一种利用趋肤效应和涡流在防雷领域的应用方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明是一种利用高频雷电流的趋肤效应和涡流原理在电力、电子、通信、交通、石化、风电等防雷、防雷接地、防止地电压反击等防雷领域应用的方法及装置，其特征在于有中心导体周边包裹导磁体组成一个导体，他们共同组成一个对雷电高频电流有阻碍、反射作用的防雷装置，而对直流和工频电源的电流可以正常通过，没有或影响很小，从而减小减弱雷电流进入后端保护设备，提高雷电防护效果，保证电力、电子(通信)网络的正常工作和设备维护人员的安全。
【专利说明】一种利用趋肤效应和涡流在防雷领域的应用方法和装置
所属【技术领域】
[0001](2)本发明属于防雷【技术领域】，是一种利用高频雷电流的趋肤效应又叫集肤效应和窝流原理，在电力、电子、通信、交通、石化、风电等防雷、防雷接地、防止地电压反击等防雷领域应用的方法及装置。
【背景技术】
[0002](3)雷电灾害被国际电工委员会(IEC)认为是“电子化时代的一大公害”，它每年带给全球十亿美元以上的损失。雷击发生时，雷击放电诱发雷击电磁脉冲过电压和过电流，经电源系统、信号传输通道、接地系统及建筑物直击雷防护系统，通过传导、感应的方式损坏各种电子设备及网络通信设备，造成损失巨大，直接威胁正常电力、电子、通信、交通、石化、风电等行业的安全生产。
[0003](4)目前传统和通用的设备雷电防护采取外部防雷和内部防雷结合综合防护的方法，外部防护采用避雷针、避雷带等，内部防护采用安装浪涌保护器(sro)、等电位连接、联合地网、接地、屏蔽、合理布线等。
[0004](5)在这些措施中通常会在电源侧安装浪涌保护器(SPD)泄放雷电流，在接地侧用防雷接地、保护接地、工作接地接入联合地网进行相应防护。
[0005](6)但这些措施只是减少了雷害的发生概率，在电力、电子、通信、交通、石化、风电等行业每年因为雷电而造成的灾害仍然很多，因雷电造成损失很大，对很多行业的安全生产造成很大的威胁，所以很多科研机构和人士目前仍在投入很大的精力和经费进行雷电的防护研究。
[0006](7)趋肤效应亦称为“集肤效应”。交变电流通过导体时，由于感应作用引起导体截面上电流分布不均匀，愈近导体表面电流密度越大，这种现象称“趋肤效应”，趋肤效应使导体的有效电阻增加，频率越高，趋肤效应越显著。当频率很高的电流通过导线时，可以认为电流只在导线表面上很薄的一层中流过，这等效于导线的截面减小，电阻增大。利用趋肤效应原理，在雷电防护之外的领域已经有很广泛的应用例如:利用趋肤效应原理，高频时导线的中心部分几乎没有电流通过，就可以把这中心部分除去以节约材料，在高频电路中可以采用空心导线代替实心导线。此外，为了削弱趋肤效应，在高频电路中也往往使用多股相互绝缘细导线编织成束来代替同样截面积的粗导线，这种多股线束称为辫线。在工业应用方面，利用趋肤效应可以对金属进行表面淬火。
[0007](8)我们经过长期研究，发明了一种利用高频电流的趋肤效应又叫集肤效应和窝流原理，在电力、电子、通信、交通、石化、风电等防雷、防雷接地、防止地电压反击等防雷领域应用的方法及装置，可有效的提高目前的防雷效果。
【发明内容】
[0008](9)本发明现有技术状况:目前传统和通用的设备雷电防护采取外部防雷和内部防雷相结合综合防护的方法，外部防护采用避雷针、避雷带等，内部防护采用安装浪涌保护器(sro)、等电位连接、联合地网、接地、屏蔽、合理布线等。在这些措施中通常会在电源侧安装浪涌保护器(SPD)泄放雷电流，在接地侧用防雷接地、保护接地、工作接地接入联合地网进行相应防护。
