CN1006432B - 一种断续式脉冲电晕放电避雷针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电晕放电避雷针，它由一个与地绝缘的尖头，和一个通过放电装置接地的底面组成。该避雷针适合于电离它的尖头周围的大气。该装置是用来周期性的减少尖头的电位至低于维持电晕放电的数值，因此产生了周期性的和断续的电晕放电脉冲。尖头最好连接在电位发生器装置上，这样加在尖头上的电位(V₀)是一个重复波列形式的可变电位。

Description

本发明涉及一种电晕放电避雷针

在欧洲公开的专利说明书EP-A-0，060，756描述了这种类型的避雷针，它包括一个与地绝缘的尖头，其尖头的底面通过放电装置与地相连接。该尖头还与直流正电压发生器相连接，以产生一个足够高的电压，使在尖头末端的周围大气电离（电晕放电）。

用这种方法在尖头的末端处形成电离的空气等离子区域，它具有比周围空气高得多的电导性，促使向避雷针进行快速放电，因此提高了它的效率和作用半径。

但是，在避雷针尖头附近的导电性的增加具有局部减低电场的作用，因此它抑止了已升高到正电位的尖头的电晕放电的刷形放电特性的形成，而刷形放电可以构成一个改善避雷针的效率的合适的电极。

此外，上面描述的装置只能在具有带负电荷的（负型雷）的情况下工作，在欧洲国家90%是相应于这种情况的，假如不计及山区，还能更多些。

本发明的避雷针减轻了上述的缺点，因为在这种避雷针中电晕放电不是连续产生而是断续产生的，因此，每次放电，在尖头附近前次的放电的残余电荷量可以忽略。根据需要，施加的电位可以是两种极性中的任何一种。

更确切地说，本发明提供了一种电晕放电避雷针，它包括一个与地绝缘的尖头，该尖头的底面通过放电装置与地面相连，该避雷针适用于电离该尖头末端的周围大气。该避雷针还包括适于周期性地减小 该尖头的电位值，减至小于维持其电晕放电的电位值，因此就产生了周期性的和断续的电晕放电脉冲。

于是，当在避雷针上施加一电波或一串电波时，就产生了电流脉冲，此电流脉冲很快就消灭了，因为，尖头的电位返回到临界值以下，不足以维持其放电。在如此短时期内的瞬变现象可以发出最大的瞬时电流，并且产生了其它的有利现象（“流光”（Streamers），点火一电子（Seed-electtrons），确保了避雷针的最大效率。

一个有利之处是，断续放电的脉冲重复频率不小于20HZ。

在这样的情况下，已经观测到由带正电的尖头产生的第n次刷形放电与第（n-1）次在通过空气时的放电遵循同样的路线。并且这种“信道记忆”现象随着脉冲重复频率的增加而增加。对这种瞬变现象已有人进行了研究，特别是，E·伯杰（E·Berger）的论文，名为“在正的点一面间隙中，放电对后续放电形成的影响”（第二届关于气体放电的国际会议，电子工程师学会出版，90期，伦敦，1972年）和“在大气中，电晕放电对后续放电的影响”（第三届关于气体放电的国际会议，电子工程师学会出版，118期，伦敦·1974年）;以及G·哈特曼（G·Hartmann）和I·加利姆伯蒂（I·Gallimberti）的论文，名为“亚稳定分子对流光进程的影响”（物理放电杂志，1975年，第670页至680页）。

另一有利之处是，断续放电的脉冲重复频率不大于2000HZ。

已经观测到，在频率大于几个KHZ时，避雷针效率的增加就降低了，并且愈来愈接近于产生连续电晕放电的避雷针的效率。

尖头的电位比产生电晕效应的临界电压大的时间最好不小于1微秒（μs），并且不大于100微秒（μs）。实际上，这个值的范围可以确保电晕放电的产生和减轻参数的无规波动否则可能阻止电晕效应出 现。

