ESE空中端，由此使所述ESE空中端的防护半径扩展而将雷电引至所述ESE空中端。DSE部件(18)有多个朝上散开的带尖梢部的尖顶(20)、一个绝缘子(22)以及一个构成所述尖顶和接地板(26)之间的串联阻抗的内部电阻器(24)。在接地板上装有一系列DSE部件以提供一DSE装置。

Description

对于避雷的改进
技术领域
本发明涉及对于避雷的改进，特别涉及对于避雷针(或者说得更具体些，避雷针***的空中端部分)的闪电俘获效率的改进。
背量技术
本杰明·富兰克林在1752年证实，电被吸引至削尖的金属件。在1753年，他详细地描述了包括尖头杆的避雷针。在稍后的信中，以及在观看了英国电学家的实践之后，他观察到尖端将产生电晕，通过将电流放入空气，以缓慢的方式使空气电离。然而，他还评论说，用钝的杆俘获雷击可能更有效。
自富兰克林时代以来，有很多发明用来改进原先的富兰克林尖头避雷针的俘获能力。这些发明包括多点、放射性增强、以电池为动力的火花发生器；风力驱动的高压发生器；以及最近的多点空中端，这些空中端在雷暴雨下发生的天然电场存在时产生火花。这种多点空中端的一个例子已在美国专利4,480,146中揭示。
在科学方面，越来越多的人承认，上述尖端电晕在其上方产生空间电荷。这种空间电荷介于雷云和接地点之间，其作用改变了在所述尖端观察到的电场。在这一过程，作为主放电先导的渐近引下线必须更逼近接地点以触发一上引拦阻放电。正是上、下放电空气间隙的闭合最终完成了雷云至地地电气通道。这一闭合造成了雷击点。
近年来，从接地导体引起早期上引放电有两个一般的概念。这两个概念构成了称之为早期流光放射(Early Streamer Emission，ESE)空中端的新技术的基础。
一种ESE空中端采用脉冲布局以消除出现上引流光时观察到的停顿。另一种，如在美国专利4,760,213(J.R.冈姆莱)中所揭示的，在存在静电场时采用一种球面形状以减小电晕。同样的装置在先导引下线引道的火花隙处产生触发脉冲。触发脉冲产生自由电子电离和光致电离以帮助引上线的形成。
另一种技术试图藉在“闪络点(flashover point)”产生前中和雷云和特殊位置之间电荷差异以在该特殊位置防止雷击。这样一种“耗散***”在美国专利5,043,527中有揭示(R.B.卡本特尔)。
在美国专利5,043,527的揭示中，有多个电晕产生点，并有一条能耗散在雷云中电荷的权利要求。该装置设计成在时间上和在电流幅值上推迟上引放电或引上线的形成，或者靠在先导引线或引下线能形成之前耗散雷云来防止上引放电或引上线的形成。
第三种方法，称为延迟流光放射(Delayed Streamer Emision，DSE)概念，假设先导引线将形成，但试图延迟来自大地端的响应。
发明内容
本发明的一个目的是提供一改进的避雷***和方法。
因此，本发明的一个主要形式是对于一建造物或场所提供一种避雷***，该***包括一位于所述建造物上或在所述场所的ESE空中端，其中至少有一个DSE部件放在所述建造物上或放在所述场所，离开所述ESE空中端适当的距离，由此来扩展所述ESE空中端的保护半径。
本发明的另一个主要形式是提供一种避雷方法，其中，把一个或多个ESE空中端与多个DSE部件适当加以安排，以保护将雷击引至所述一个或数个ESE空中端的建造物或场所。
本发明的又一主要形式是为一建造物或场所提供一种避雷***，其中，相应于各自正或负的引上线时间优势，把多个无源避雷终端装置在所述建造物或所述场所作适当组合，以扩展一次收集器的吸引半径。
本发明的又一形式是提供DSE部件，其中，DSE部件包括多个提供电晕形成点的向上散开的尖顶，而该部件的串联阻抗防止假雷电引上线的出现及其造成的传播。
附图概述
下面将结合附图详细描述本发明，其中：
图1是用以确定一建造物上的通常的富兰克林避雷针的吸引半径的略图；
图2是类似于图1的略图，以ESE空中端来代替富兰克林避雷针；
图3是类似于图1和图2的略图，按照本发明，将ESE和DSE两种空中端安装就位；
图4是按照本发明一个实施例的DSE阵列的侧视图；
