CN2938340Y - 防闪电回闪保护装置 - Google Patents

Abstract

一种防闪电回闪保护装置，它涉及一种防雷装置。本实用新型它由金属大气电极(1)、专用变阻抑制器(2)、静电屏蔽环(3)、支柱(4)组成，金属大气电极(1)设置在专用变阻抑制器(2)的上方，静电屏蔽环(3)设置在专用变阻抑制器(2)的下方，支柱(4)将金属大气电极(1)、专用变阻抑制器(2)、静电屏蔽环(3)贯穿固定在一起。本实用新型主要解决了当前避雷装置存在的一些问题。

Description

防闪电回闪保护装置

技术领域：

本实用新型涉及一种防雷装置。

背景技术：

自古以来，雷电灾害一直存在，据有关研究统计，地球上任何时刻平均有2000多个雷暴发生，平均每秒有100次闪电。200多年前，美国科学家富兰克林发明避雷针以后，建筑物等设施已得到了一定的保护，人们认为可以防止雷害，对防雷问题有所松懈。避雷针沿用至今，其结构是由接闪器、引下线和接地体组成，它的作用是由接闪器拦截闪电并通过引下线和接地体将雷电流疏散到大地，

富兰克林发明避雷针时电的知识还仅限于静电学，人类尚未应用电，避雷针和避雷线、避雷带一样只用于保护建筑，避雷针实质上是引雷针，它只能代替比它矮的被保护目标遭受雷击，因此，为使其在遭受雷击时不引起反击，必须使他们的接地电阻降到合格的数值，否则就达不到预定的保护目的。

20世纪电话与电力的发展引发了新的雷灾，防雷技术得到重视并有了长足发展。七十年代国外开始采用新的防雷技术，这种技术不是被动的引雷，而是主动的去消雷，其产品叫“消雷器”八十年代后期我国也开始大量采用此项技术，由此引发了“消雷”与“引雷”两派专家学术观点的讨论。最终以消雷器在理论上还不完善，在实践中又频频失误而被否定。

近年来国内市场上出现一种主动式提前放电避雷针的产品，据称这种产品能在雷云状态下产生尖端放电，使避雷针上方形成一条人工的向上的雷电先导，这样，一方面可以使雷云向该避雷针放电的几率增加，相当于增高了避雷针和加大了保护半径；另一方面由于人工先导放电提前发生，使未成熟的雷云提前放电，这样使雷闪的强度减弱了。但它还是摆脱不了引雷的概念。

21世纪已进入信息社会，闪电的脉冲电磁场对微电子器件的祸害已升到第一位，除了原来建筑业和电力***需要防雷外，现在邮电通讯、石油化工、航空航天等许多部门也迫切感到需要防雷保护了。原先的避雷针已无法保护建筑物、人和电器设备的安全。原先许多从来不发生雷电灾害的行业和部门也频频受害。这些雷害是人们意料不到的。

80年代以后，雷灾出现的这些新特点，主要是因为一些高大建筑的兴起，如高层智能大厦、天线塔等都会吸引落雷，从而使本身所在建筑及附近建筑遭到破坏。增设的各种架空长导线引雷入室，使避雷装置失去作用。随着微电子技术高度发展及广泛应用到各个领域，使雷害对象也发生了转移，从对建筑物本身的损害转移到对室内的电器、电子设备的损害，以至发生人身伤亡事故。