尖头电位的峰值最好不小于产生电晕效应的临界电压的110%。

使用刚高于上述的临界电压，则在所有情况下，放电现象的暂态特性增加了，因此使瞬时电流变为最大。（在下面的叙述中，一般假设上述临界值具有相同的绝对值，而不管其是正极性或负极性。但是，如果正或负的临界值实质上其绝对值不同时，可以采取适当的措施来调整加到避雷针上的电压，如上面说明的那样可以把加到避雷针上的电压看作为实际的临界电压的函数，而并没有越出本发明所涉范围）。

一种实施方案是把尖头连接至能产生电流的重复波的电流发生装置上，该重复波在尖头的周围大气中进行放电，其方式是以相同的重复频率产生间歇放电。

另一种实施方案是把尖头连接到电位发生装置上，从而由发生装置加到尖头上的电位是可变的，该电位的形式是重复波或重复波列，其波的峰值（或波列，其第一个半周期与周围大气的极性相反的峰值）的绝对值大于产生电晕效应的临界值。只有在由雷暴产生的环境电场所造成的自然放大存在的情况下，需要绝对峰值超过电晕放电的临界值。

换句话说，可以这样来配置避雷针，使由波或波列中第一个半周期（它们具有与周围大气相反的极性）加到尖头上的峰值振幅电位的绝对值，总是大于产生电晕效应的电压临界值。

假如用的是波列，则与云相同的反极性的所有后续半周期的峰值振幅的绝对值应适当小于该临界值。

在一种特殊的实施方案中，发生装置产生减幅交变波列，并且第一的两个半周期的峰值振幅的绝对值大于产生电晕效应的临界值，因 此，不管周围大气的复杂性如何，总是产生电晕效应的。

在另一种特殊装置中，发生装置产生锯齿波或正极性的锯齿波列，并且没有零点交叉。

尤其是，在这种情况下发生装置是由RC电路或由在尖头和高电位的发生器之间连接的RCL型电路所构成的，电阻R可以由尖头和发生器之间串联连接电阻来构成，电容可以由避雷针的尖头和地之间的分布电容所构成。

电阻的存在不仅有助于避雷针尖头的高电压产生周期性的变化，而且限制了它的电流消耗，并增加了电位发生器的本身寿命。此外，由于雷击电流通过放电器的放电，而避免受到雷击而且这种保护作用随着电阻的增加而增加。

另外，因为尖头的电位并不通过零（它只是很快的降至电晕现象的熄灭临界值以下），在放电已经熄灭之后，剩余的电压排放离子。这意味着避雷针工作的脉冲重复频率可以按比例地增加。

本发明的实施方案是通过例子及参考附图来进行描述的。其中：

图1是一个波形图，它表明在避雷针上的电压和电流的变化，其中，对避雷针加上交变的减幅波列形式的电位;

图2是一个波形图，它是图1的变型图，它利用了由于周围介质所造成的自然放大;

图3是一个波形图，它表示加在避雷针上的电位是没有通过零点的锯齿形波;

图4、5、6表示出实现这个发明的不同电路的方块图;

图7和图8分别是特殊的实施方案的电路图及实际的定位图，其中，给避雷针加上按锯齿形变化的电位。

图1涉及一种设备，其中，给避雷针加上一种减幅交变波列形式 的可变电位。

电压和电流曲线的相应参数如下：

V₀＝在缺少环境电场时在避雷针上的电压（因此，该电压等于由发生器加到避雷针上的电位）;

V₁＝有放大时避雷针上的电位，此放大是在雷暴期间由环境电场产生的;这是应用在云带负电荷情况的一个例子，可以看到，正半周期是被放大的，而负半周期是被衰减的;

I₀＝在没有环境电场时流经避雷针杆的电流（因此，电流向环境大气中放电）;可以看出，每次电压V₀的绝对值超过出现电晕放电的临界值时（取13KV为例），即出现按着避雷针杆的电位而产生的正电流或负电流的突然放电;和