[0009](10)但这些措施只是减少了雷害的发生概率，在电力、电子、通信、交通、石化、风电等行业每年因为雷电而造成的灾害仍然很多，因雷电造成损失很大，对很多行业的安全生产造成很大的威胁，所以很多科研机构和人士目前仍在投入很大的精力和经费进行雷电的防护研究。
[0010](11)现有技术存在的技术问题:电源侧安装浪涌保护器(SPD)泄放雷电流，泄放的只是部分雷电流，仍会有较强雷电流通过电源系统进入系统和设备，损害用电设备，造成雷电灾害。防雷接地、保护接地、工作接地接入联合地网，目前防雷措施容易忽视或没有有效措施防止雷电时地电位反击造成设备损害，而雷电通过接地系统侵入设备，造成损害是目前雷灾的重要原因之一。
[0011](12)本专利的技术方案是:本发明属于防雷【技术领域】，是一种利用高频电流的趋肤效应又叫集肤效应和涡流原理，在电力、电子、通信设备防雷、防雷接地、防止地电压反击等防雷领域应用的方法及装置。
[0012](13)集肤效应又叫趋肤效应，当交变电流通过导体时，电流将集中在导体表面流过，这种现象叫集肤效应。原因是电流或电压以频率较高的电子在导体中传导时，会聚集于总导体表层，而非平均分布于整个导体的截面积中，频率越高，趋肤效用越显著。
[0013](14)这种显现原因是当导线流过交变电流时，在导线内部将产生与电流方向相反的电动势，由于导线中心较导线表面的磁链大，在导线中心处产生的电动势就比在导线表面附近处产生的电动势大。这样作用的结果，电流在表面流动，中心则无电流，这种由导线本身电流产生之磁场使导线电流在表面流动。
[0014](15)这种现象也可由通电铁磁性材料靠近未通电的铁磁性材料在未通电的铁磁性材料表面产生方向相反的磁场，有了磁场就会产生切割磁力线的电流这个电流就是所谓的涡旋电流，产生现象就是集肤效应。
[0015](16)同时，当交变电流通过导线时，电流密度在导线横截面上的分布是不均匀的，并随着电流变化频率的升高，电流将越来越集中于导线的表面附近，导线内部的电流却越来越小的现象称为趋肤效应。引起趋肤效应的原因就是涡流。
[0016](17)根据研究成果:雷电流能量频谱分布为高频，其能量主要集中在IOOHz?IOOKHz,占总能量的95%以上，其中IKHz以上频率段能量占了 76%，而工频附近O?IOOHz的能量只占2.3%左右。
[0017](18)根据以上雷电流的特点，我们发明出一种利用高频雷电电流的趋肤效应又叫集肤效应和窝流原理，在电力、电子、通信、设备防雷、防雷接地、防止地电压反击等防雷领域应用的方法及装置。
【专利附图】
【附图说明】
图1是本发明应用方法和装置实施例示意图。
图2是本发明在雷电防护领域的实施例的应用示意图。
[0018](19)本发明的实施方法是如图1，有中心导体(导体①)、周边包裹导磁体(导磁体②)组成一个导体，他们共同组成一个对雷电高频电流有阻碍、反射作用的防雷装置，而对直流和工频电源的电流可以正常通过，没有或影响很小。
[0019](20)本发明的方法和装置的原理分析如下。
[0020]当以直流信号加在导线上时，在导体内电子的运动，将以均匀的分布通过导体的截面积，当所加信号为一交流信号或雷电高频信号时，导线的每个电子，运动所产生的磁场的变化，因扩张与缩陷，都会影响被其包围在内的电子，产生一种自感应(sel-Dinduction)现象，在导体中心的磁通密度甚大，以致中心部份的电子运动，严重受阻，将会阻碍周围电子的运动，当信号频率增高时，对中心部份电流的阻力会增强，因而使中心部份的电流减少，而绝大部份的电子，都将沿导线肤表流动，是为集肤效应(skin-effect)，当信号频率高至IOOMHz以上时，在中心部份运动的电子甚少，可将导线的中心部份除去，而在传导效果上，亦不致会有显著的影响:由是可知，当信号频率升高时，导体的有效截面积会减少。且因导线的电阻与其截面积成反比，则电阻将因信号频率升高而增加，亦即集肤效应将使导线的电阻增加，是为交流电阻。我们采用导体周边包裹导磁体，采用特殊工艺，使导磁体和导体结合充分，这样大大增加和强化趋肤效应，使雷电流时获得更强的交流电阻。
