防地闪回击保护装置制造方法
【专利摘要】防地闪回击保护装置，主要由金属球面电极1、阻抗变换器2、电荷储集板3、阻抗抑制器4、支柱法兰盘5组成；金属球面电极1设置在阻抗变换器2的上方，电荷储存板3设置在阻抗变换器2的下方，阻抗抑制器4设置在电荷储集板3的下方，法兰盘5设置在装置的最下端，与阻抗抑制器4的外壳紧固连接；本装置不会引起由高电位反击而造成的雷电灾害，对接地电阻要求不高，有效地减少了传统避雷针频繁引雷入地而产生的地电位反击、跨步电压等严重问题，减少了从电源线、信号线、天线上的感应雷，上行雷闪可减小绕击雷和侧击雷的概率。
【专利说明】防地闪回击保护装置
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电子电气设备领域，尤其涉及到一种直击雷防护装置。
技术背景
[0002]传统的富兰克林避雷针是一种引雷入地的装置，200多年来由于传统避雷针的普及应用，大大的减少了雷电对人、畜、物的直接伤害和破坏，但是随着近几十年微电子技术的快速发展，富兰克林避雷针在实际应用中显露出它的一些局限性:
[0003]1、富兰克林避雷针接闪时，强大的雷电流通过避雷针、引下线、接地装置泄放入大地，这将会使整个泄流通道上产生很高的电位，当进入建筑物的各种管线(水管、煤气管、电缆等)与泄流通道的距离达不到安全距离的要求时，泄流通道上的高电位会向附近的金属导体产生放电，引起由高电位反击而造成的雷电灾害。
[0004]2、富兰克林避雷针避雷针作为直击雷保护装置时，其接地电阻必须符合GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》的要求。高山岩石等地质环境非常恶劣的地区，土壤电阻率都很高，如需制作接地电阻符合规范要求的地网，往往投资非常巨大，接地电阻值却未必满意。在雷击时，由于接地电阻偏大造成的地电位反击损坏设备的现象非常严重。
[0005]3、雷电流泄放入地时，将会在地面产生很高的跨步电压，跨步电压将会对人、畜造成生命危害，严重时还可能毙命。
[0006]4、富兰克林避雷针在接闪入地的过程中，强大的雷电流(数十千安?上百千安)以极快的速度(微秒级)沿避雷针及引下线进入地中的过程中，会产生强大的雷电电磁脉冲(LEMP)，雷电电磁脉冲对微电子设备是致命的，会造成更多的感应雷击损坏微电子设备的事故，特别是微电子设备相对集中的地方(如计算机系统、无线通信系统、卫星及微波通信系统、广播电视系统，电子导航系统、雷达系统等等)，感应雷击对信息系统的安全构成极大的威胁。另外，强大的雷电电磁脉冲(LEMP)容易引起局部的放电,将使油库、液化气库、火药库等易燃、易爆场所发生起火甚至爆炸。
[0007]5、富兰克林避雷针保护范围不肯定，有绕击和侧击发生。世界不少研究雷电的专家对避雷针能向其临近建筑物提供多大的保护范围作了系统的研究，得出的结论是对一根垂直传统富兰克林避雷针无法获得一个十分肯定的安全保护区。避雷针在实际运行中的大量运行经验，也证明了避雷针保护范围所存在的问题。
[0008]由于传统富兰克林避雷针在防雷中存在以上局限性，所以传统避雷针特别不适合用来保护易燃、易爆环境及微电子设备等弱电系统设备，也不适合安装在高土壤电阻率的地区。
[0009]四、实用新型内容
[0010]发明目的:
[0011]本实用新型设计了一种防地闪回击保护装置，可与雷电的“梯级先导”相互作用，把被保护区域表面的感应电荷及时地发散到空气中，而在空气中的电荷具有均匀化的趋势，使得被保护物上方的电场强度和电流密度达不到击穿空气的数值，改变雷电的主放电渠道，有效防止在保护区域内产生地闪的“回击”，使保护区内不落直击雷。
