CN100474724C - 使空气加速电离的避雷器 - Google Patents

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Abstract

一种使其尖端周围的空气加速电离的避雷器，由主电离电极组成，所述主电离电极通过高压线圈和磁电机与接地电极相串联，其特征在于，高压线圈(4)处于金属加强电极(3)中，金属加强电极(3)的插入顶面与主电离电极(1)的尖端(2)相连，但在加强电极(3)与高压线圈(4)之间的空隙填充以固态电介质(9)。加强电极(3)由金属制成，优选由钢板制成，或采用金属涂层的形式制成。

Description

使空气加速电离的避雷器
技术领域
本发明涉及使空气加速电离的避雷器，用于保护建筑物结构免受大气放电的破坏。
背景技术
在某些大气条件下，充斥有指向地面的负电荷的云层可能会聚集起来。一旦这样的电荷聚集得非常多，且电场强度超过一定阈值，则会发生完全放电，或飞弧(flashover)。最初的飞弧会致使在10-20米的路径上的空气原子电离，随后的飞弧会电离更多原子，并导致雪崩式电离，飞弧一旦到达地面，就会出现突然放电，地面中所聚集的正电荷流涌向负电荷云层。
各种设计的避雷器用于引导放电，并控制从云层到地面的电荷流。
最简单的设计是大家共知的富兰克林避雷器，它由一根与地面连接且一端尖锐的金属棒构成。设置在强电场中的棒的尖端可导致其周围空间中的空气电离。其工作原理在于构成两个用于传导所生成离子的两个通道，即，从云层到地面的负电荷通道，和具有一定延迟的从避雷器尖端到云层的正电荷通道，然而，它们符合得越好，避雷器的效率就越高。此外还发现，在避雷器的尖端周围发生电离以开始生成导向云层的第二通道的速度越快，则避雷器的效率就越高，然而，已知有多种方法用来提高这种效率。
其中一种方法在于通过辐射源进行空气电离以在避雷器尖端周围生成自由电荷。该解决方案的缺点在于，当被雷击时，辐射元件会被劈开，从而致使大气遭受辐射污染。
另一用于加速空气电离的已知方法在于利用与地连接的压电元件进行空气电离，避雷针和附加电线配备有该压电元件。这种避雷器的工作原理在于，在避雷针对压电元件施加压力的效应下，将风力导致的避雷针的机械运动转换成使空气电离的高压脉冲。然而，这种避雷器只在有风时才能起作用。
另一已知方法利用避雷器尖端周围的电脉冲实现加速空气电离，其中，通过电容和电子系统使避雷器尖端与地面绝缘。在此方法中，在暴风雨期间，对避雷器尖端充电，所收集的电荷存储在电子系统的电容中，然后被转化成使该尖端电势升高的高压脉冲，从而加速其周围空气的电离，当被雷击时，在电容电极之间发生放电。该类型的避雷器具有这样的缺点，即，电容电极并不与金属元件连接，因此，一旦电子系统受到损坏，该避雷器将会彻底失效。
另一已知方法是，通过处在尖端下方的附加的两个电极加速主避雷器周围的空气电离，其中，电极和尖端通过包含有集电电极(collecting electrode)的电子系统接地。这些电极收集电荷，收集的电荷由电子系统转化成提供给侧电极的高压，从而导致在主电极尖端附近发生空气电离。在该方法中，通过在主电极下方的侧电极发生空气电离，从而限制了该避雷器的效率。
根据EP0402552的描述，还已知一种使得其尖端周围的空气电离的避雷器，该避雷器包括通过高压线圈与接地电极串联的电离电极。
还可通过应用根据波兰专利申请P-332387的避雷器实现加速空气电离，并同时保护主电极尖端免受损坏，该专利申请的避雷器包括设置有放电电极的主电离电极，放电电极通过线圈和磁电机与地串联，且其中至少一个集电电极直接与地连接。在该避雷器中，集电电极与放电电极相对设置并与之接近，而磁电机(magneto)由尖端和与该尖端相对设置的扁平电极组成。在该解决方案中，由向下朝向地面的带电云层或大气放电导致的电场在避雷器尖端集中，该尖端起到电场的集电电极的作用，然后，电势转移到磁电机的尖端上，从而致使该尖端与扁平电极之间的电离，进而导致在主电离电极尖端电势的升高，并致使在该尖端周围的空气电离。
经发现，由于所生成的离子是伴随有空气电击穿的雪崩式反应的源头，因而，避雷器的功效主要取决于电离电流的大小，即，始于其主电极处的流动电荷。
发明内容
本发明的目的在于，开发一种简单可靠的避雷器设计，该避雷器能够使其尖端周围的空气加速电离，并同时明显提高其功效。
本发明的避雷器设计方法的关键在于，其高压线圈处在金属加强电极中，该电极的顶面插接主电离电极的尖端并与之串联，而线圈与加强电极之间的空隙填充以固态电介质，固态电介质优选采用聚氨基甲酸乙酯树脂，加强电极的直径等于高压线圈直径的1.3至5.0倍。加强电极优选由金属，特别是钢板制成。此外，加强电极优选以金属涂层的形式制成。还优选是，加强电极的直径在20mm与100mm之间，最好为50mm，其长度在50mm与1000mm之间，最好为350mm，其厚度在0.2mm与50mm之间，最好为2mm。
展开的自下至上电离空气路径削弱了其强度，从而创造了在向下的雷击的前端/大气放电之间更易击穿的可能。进而，强压力起到了阻碍骤加电流浪涌的作用，使雷击从外部电极向接地电极放电，因而避免避雷器中心受到损害，从而，保护具有磁电机的线圈免受损害。
附图说明
下面，将结合附图，通过其实施例，更详细的描述本发明的目的，其中：
图1表示使空气加速电离的避雷器的示意图；和
图2表示根据该避雷器的修改实施例的示意图。
具体实施方式
如图1所示，使空气加速电离的避雷器由主电离电极1组成，主电离电极1设有尖端2，其通过加强电极3与高压线圈4和磁电机5的尖端串联，磁电机5的尖端与其扁平电极6相对设置，扁平电极6通过外部电极7与接地电极8相连，而外部电极7的顶部元件与主电离电极1相对设置，并且在主电离电极1，外部电极7，接地电极8之间的空隙，以及在加强电极3的内部，填充以固态电介质9，固态电介质9优选采用聚氨基甲酸乙酯树脂。加强电极3由通过喷涂镀在塑胶管10上的薄金属涂层构成，从主电离电极1侧插入，具有底塞11，以及其出口处于磁电机5上方。加强电极3长度为100mm，直径为50mm。具有0.2mm厚的金属涂层，该涂层是通过在塑胶管10上进行喷涂而镀上的，不过，在本发明的其他实施例中，可应用长度为50mm和500mm，直径为20mm和100mm的加强电极。
在本发明的第二实施例中，如图2所示，避雷器由空气电离尖端2组成，空气电离尖端2通过管状加强电极3与高压线圈4和磁电机的尖端5串联，磁电机的尖端5与其扁平电极6相对设置，扁平电极6与接地电极8相连，而扁平电极6处在管状加强电极3的出口附近。在此情形中，加强电极3由厚度为2mm，长度为350mm且直径为75mm的金属管(将其于一端处插入)制成，不过，在本发明的其他实施例中可应用厚度为1.0mm，长度为100mm，直径为25mm，或厚度为5mm，长度为500mm，直径为75mm，或厚度为50mm，长度为1000mm，直径为100mm的加强电极。
加强电极3的应用能够收集更多由大气放电电场所感应出的电荷，在该电极与高压线圈之间产生分布(scattered)电容系统，用于向离子生成系统提供电流，即，电离电流。
通过尝试与检验的方法可确定加强电极3的最佳尺寸，同时发现增大电极直径会导致所收集的电荷增多，同时增大高压线圈4与加强电极3之间的距离会使电容减小，而增大线圈的直径会使其效率减小。
因此，当加强电极3的直径等于1.3至5.0倍高压线圈4的直径时，构成最佳条件。在线圈直径在30mm处，加强电极3的最佳直径为50mm。进而，如果要增加风阻力，则加强电极3的最佳长度应为350mm。
在如图1所示避雷器实施例中，由于高压线圈4的电势自始至终与加强电极3的电势相同，直流电流的存在并不明显，在线圈中电流衰减的情形中电压沿其长度一直减小，在线圈的外部线圈部分与加强电极3之间最终出现电势差。然后，按照谐波高频电流瞬时现象的形式，出现分布电容电容器的放电，即，按照在高压线圈4中以附加电流的形式提供电能。
从而，跟着发生的新的、高压、谐波高频电流瞬态现象是附加过电压的生成器，该附加过电压增大了主电离电极1的尖端2周围的电离。
通过该解决方案，可获得高出数倍的电离电流，从而使避雷器效率提高近两倍。
进而，在如图2所示的避雷器实施例中，使用加强电极用于向等效于如图1实施例所示外部电极7的接地电极8传输放电电流。对此情形，与第一实施例中可仅使用薄金属涂层的电极相比，就要求加强电极3由更厚的金属制成。