[0021](21)在雷电流高频信号下由于集肤效应的影响，导线中的电流密度，自表面向其中心以指数模式下降，一般取其降至表面密度的38%之处的深度，称之为集肤厚度(skindepth)，以 d 表不。
[0022](22)我们将导磁体包裹导体制成的导体直径大於2d时，相对而言，则导线的中心部份，即图中导体①，已基本无传导雷电流功能，我们周围包括的导磁体②更会加强雷电流的这中趋肤现象，雷电流向导磁体的表面积聚通过，而此时通过雷电流的截面积瞬间急剧减小，同时产生极高的雷电流高频交流电阻，对雷电流起到阻碍和反射作用。
[0023](23)经过试验，采用本发明方法和装置，目前在实验室能够在IKHz?IOOKHz的频带上实现8dB?15dB的衰减；而在O?IOOHz频带中只有0.02dB?IdB的衰减。因此该发明可以实现只针对雷电流频段的阻碍和反射功能，而对工频和直流几乎没有影响。从而在电力、电子设备防雷、防雷接地、防止地电压反击等防雷领域应用，提高防雷效果，是一种新的方法和思路。
[0024](24)本发明带来的有益效果是:我们在雷电流入侵通道上串接入本发明装置，雷电流入侵瞬间本发明装置会对雷电流产生阻碍和反射功能，使雷电流通过其他通道泄放，比如通过前端并联浪涌保护器sro泄放到大地，减小减弱雷电流进入设备。提高雷电防护效果，保证电力、电子(通信)网络的正常工作和设备维护人员的安全。
[0025](25)下面结合附图和在雷电防护领域的实施例对本发明进一步说明:
[0026](26)如图2所示，在雷电入侵通路如设备电源端，先并联浪涌保护器1、联浪涌保护器2，浪涌保护器一端接电源，另一端接入地网；在浪涌保护器后串联接入本发明装置I和本发明装置2的一端，用户设备的电源接入本发明装置1、本发明装置2的另一端。
[0027](27)本实施例工作原理:当无雷电流等浪涌电流的正常工作状态下，本发明装置I的趋肤效应影响很小，交流阻抗值为零或影响很小，可以保证交流、直流正常给设备提供工作电源。当雷电流来临时，因为雷电流的高频性，本发明装置1、发明装置2的趋肤效应急剧增强，交流阻抗值瞬间变大，起到阻碍和反射雷电流的作用，使雷电流通过浪涌保护器1、联浪涌保护器2快速泄放到大地，减小减少雷电流流入后端设备I，从而实现增强对设备I的保护。
【权利要求】
1.本发明属于防雷【技术领域】，其特征是:利用高频电流的趋肤效应又叫集肤效应和窝流原理在防雷领域的应用，利用工频或直流电源的低频特性，产生趋肤效应小，从而交流阻抗低；雷电流高频特性，趋肤效应急剧增加，交流阻抗瞬间变大，从而对雷电流形成阻碍和反击。
2.根据权利I的要求，本发明装置的另一特征是:内部有中心导体，外部包裹导磁体，它们经过工艺处理，紧密结合。
3.根据权利I的要求，在保护接地、工作接地与联合接地网之间串联本发明装置，防止雷电时地电位反击。
4.根据权利I的要求，在雷电流通道包含电源雷电通道但不限于电源雷电通道串联本发明装置，防止雷电流窜入后端设备。
5.根据权利2的要求包含但不限于中心导体外部包裹导磁体的防雷装置。
6.根据权利I的要求，包含利用趋肤效应、集肤效应、涡电流原理在防雷领域的应用方法和装置。
【文档编号】H02H9/02GK103839635SQ201210486832
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月26日 优先权日:2012年11月26日
【发明者】周敬波 申请人:周敬波