[0012]技术方案:
[0013]防地闪回击保护装置，主要由金属球面电极、阻抗变换器、电荷储集板、阻抗抑制器、法兰盘组成；金属球面电极设置在阻抗变换器的上方，电荷储集板设置在阻抗变换器的下方，阻抗抑制器设置在电荷储集板的下方，法兰盘设置在装置的最下端，与阻抗抑制器的外壳紧固连接。
[0014]上述防地闪回击保护装置，所述金属球面电极、阻抗变换器、电荷储集板、阻抗抑制器、法兰盘相互之间通过螺杆、螺母固定连接。
[0015]上述防地闪回击保护装置，所述阻抗变换器是复合金属氧化物半导体器件。
[0016]上述防地闪回击保护装置，所述阻抗抑制器是电感线圈。
[0017]有益效果
[0018]本防地闪回击保护装置有以下有益效果:
[0019]①由于本防地闪回击保护装置不接闪，没有雷电流通过避雷针、引下线、接地装置泄放入大地，避雷针、引下线、接地装置上就不会产生高电位，也就不会引起由高电位反击而造成的雷电灾害。
[0020]②在高土壤电阻率地区，若制作接地电阻值符合GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》要求的地网非常困难时，由于本装置采用了用地电荷中和雷电下行先导的原理，接地的主要作用是为了向金属球面电极冲填地电荷，故本装置对接地电阻要求不高，接地电阻^ 10Ω即可，特殊情况可放宽到30 Ω。
[0021]③本装置可有效防地闪回击现象的发生，没有强大的雷电流(数十千安~上百千安)通过接地装置流入大地，只因金属球面电极上的电荷通过空气在电场的作用下向雷电先导溢出，电流仅为几百毫安至几百安培，因此有效地减少了传统避雷针频繁引雷入地而产生的地电位反击、跨步电压等严重问题。
[0022]④本装置有效地大幅度减少雷电对地面的闪击次数，相应的大大减少了从电源线、信号线、天线上的感应雷。
[0023]⑤本装置采用了用上行先导去中和雷电下行先导的原理，由于雷云下行先导的分布不是“密集”分布，下行先导被中和以后不大可能就近出现新的下行先导，故其保护角较传统避雷针大得多，可达到70°，冋时上彳丁雷闪可大大减小绕击雷和侧击雷的概率。
[0024]【专利附图】
【附图说明】:
[0025]图1是本实用新型的结构示意图，
[0026]图2是阻抗变换器非线性伏安特性曲线图，
[0027]图3是防地闪回击保护装置使用状态的电路结构示意图，
[0028]图4是雷云静电感应阶段、装载阶段、阻断阶段、放电阶段、结束阶段的放电示意图；
[0029]其中:1一金属球面电极，2—阻抗变换器，3—电荷储集板，4一阻抗抑制，5—法兰盘，6-金属球面电极的上球面，7-金属球面电极的下底面；I 一泄漏区间，II 一箝位工作区域，III 一饱和区域；Rb-阻抗变换器；Cl-金属球面电极与电荷储集板之间的电容；L1—阻抗抑制器的电感；R1—引下线的阻抗；R2—地网的接地电阻。【具体实施方式】
[0030]下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
[0031]实施例一:如图1所示，防地闪回击保护装置由金属球面电极1、阻抗变换器2、电荷储集板3、阻抗抑制器4、法兰盘5组成，金属球面电极I设置在阻抗变换器2的上方，电荷储集板3设置在阻抗变换器2的下方，阻抗抑制器4设置在电荷储存板3的下方，法兰盘5设置在装置的最下端，与阻抗抑制器的外壳紧固连接。