I₁＝有由环境电场造成的放大存在时（由于本例中负电荷云引起的）的流经避雷针杆的电流;可以看到，第一个正脉冲被放大了而应该是负的第二个脉冲实际已经不存在了，因为第一个负半周的峰值现在处于电压临界值之下。

波列组在0.5ms到50ms间的时间间隔T中重复出现，即相当处于20HZ到2000HZ之间的重复频率。

第一个正半周和第一个负半周的峰值是这样选取的：在没有任何环境电场存在时，这些峰值小量地超过产生放电的临界电压，而波列中的另外一些半周的幅值总是保持在该临界值之下。于是，每个波列只能得到一个有效的电流脉冲，而当环境电场一出现则第一个负脉冲（在本例中）即行消除，这里需要考虑的重要之处是保证减幅振荡的两个相连续脉冲之间的时间间隔T要足够长以便聚集在避雷针周围的电荷得以消除。

在图1中，在峰值电压达到约15KV的第一个正半周内的约为 5μm的期间中，避雷针的电位V₁超过电晕效应出现的电压，这个很短的时间段保证了电流脉冲保持暂态特性，如上所述，该特性组成避雷针效能的一个重要因素。

图2表示图1的变型图，其中在缺少环境电场时的电位V^′ ₀小于所示的前述情况（从技术角度来看这是比较容易实现的），并保持在出现电晕效应的临界值之下。电位V^′ ₀的峰值是以这样的方式来选取的，即由于雷暴而存在环境电场，使所得到的电位V^′ ₁超过出现电晕效应的临界值。于是，如前述那样，可获得电流脉冲I^′ ₁。应该看到，在缺少环境电场时的电流I^′ ₀是零，因为只有存在环境电场时才能出现放电。

图3表示可应用于发生器产生还过零点的锯齿形电压时的电压和电流曲线。选取锯齿波的峰值（例如15KV）要稍稍大于触发电晕效应的电压临界值（在这个例子中是13KV），如在第一个例子中那样，来产生短的电流脉冲。

图4至图6是为实现本发明的方块图。

在这所有的三种情况中，避雷针1都是与地绝缘的並通过放电装置2接地，放电装置2可以用纯粹是静态的方法来构成（用两片金属片，以空气的间隙来隔开），或者可以用如控制开关那样动态的方法来构成。

避雷针被连接到高电压发生装置3上，高压发生装置3被联接到振荡器4之后，随后振荡器4由能源5供电。

在图4中，振荡器4是传统型的，它产生具有所要求的脉冲重复频率的信号;高电压发生器3是脉冲变压器型的一种变压器。电源供给装置5可很方便地从周围电场中提取它的能量，因而提供了一个完全自给的装置。为了实现这种做法，利用一种相当长的杆子，把它在 全部浸入在一个由雷暴产生的强大的和增长很快的电场中，由此获取电流。此电流由电源装置5拾取和变换。

在图5中，电源装置5是由太阳能电池板6组成的，此太阳能电池对蓄电池6充电並通过一个雷暴检波器7有选择地对振荡器4供电，阻止在没有出现危险的期间系统连续工作。

图6相当于一个实施方案，在这个装置中产生锯齿形电压（相当于图3中的电压和电流曲线）。其结构与图5是相同的，只是把图5中的脉冲变压器3用一个组件来代替，此组件是由一个高电压变压器和整流器3a构成，其目的是为了产生一个直流（或至少是已整流过的）电压，给RC电路3b供电，使RC电路3b产生一个锯齿波加到避雷针上。

图7（为一等效电路图）和图8（表明这些元件是如何配置的）说明了图6电路的特有的实施方案，这个实施方案值得注意的是利用了避雷针和地之间的分布电容作为RC电路的一个组成部分。

更加确切地说，在通常情况下，避雷针是由一个锥形的导电尖头11和一个直流电压发生器12组成。发生器通过导电电缆13将大地T和尖头11进行连接。导线13是同轴电缆的心束线，它的外层，即它的导电包层14与地T相连接，并且通过放电器15连接至尖头11。例如，尖头和放电器可以是前述的已公开的欧洲专利说明书EP-A-0，060，756中的那种类型。