图5是适于安装在建造物护墙上的一DSE部件的透视图；
图6是另一种图5部件的透视图。
本发明的最佳实施方式
图1示出确定在建造物12上的通常的富兰克林避雷针10的吸引半径的一种布局。我们必须首先决定产生一个代表引发距离的半径D(雷击距离)的球面S1所需的防护程度。这一距离由在引下线上的电荷来设置。它是在开始建立引上线时由引下线的头部至地电势点(earth point)的距离。
引下线电荷也与接着发生的雷击的峰值放电电流相关。有许多研究者已对后者进行了测量，现在已能统计地对高于一给定的峰值电流以上所有放电作防护。例如，首次雷击放电中的93％超过10kA，它与约3库仑的引线电荷相关联。
然而，尽管富兰克林避雷针可能建立引上线并进行传播，对富兰克林避雷针10画一按比例的球面S1并不能保证避雷针不被雷击。竞争来自建造物上的其他点。可以画出一等概率L轨迹，其中富兰克林避雷针和其他的结构突出物具有同样的概率发起一引上线。现在参照澳大利亚标准AS1768-1991，在此等概率轨迹内部是收集体积V。这提供了防护半径RP，在图1中，该半径(RP1)没有延伸至建造物的所有部分，因而是不适当的。
在图2中，示出了ESE14的作用。图中我们看到包含了Δ1项，它是由ESE作用而得的距离优势。在通常情形下，从达到临界的电场强度的时刻到引上线实际升空和传播的时刻之间有一时延。减小这一时延可表示为增加引发距离。Δ1由ESE空中端14的时间优势乘以引上线的传播速度得出，以得到一距离优势。对于建筑物仍然保持引发距离D的常规点，没有Δ1。
Δ1的作用是把球面半径增加至代表引发距离的球面S2的半径。还要注意，其他的结构点未变，使上述作用更合适。因而防护半径RP要比图1中的防护半径增加(见图2中的RP2)。一ESE空中端在增加吸引能力方面的作用可由图2清楚地看出，收集体积增加，见图2中的IV。
在图3中，示出按照本发明的一种做法，其中外结构点16可以不具有引发距离D。点16设计得产生电晕并实际上延迟对引上线的引发。具体地说，对于外结构点提供DSE装置，这些装置适当加以配置，用以扩展防护区域，这在下面将会明白。这样，点16的引发距离将是D—Δ1。图3示出，这样的一延时藉进一步增加RP值而实际上增加了ESE空中端的俘获能力。这样，RP3(图3)比RP2(图2)和RP1(图1)都要大。
在本发明中，我们用电几何模型(electrogeometric model)来解释由ESE和DSE空中端的作用组合带来的好处，并揭示一具有DSE特征的空中端结构的设计。
在已经提到的4,760,213号美国专利中已经详细描述了ESE空中端，并将该专利的揭示包括在此作为参考。在这样一个ESE空中端中，预放电电晕的减少以及触发电弧的存在对早升空能力有贡献。这一能力也能在其他ESE装置中获得。
如所述，DSE概念与在4,760,213号美国专利中揭示的是相对立的。现在的目的是由设计寻找一些结构点，这些点可与ESE空中端相配套，并对这些点提供延迟产生引上线的装置。这些装置是多点金属***，该***设计得可在这些***的上方立刻产生空间电荷。本发明中采用的装置不是用来俘获放电而只是用来推迟引线的产生，从而俘获优先级由ESE空中端决定。其他类型的DSE装置也可用在本发明的***中。
图4示出按照本发明的多个部件18，用这些部件来延迟上引线引发，并符合本发明的***的DSE标准。
这些部件利用下述物理性质的组合：
1.有一系列产生充足的电晕/空间电荷的尖端。
2.有一允许***控制阻抗的绝缘块。
3.有一限制进入引线通道的电流，因而延迟引线形成和传播的串联阻抗。
在图4中示出了一多点布局的例，它适用于建造物上的长护胸墙。
每个部件18包括三个或更多个尖顶20，这些尖顶最好用不锈钢制作，每个尖顶有一尖锐的梢部。
梢部较佳的间隔约为250毫米，相邻部件18的梢部相隔约250毫米。
一绝缘部分22，包括一高釉陶瓷绝缘子，支撑着尖顶20。内电阻器24位于绝缘子22内，以限制引上线传播的电流。