[0032]上述实施例中金属球面电极I的外表面包括金属球面电极的上球面6和金属球面电极的下底面7，使用时，金属球面电极的上球面6在上,金属球面电极的下底面7在下；金属球面电极的下底面7与电荷储集板3的上表面相对；
[0033]上述实施例中金属球面电极1、阻抗变换器2、电荷储集板3、阻抗抑制器4、法兰盘5之间可采用焊接、粘接或其它机械连接方式固定在一起，但为了安装、搬运、拆御方便，优选相互之间通过螺杆、螺母等紧固件固定连接。
[0034]金属球面电极1:由抗腐蚀铝合金材料制成，为下方大地电荷提供一个聚集、释放的区域，对其下方的被保护物起到一个保护伞的作用。
[0035]阻抗变换器2:在整个防直击雷的过程中起高速开关的作用，当雷电先导被金属球面电极吸引到其上方一定位置时，阻抗变换器快速由高阻状态变换为低阻状态，阻抗变换器下方的感应电荷迅速聚集在金属球面电极上，雷电先导与金属球面电极之间电场强度继续增大到接近击穿空气的临界值时，阻抗变换器迅速由低阻状态变换为高阻状态，并释放与雷电先导相反的电荷，中和雷电先导的异性电荷，有效地抑制地闪回击的发生。
[0036]电荷储集板3:选用不锈钢材料制成，当被保护物的上方形成雷云时，电荷储存板上将聚集与雷电先导极性相反的电荷，并与金属球面电极的下端共同构成电容的两级，为阻抗变换器工作状态转换集聚能量。电荷储集板也可以采用环状或网状结构，但与金属球面电极下端之间的电容值比电荷储集板的板状结构小，电荷的储集能力相对较弱。
[0037]阻抗抑制器4:是由电感线圈构成。任何防雷措施都有可能失灵，当金属球面电极和阻抗变换器失灵时，此时电荷储集板可作为临时接闪装置，阻抗抑制器可以有效抑制雷电流的幅值，降低雷电流上升沿的陡度，同时减小感应雷和高电位反击的强度，减小由于泄放雷电流而造成的破坏。
[0038]法兰盘5:由不锈钢材料制成，主要起支撑和固定的作用。
[0039]根据国际电工委员会防雷小组(TC-81)副组长RICK GUMLEY先生的资料和实验结果证明:①包围尖端的电晕电荷会抑制该处的电场进一步提高；②在雷电电场强度达到约
3.0X103kV/m时，接地点产生每秒> I亿个自由电子，接闪器才能启动雪崩过程(产生最强的向上迎面流注与下行先导流注通道汇合形成主放电。)；③为使向上迎面流注在启动后持续增长，接闪器与下行先导的空间电场强度必须> 200kV/m。
[0040]为了加强电场强度，研究了避雷针的结构外形，即研究结构外形与空间电场强度的关系。若空间电场强度为1，发现对于平坦表面为1:1，对于针尖为100:1?1000:1，为此提出最理想的接闪器形状应是介于平面与尖针之间，能力为15:1的近似球面。15:1意味当空间电场强度达到200 kV/m时，接闪器附近的电场强度约为3.0X IO3 kV/m。
[0041]本实用新型的金属球面电极I即为球型接闪器，安装在局部区域的最高点，接闪器在静态时，能尽量减少包围着接闪器球面的空间电荷，使接闪器球面表面电场相对平滑和电晕极小，以免影响雪崩启动时电场强度增长的延误，即向上迎面流注的发生时间，有效地把局部电荷密度减小到安全范围之内，干扰雷电先导继续向保护区发展，阻止雷电在该区域主放电通道的形成，防止在保护区内产生地闪的“回击”现象，可使目标遭受直接雷击的可能性大大降低。
[0042]本实用新型防地闪“回击”的技术理论分析:(如图3、图4所示)