发明内容：

本实用新型设计了一种防闪电回闪保护装置，它解决了现有避雷装置的很多问题。本实用新型由金属大气电极1、专用变阻抑制器2、静电屏蔽环3、支柱4组成，金属大气电极1设置在专用变阻抑制器2的上方，静电屏蔽环3设置在专用变阻抑制器2的下方，支柱4将金属大气电极1、专用变阻抑制器2、静电屏蔽环3贯穿固定在一起。本实用新型解决现有避雷装置的不足，主要解决避雷针4个方面的不足。1、国家建筑物防雷设计规范(GB50057-94)第二章中将建筑物的防雷标准划分为三类，其中第一类防雷建筑物的防直击雷措施是要求架设独立避雷针或架空避雷线，但在实际应用中，独立避雷针很难做到真正的独立，因为进入建筑物的各种管线(水管、电缆等)，很可能会从避雷针的接地装置附近穿过，所以当避雷针落雷时，高电位会向附近的金属物体产生反击，随后将雷电引入建筑物内，引起雷电灾害。2、依靠避雷针防直击雷时必须有合格的接地电阻，当高山台站或土壤电阻率非常恶劣的地区做接地装置时，要想达到合格的接地电阻，往往投资非常巨大，而接地效果未必满意，在雷击时由于接地电阻不合格造成的地电位反击现象非常严重。3、可移动目标如指挥车、通讯车、雷达车、导弹车等由于是在运动中，无法很好接地，即使常规避雷针也无法安装，如果安装简易避雷针而接地电阻又不合格，无异于引雷后产生高电压，对人对设备都会造成伤害。4、雷击建筑物的避雷针后，会在避雷针引下线周围产生很强的电磁场，该磁场对邻近的金属导线产生磁感应而损坏设备。雷电流泄入大地的接地装置时，也会使地电位升高，对附近的金属管线或分置的接地装置形成反击，使与这些分置的接地装置连接的设备损坏。其跨步电压还可以致人毙命。

附图说明：

图1是本实用新型的结构示意图，图2是应用电场和电流密度的比例示意图，图3本实用新型的电路结构示意图，图4是电荷积累阶段、装载电荷阶段、阻断阶段、放电阶段、结束阶段的放电示意图。

具体实施方式：

如图1-4所示，本具体实施方式由金属大气电极1、专用变阻抑制器2、静电屏蔽环3、支柱4组成，金属大气电极1设置在专用变阻抑制器2的上方，静电屏蔽环3设置在专用变阻抑制器2的下方，支柱4将金属大气电极1、专用变阻抑制器2、静电屏蔽环3贯穿固定在一起。金属大气电极1由高质量铝合金材料制成，为下方电荷提供一个聚集释放区域，对处于其下方的被保护物起到一个盾牌的作用。专用变阻抑制器2在整个***中起快速开关作用，当雷电感应到金属大气电极上时，变阻抑制器导通，感应电荷聚集在金属大气电极上，雷电先导与金属大气电极间的电场接近击穿空气电阻临界值时，变阻抑制器迅速阻断并释放电荷，有效抑制回闪发生。静电屏蔽环3选用抗腐蚀不锈钢材料制成。当雷云靠近被保护物时，在金属大气电极和被保护物之间起屏蔽作用。支柱4金属大气电极、专用变阻抑制器、静电屏蔽环等部件由支柱连为一个统一的整体，支柱选用抗腐蚀不锈钢材料制成。本具体实施方式解决现有避雷装置的不足，主要解决避雷针4个方面的不足。1、国家建筑物防雷设计规范(GB50057-94)第二章中将建筑物的防雷标准划分为三类，其中第一类防雷建筑物的防直击雷措施是要求架设独立避雷针或架空避雷线，但在实际应用中，独立避雷针很难做到真正的独立，因为进入建筑物的各种管线(水管、电缆等)，很可能会从避雷针的接地装置附近穿过，所以当避雷针落雷时，高电位会向附近的金属物体产生反击，随后将雷电引入建筑物内，引起雷电灾害。2、依靠避雷针防直击雷时必须有合格的接地电阻，当高山台站或土壤电阻率非常恶劣的地区做接地装置时，要想达到合格的接地电阻，往往投资非常巨大，而接地效果未必满意，在雷击时由于接地电阻不合格造成的地电位反击现象非常严重。3、可移动目标如指挥车、通讯车、雷达车、导弹车等由于是在运动中，无法很好接地，即使常规避雷针也无法安装，如果安装简易避雷针而接地电阻又不合格，无异于引雷后产生高电压，对人对设备都会造成伤害。4、雷击建筑物的避雷针后，会在避雷针引下线周围产生很强的电磁场，该磁场对邻近的金属导线产生磁感应而损坏设备。雷电流泄入大地的接地装置时，也会使地电位升高，对附近的金属管线或分置的接地装置形成反击，使与这些分置的接地装置连接的设备损坏。其跨步电压还可以致人毙命。