用一块接地板26来支承部件18。板26由不锈钢制成，并采用螺栓28或其他固定装置将板固定在建造物12的护墙上。
图4组件的总长度最好约为2米，在板26上方的高度约500毫米。
图5和图6示出大体按照图4的两个DSE带。
图5示出装在护墙32上的一DSE带。图6示出另一种设计34，其内有一电阻24。
图4至图6的相当简单的部件以下述方式工作。当存在高电场时，由多个点组合起来以消除电晕电流。例如，如果阻抗是一串联电阻器，即使它的值在1兆欧的数量级，它也将不禁止这一动作。在电场为5千伏/米时，每个点可放出5微安，而如果有30个点，则总的排放量约为150微安。与在雷云与地之间出现的100兆伏相比，跨于1兆欧两端的电压降仅为150伏。因此电阻器对电晕的产生没有影响，而最终的空间电荷将由于渐近引下线而遮蔽观察到的电场。于是这一引下线将必须更逼近，以引发引上线。
如果一引下线确实逼近组件中的一个部件，就会试图用大于10安培的电流产生引上线。该引上线将需要接近100安的振荡电流以进行传播。在引发状态，需要10安培电流，例如用一个1兆欧的电阻器作阻抗将下跌10兆伏或总电势的10％。上述电阻器的作用是双重的。首先，空间电荷意味着引下线需要更逼近，以引发传播。其次，由于在串联阻抗中的大电压降而推迟了传播。
高电压实验室实验证实，高的源阻抗严格阻止引上线的引发和传播。因此，对具有ESE性能的邻近空中端，利用所得优势，可以使引上线的引发产生“延迟”。把上述DSE带(图4至图6)放在位于ESE空中端的防护半径之外的所有建造物顶部外缘上，从而如本说明书前面所述的那样扩展防护半径。
在本发明中，现有的ESE空中端的时间和传播性能的组合与为DSE设计的新装置相组合。这一组合将增强前者的吸引能力，并减小雷电旁路一次吸引器而击损远角和护墙的危险。还以确定整个雷电吸引***真实防护区域的方式，用两种空中端概念的时间优势和劣势，描述了一个电几何模型。

Claims (10)

1.一种用于建造物或场所，包括位于所述建造物或所述场所的ESE空中端的避雷***，其特征在于，至少有一个DSE部件位于所述建造物或所述场所上，与所述ESE空中端相距合适，由此扩展所述ESE空中端的防护半径。
2.如权利要求1所述的避雷***，其特征在于，多个DSE部件围绕一ESE空中端以适当的距离隔开，以促使发生在所述***附近的雷击击中所述ESE空中端。
3.如权利要求2所述的避雷***，其特征在于，所述ESE空中端与所述DSE部件是无源装置。
4.如权利要求3所述的避雷***，其特征在于，每个所述DSE部件包含多个电晕形成点和一个串联阻抗，以阻止雷电引上线的引发和其后的传播，一DSE部件内电晕形成点之间的间隔大体上相等，并且相邻部件和相邻点之间的间隔也大体上相等。
5.如权利要求4所述的避雷***，其特征在于，把所述DSE部件以相隔一定距离的方式安装在狭长的基座带或角形带上，以装在要避雷的建造物的护墙上，所述基座带构成一接地板。
6.一种避雷的方法，其特征在于，用一个或多个ESE空中端再与多个DSE部件加以适当组合，用把雷击引至所述一个或多个ESE空中端的办法来保护一建造物或场所。
7.一种用于建造物或场所的避雷***，其特征在于，把具有各自的正或负上引时间优势的多个无源避雷终端装置在所述建造物或场所处适当组合，以扩展一次收集器的吸引半径。
8.一种DSE部件，其特征在于，它包括多个向上散开的尖顶(这些尖顶提供电晕形成点)和一串联阻抗，以阻止雷电引上线的引发和其后的传播。
9.如权利要求8所述的DSE部件，其特征在于，所述尖顶在它们的顶端有尖锐的梢部，这些梢部大体上互相等距地配置，并安装在一绝缘子上，所述串联阻抗器容纳在绝缘子中，并与所述尖顶相连。
10.如权利要求9的一系列DSE部件构成的DSE装置，其特征在于，所述一系列部件按一定间隔固定在狭长的接地板上，由此每个部件的串联阻抗电气连接至所述接地板，而相邻部件的相邻尖顶的梢部之间的间隔大体上等于每个部件的相邻梢部之间的间隔。
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