[0043]雷电先导接近地面上的防地闪回击保护装置时，使电荷往金属球面电极I上聚集。雷电先导与大地之间的电场强度超过预定值时，阻抗变换器2在电场作用下变为导通状态，金属球面电极I通过接地线与大地导通，金属球面电极I上聚集大量与雷电先导极性相反的电荷，使得在被保护范围内雷电先导始终被金属球面电极I所吸引，雷电先导进一步接近金属球面电极I达到雷击距离时(离地约5?50m左右)，可形成很强的地面大气电场，使地面的正电荷向上运动，并产生从地面向上发展的正流光，这就是连接先导，连接先导大多发生于地面凸起物处。如果是传统富兰克林避雷针，“回击”(当雷电先导与连接先导汇合，形成一股明亮的光柱，沿着雷电先导所形成的电离通道由地面高速冲向云中，这称为回击。回击比雷电先导明亮得多，回击的传播速度也比雷电先导的速度快得多，平均为5.0X 107m/s左右，变化范围2.0X 107m/s?2.0 X 108m/s左右，回击通道的直径平均为几厘米，其变化范围为0.1?23cm，回击具有较强的放电电流，峰值电流强度可达IO4A量级，因而发出耀眼的光亮)就会发生，雷电先导就会演变成雷击。而此时，防地闪回击保护装置的阻抗变换器2在极短的时间内突变为高阻状态，金属球面电极I上的电荷通过空气在电场的作用下向雷电先导溢出，电流仅为几百毫安至几百安培，流过防地闪回击保护装置的阻抗变换器2的电流远远小于回击电流，金属球面电极I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，金属球面电极I与雷电先导又回到开始的状态，准备好对雷电的下一次干预。在这一循环过程中，防地闪回击保护装置有效地抑制了云地之间雷电的演变。
[0044]为了说明本实用新型工作的物理过程，设定下列符号及意义:
[0045]Ej:金属球面电极附近的电场强度；
[0046]Es:金属球面电极与电荷储集板之间的电场强度；
[0047]Ec:对应于阻抗变换器导通状态的电场强度；
[0048]Ecs:形成向上雷击所需要的电场强度临界值。
[0049]干预雷电先导演变发展为雷击的工作过程可以划分为五个阶段:如图4
[0050]第一阶段:雷云静电感应阶段。随着向下发展的雷电先导接近金属球面电极时，由于电场静电感应，可以在金属球面电极和阻抗变换器的电极上富集成符号相反的电荷。此时Es < Ec，阻抗变换器呈高阻状态，金属球面电极可以看成是对地的电隔离体。
[0051]第二阶段:装载电荷阶段。雷电先导进一步发展使Es > Ec (3kV?5kV/cm)，此时阻抗变换器导通成为导体，通过接地导线从地面向金属球面电极装载电荷。
[0052]第三阶段:阻断状态。随着雷电先导不断接近金属球面电极，在金属球面电极附近的电场进一步增加，电荷的注入使阻抗变换器两端的电场强度减弱，Es < Ec时，阻抗变换器变为高阻状态。此时，金属球面电极上电荷对其下面的物体起到“盾”的作用。
[0053]第四阶段:放电阶段。由于雷电先导始终在金属球面电极附近，金属球面电极附近的电场强度Ej继续增高，达到接近Ecs值时，在金属球面电极上方产生电晕放电。Ej继续增高，当Ej ^ Ecs时，如果使用的是传统避雷针，此时“回击”发生，雷电先导就演变成雷击。但是，由于阻抗变换器处于高阻状态，在其作用下，“回击”电流通路不畅通，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，抑制回击的发生。
[0054]第五阶段:结束阶段。该阶段是防护干预的最后阶段，此时雷电先导放电产生的电荷已经消除，但Es还会再次增高，防地闪回击保护装置又开始前述的工作循环。因此，防地闪回击保护装置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。