工作原理：

本具体实施方式的主要技术参数

a)标称电压：5KV

变阻抑制器在电场作用下开始出现约1A电流时的电压。

b)标称放电电流：5KA

雷云对地的电场在大气金属电极和静电屏蔽环之间感应的电压在10KV左右时变阻抑制器的放电电流，即开始向大气金属电极装载电荷的电流。

c)最大放电电流：65KA

变阻抑制器向大气金属电极装载电荷的最大通流能力。

d)能量吸收能力：15KJ/KV

这是变阻抑制器通过电流时的允许电能，以每KV的KJ来表示。

e)保护角50°-70°

专用变阻抑制器工作原理：

CPD雷击保护器所使用的变阻抑制器具有内在的、强烈的非线性V/I特性，这一特性使得制造无电火花间隙的避雷产品成为可能。这种变阻抑制器是由高导电性能的氧化锌材料并掺杂其它金属材料制成，嵌入在一个由坚固的颗粒状材料做成的模子里。通过复杂的工艺过程，最后与金属电极联接在一起。

变阻抑制器特性曲线可划分成三个工作区.

如图2：图中所示A：第一个工作区在0.01mA/mm²电流密度的左边，变阻器处于阻断状态，对应于一个小于1.8Kv/cm的应用电场。

图中所示B：第二个工作区在曲线的中央区域，近于水平线，显示出随着小的电场变化就会引起电流密度的快速增加，在这一区域，通过颗粒层起到了变阻器的作用。

图中所示C：第三个工作区位于超过10A/mm²电流密度的区域，实际上重新产生一个线性电阻的性能。

防地电位回闪设备原理：

法国电力公司的雷纳第实验室发现，如果在长空气间隙中的高压电极下方放置一个大的金属球体，则先导放电经常绕开金属球而对地放电。球形物体有均匀电场的作用，雷击是空气中的电击穿，电场强度是空气能否被击穿的主要量度。因此雷击危险性大小用电场强度的数值来表征。起始于地面物体的上行先导或下行先导到达雷击高度后地面物体的上迎先导都是起始于那些电场强度最强，首先达到击穿空气的数值的物体表面。导体表面电场强度正比于导体表面的电荷面密度，因此表面电荷面密度也就能表征雷击危险性的大小。避雷针针尖面积小、电荷密度高、电场强度大所以容易遭雷击。

如果使用一种球形装置，安装在局部区域内的最高点，在与雷电的先导的相互作用下，把局部电荷面密度削弱到安全范围之内，干扰雷电先导向保护区内延伸，阻止雷电在该区域主放电渠道的形成，有效的防止在保护区内形成闪电的“回闪”现象，就可使目标遭雷击的危险性降低。

避雷技术理论分析(如图3)

当雷云与地面之间的电场强度达到能够克服空气的阻抗时就会形成一个向下的雷电先导。雷电先导接近地面上的CPD保护器时，在云层和地面之间产生电场，使电荷在金属大气电极上聚集。雷电先导与大地之间电场强度超过预定值时，变阻抑制器在电场作用下变为导通状态，CPD的电极通过接地线与地导通，金属大气电极上集聚大量与雷电先导极性相反的电荷，使得在被保护范围内雷云电场的电力线始终指向金属大气电极，雷电先导进一步接近金属大气电极达到雷击距时，其间空气将被击穿(如果换成避雷针，“反击”就会发生，雷电先导演变成雷击)，变阻抑制器在极短的时间内突变为高阻状态，金属大气电极上的电荷通过空气在电场的作用下向雷电先导溢出，电流为几百毫安至几百安培，流过变阻抑制器的电流远远小于雷电脉冲电流，金属大气电极与雷云间的电场强度降低，有效阻止雷电先导的前进和发展，避免形成回击。经过以上过程后，金属大气电极与雷电先导又回到开始时的状态，准备好对雷电的下一次干预。在这一循环过程中CPD有效地抑制了雷击的演变。

图中：A＝电荷集聚区

Rzno＝ZNO电阻

Rx＝具有强烈非线性特性的变阻器

Cs＝相当于Rx同等容量的避雷器

Rt，Lt＝引下线的阻抗和感抗

Zt＝接地电阻

B＝屏蔽环

为了说明本装置工作的物理原理，设定下列符号及意义：

Ke：电极附近的电场强度

Ks：变阻抑制器两个极间的电场强度。

Kc：对应于变阻抑制器导通状态的电场值。

Kcs：形成向上雷击所需要的电场临界值。

干预雷电先导演变为雷击的过程可划分为以下五个阶段：(如图4)