Claims (13)

1、一种使其尖端周围的空气加速电离的避雷器，包括主电离电极，所述主电离电极通过高压线圈和磁电机与接地电极相串联，其特征在于，所述高压线圈(4)处于金属加强电极(3)中，金属加强电极(3)的被插接的上表面与主电离电极(1)的尖端(2)相连。
2、根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，所述加强电极(3)与高压线圈(4)之间的空隙以固态电介质(9)填充。
3、根据权利要求2所述的避雷器，其特征在于，所述固态电介质为聚氨基甲酸乙酯树脂。
4、根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，所述加强电极(3)的直径等于所述高压线圈(4)的直径的1.3至5.0倍。
5、根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，所述加强电极(3)由金属制成。
6、根据权利要求5所述的避雷器，其特征在于，所述加强电极(3)由钢板制成。
7、根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，所述加强电极(3)以镀金属的涂层的形式制成。
8、根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，所述加强电极(3)的直径在20mm与100mm之间。
9、根据权利要求8所述的避雷器，其特征在于，所述加强电极(3)的直径为50mm。
10、根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，所述加强电极(3)的长度在50mm与1000mm之间。
11、根据权利要求10所述的避雷器，其特征在于，所述加强电极(3)的长度为350mm。
12、根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于，所述加强电极(3)的厚度在0.2mm与50mm之间。
13、根据权利要求12所述的避雷器，其特征在于，所述加强电极(3)的厚度为2mm。
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