[0055]本实用新型主要设备结构材料
[0056]考虑到安装使用上的方便，本实用新型采用紧凑一体化设计。金属球面电极I设置在阻抗变换器2的上方，电荷储集板3设置在阻抗变换器2的下方，阻抗抑制器4设置在电荷储集板3的下方，法兰盘5设置在装置的最下端，并计划在引下线合理位置安装雷电计数器，便于对雷击情况进行智能监测。
[0057]上述实施例工作原理:
[0058]雷电先导接近地面上的防地闪回击保护装置时，使电荷往金属球面电极I上聚集。雷电先导与大地之间的电场强度超过预定值时，阻抗变换器2在电场作用下变为导通状态，金属球面电极I通过接地线与大地导通，金属球面电极I上聚集大量与雷电先导极性相反的电荷，使得在被保护范围内雷电先导始终被金属球面电极I所吸引，雷电先导进一步接近金属球面电极I达到雷击距离时(离地约5~50m左右)，可形成很强的地面大气电场，使地面的正电荷向上运动，并产生从地面向上发展的正流光，这就是连接先导，连接先导大多发生于地面凸起物处。如果是传统富兰克林避雷针，“回击”(当雷电先导与连接先导汇合，形成一股明亮的光柱，沿着雷电先导所形成的电离通道由地面高速冲向云中，这称为回击。回击比雷电先导明亮得多，回击的传播速度也比雷电先导的速度快得多，平均为5.0X 107m/s左右，变化范围2.0X 107m/s~2.0 X 108m/s左右，回击通道的直径平均为几厘米，其变化范围为0.1~23cm，回击具有较强的放电电流，峰值电流强度可达IO4A量级，因而发出耀眼的光亮)就会发生，雷电先导就会演变成雷击。而此时，防地闪回击保护装置的阻抗变换器2在极短的时间内突变为高阻状态，金属球面电极I上的电荷通过空气在电场的作用下向雷电先导溢出，电流仅为几百毫安至几百安培，流过防闪电回击保护装置的阻抗变换器2的电流远远小于回击电流，金属球面电极I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，金属球面电极I与雷电先导又回到开始的状态，准备好对雷电的下一次干预。在这一循环过程中，防地闪回击保护装置有效地抑制了云地之间雷电的演变。
[0059]主要技术参数
[0060]①标称电压:5kV
[0061]阻抗变换器在电场作用下出现IA电流时阻抗变换器两端的电压。
[0062]②标称放电电流:5kA
[0063]雷云对地的电场在金属球面电极和电荷储集板之间感应的电压在IOkV左右时阻抗变换器的放电电流，即开始向金属球面电极装载电荷的电流。
[0064]③最大放电电流:100kA [0065]允许通过阻抗变换器的最大脉冲(峰值)电流值。[0066]④能量吸收能力:15kJ/ kV
[0067]阻抗变换器通过电流时能够承受的电能。
[0068]⑤保护角:50°?70°
[0069]阻抗变换器工作原理:
[0070]阻抗变换器主要材料是以氧化锌为主的复合金属氧化物半导体元件，经过成型、高温烧结、表面处理等复杂工艺制成，是利用金属氧化物半导体材料的非线性伏安特性的一种电压敏感元件。当外加电压较低时，流过阻抗变换器的电流很小，阻抗变换器呈高阻状态；当外加电压达到或超过标称电压Uc时，阻抗变换器的阻值急剧下降并迅速导通，其工作电流会增加几个数量级，动作时间为纳秒级。
[0071]图2给出了阻抗变换器的伏安特性曲线，它是一条非线性曲线，在10_8?IO4 A的电流范围内大致可划分为三个区间。
[0072]图中所示区间1:区间I称为泄漏区间，在这个区间内，阻抗变换器中的电流很小，呈现出近似开路的高阻状态，对应于一个小于1.8 kV/cm的电场强度。