图4所示A为——A阶段：电荷积累阶段。

随着向下发展的雷电先导接近金属大气电极时，由于电场静电感应，可以在金属大气电极和变阻抑制器金属电极上富集成符号相反的电荷。此时Ks＜Kc，变阻抑制器呈高阻状态，金属大气电极可以看成是对地的电隔离体。

图4所示B为——B阶段：装载电荷阶段。

雷电先导进一步发展使Ks＞Kc(3Kv/cm-5Kv/cm)，变组抑制器成为导体，通过接地导线从地面向金属大气电极装载电荷，此时，电极上的电荷全是正电荷。

图4所示C为——C阶段：阻断状态。

随着雷电先导不断接近金属大气电极，在其附近的电场进一步增加，电荷的注入使变阻抑制器两端电场减弱，当Ks＜Kc时，变阻抑制器变成高阻状态。此时，电极上的电荷对其下面的物体起到“盾”的作用。

图4所示D为——D阶段：放电状态。

由于雷电先导始终在电极附近，电场强度Ke继续增高，达到接近

Kcs值时，在金属大气电极上方产生电晕放电。Ke进一步增加，当Ke≥Kcs时，如果使用的是避雷针，此时“反击”发生，雷电先导就演变成了雷击。但由于变阻抑制器处于高阻状态，在其作用下“反击”电流通路不畅，只有小量的上升电子流形成，这种放电面向雷电先导下行的方向，其符号与雷电先导的符号相反，与雷电流发生中和作用，抑制反击的发生。

图4所示E为——E阶段：结束阶段。

它是防护干预的最后阶段，此时雷电先导放电产生的电荷已消除，Ks值还要增高，又开始前述的工作循环。

CPD在每一次防护干预后又回复到原有的状态，准备好下一次干预。当移动到雷电先导下降放电区的电荷量不足封锁朝着被防护区域前进的雷电先导时，这种反复干预的特性十分重要。

使用金属大气电极可在电晕和上升电流形成之前积存相当数量的电荷。金属电极附近电场的提高是由于感应电荷密度的变化引起的。由于高电场区域宽，离开电极的电荷可使保护区内的电场在一个安全范围内。主要设备结构材料

考虑到安装使用上的方便，CPD产品采用整体小型一体化设计。上部为金属大气电极，中间为内置的专用变阻器、下部为连在一体的金属屏蔽环与支撑杆，并计划在方便观测的位置安装雷电计数器，便于观测保护器的使用效果。

变阻抑制器

专用变阻抑制器是CPD的核心部件，依据GB11032-2000和IEC标准之规定，要求变阻器具有优秀的非线性特性，在正常电压下泄漏电流小于1毫安。当电场强度增大，电压升高时，通过变阻器的电流迅速升高进而限制变阻器两端电压升高，当电压降低时，变阻器马上恢复到正常不导电状态。

CPD所用变阻抑制器对正、负电场都具有相同的特性曲线，稳定性极高，几乎没有滞后现象；能快速、高效地耗散由焦耳作用产生的能量。

金属大气电极

金属大气电极在设计为半椭圆形状，要求其表面光滑并要达到最大的曲率半径，以实现富集最大电荷量和均匀电场的作用，同时要考虑金属大气电极的抗风性能和抗腐蚀性能。由高质量铝合金材料制作的金属大气电极，可以易于实现加工，而且有重量轻、抗腐蚀性能高等特点。

静电屏蔽环

任何防雷措施都有可能失误，静电屏蔽环是考虑在整体装置防雷失误的情况下，当有强雷电波冲击时，由于内部反应不及时或损坏，高电压会立即导致外部开始发生闪络，使雷电流不经变阻器而从击穿电弧通路入地，从而释放了内部压力，当然，这不是我们所希望的。

静电屏蔽环是由不锈钢材料制作的圆环，他的直径同金属大气电极相等，与支撑杆连为一个整体。

Claims (1)

1、一种防闪电回闪保护装置，其特征在于它由金属大气电极(1)、专用变阻抑制器(2)、静电屏蔽环(3)、支柱(4)组成，金属大气电极(1)设置在专用变阻抑制器(2)的上方，静电屏蔽环(3)设置在专用变阻抑制器(2)的下方，支柱(4)将金属大气电极(1)、专用变阻抑制器(2)、静电屏蔽环(3)贯穿固定在一起。