[0073]图中所示区间I1:区间II称为箝位工作区域，在这个区间内，在10_3?IO4 A的电流范围内十分平坦，阻抗变换器中的电流大，动态电阻很小，呈现出近似导通的低阻状态。
[0074]图中所示区间II1:区间III称为饱和区域，在这个区间内，阻抗变换器的伏安特性曲线从原来的箝位工作区域的平坦状态陡然上翘，动态电阻迅速增大，此时阻抗变换器的固有电阻开始起支配作用。
[0075]上述实施例的有益效果:本防地闪回击保护装置主要解决了富兰克林避雷针5个方面的不足:1、富兰克林避雷针接闪时，强大的雷电流通过避雷针、引下线、接地装置泄放入大地，这将会使整个泄流通道上产生很高的电位，当进入建筑物的各种管线(水管、煤气管、电缆等)与泄流通道的距离达不到安全距离的要求时，泄流通道上的高电位会向附近的金属导体产生放电，引起由高电位反击而造成的雷电灾害。2、富兰克林避雷针避雷针作为直击雷保护装置时，其接地电阻必须符合GB50057-2010《建筑物防雷设计规范》的要求。高山岩石等地质环境非常恶劣的地区，土壤电阻率都很高，如需制作接地电阻符合规范要求的地网，往往投资非常巨大，接地电阻值却未必满意。在雷击时，由于接地电阻偏大造成的地电位反击损坏设备的现象非常严重。3、雷电流泄放入地时，将会在地面产生很高的跨步电压，跨步电压将会对人、畜造成生命危害，严重时还可能毙命。4、富兰克林避雷针在接闪入地的过程中，强大的雷电流(数十千安?上百千安)以极快的速度(微秒级)沿避雷针及引下线进入地中的过程中，会产生强大的雷电电磁脉冲(LEMP)，雷电电磁脉冲对微电子设备是致命的，会造成更多的感应雷击损坏微电子设备的事故，特别是微电子设备相对集中的地方(如计算机系统、无线通信系统、卫星及微波通信系统、广播电视系统，电子导航系统、雷达系统等等)，感应雷击对信息系统设备的安全构成极大的威胁。另外，强大的雷电电磁脉冲(LEMP)容易引起局部的放电，将使油库、液化气库、火药库等易燃、易爆场所发生起火甚至爆炸。5、富兰克林避雷针保护范围不肯定，有绕击和侧击发生。世界不少研究雷电的专家对避雷针能向其临近建筑物提供多大的保护范围作了系统的研究，得出的结论是对一根垂直传统富兰克林避雷针无法获得一个十分肯定的安全保护区。避雷针在实际运行中的大量运行经验，也证明了避雷针保护范围所存在的问题。
【权利要求】
1.防地闪回击保护装置，其特征在于:主要由金属球面电极(I)、阻抗变换器(2)、电荷储集板(3)、阻抗抑制器(4)、法兰盘(5)组成；金属球面电极(I)设置在阻抗变换器(2)的上方，电荷储集板(3 )设置在阻抗变换器(2 )的下方，阻抗抑制器(4 )设置在电荷储集板(3 )的下方，法兰盘(5)设置在装置的最下端，与阻抗抑制器(4)的外壳紧固连接。
2.根据权利要求1所述的防地闪回击保护装置，其特征在于:所述金属球面电极(I)、阻抗变换器(2)、电荷储集板(3)、阻抗抑制器(4)、法兰盘(5)相互之间通过螺杆、螺母固定连接。
3.根据权利要求1所述的防地闪回击保护装置，其特征在于:所述阻抗变换器(2)是复合金属氧化物半导体器件。
4.根据权利要求1所述的防地闪回击保护装置，其特征在于:所述阻抗抑制器(4)是电感线圈。
【文档编号】H01T19/00GK203722054SQ201420092915
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年3月3日 优先权日:2014年3月3日
【发明者】孙建中, 郑军, 都明, 罗勇, 熊书军, 孙勇 申请人:四川省奥凌通信工程有限责任公司