依照本发明，避雷针包括一个基准的高值电阻16，把此电阻用导线13串连在发生器12和尖头11之间，并把它放在靠近尖头的地方。

图7表示等效电路，它由保护放电器A、充电电路B和放电电路C组成。

最初，尖头11是通过数值为R的电阻16连接到电位发生器12上的，一旦在尖头上存在的电压超过出现电晕效应的临界值时，则这个电路就通过周围大气的等效阻抗Z与地形成回路。于是围绕这个电流网流动的电流就相当于在尖头的附近建立起的电流。

同轴电缆13、14与发生器并联的电容量，每米电缆大约为50PF至100PF。在稳态情况下，它对电路的工作影响很小。

放电器15等效于一个电容，该电容与串联的可变电阻和电感相并联。这部分电路用虚线表示，这是为了使人注意到只有在雷击时电路才开始工作，而电路的其余部分在雷击之前就工作，以致使闪电利用避雷针，借此尽可能有效地的增加有效作用半径。

最后，标记17指的是尖头与地之间的分布电容（事实上，“地”是分布的，并且电路是以散的方式形成回路的）。杂散电容为几个微微法，例如5PF，它可以通过改变电阻16的位置或增添一个附加电容来加以改进。假如改进的结果使分布电容增加，则在放电脉冲中消耗的能量也增加;而假如更改的结果使分布电容减小，则在尖头上的电压下降就更加快，如中止放电所需要的那样。

当发生器12投入工作时（手动或自动），由于发生器电流通过电阻R，使电容C充电;但只要没有达到能产生电晕效应的临界值，阻抗Z就可以看作是类似无穷大的（不存在电离的空气流）。一旦达到临界值，则电容量C突然向阻抗Z中放电，因此就很快地电离了在避雷针附近的空气。

可以观测到，沿着避雷针被感应的电离和电流是暂短的，这是因为电阻R值太大，使电流很难连续的流入阻抗Z，这正像先有的电离避雷针技术所实践过的。这里，与此相反，在没有驰张现象时，通过阻抗Z的持续电流相对于电容C的放电电流是一个很小的值。一旦放 电中止，则电容17通过R再次充电，并且以周期的方式重复。

有利的是电阻R16的值是几百个兆欧，例如400MΩ，电容C是几个微微法，例如5PF。

在这个例子里，电路的RC时间常数为2.13^-3秒，给出的脉冲频率约为500HZ。

由发生器2产生的电位（对地电位）介于几千伏和几十千伏之间，也可能有几百千伏之多。发生器可以和产生持续放电的电离避雷针所用的类型相同。

Claims (14)

1、电晕放电避雷针，它包括一个与地绝缘的尖头(1)，该尖头的底面通过放电器装置(2)与地相连，该避雷针适合于电离该尖头末端周围的大气，其特征在于该避雷针还包括有适合于周期性地减小该尖头的电位值至小于维持电晕放电的电位值并以此来产生周期性的断续的电晕放电脉冲的装置(3、4、5、6)。

2、根据权利要求1的避雷针，其断续放电的脉冲重复频率不小于20HZ。

3、根据权利要求2的避雷针，其断续放电的脉冲重复频率不大于2000HZ。

4、根据权利要求1的避雷针，其尖头的电位大于能产生电晕效应的临界电压的周期不小于1微秒（μs）。

5、根据权利要求4的避雷针，其尖头的电位大于能产生电晕效应的临界电压的周期不大于100微秒（μs）。

6、根据权利要求1的避雷针，在该尖头（1）处的电位的峰值，不小于产生电晕效应的临界电压的110%。

7、根据权利要求1的避雷针，其尖头（1）连接在能产生重复电流波的电流发生器上，该重复电流波对该尖头附近的大气进行放电的其方式是以相同的脉冲重复频率产生断续电晕放电。

8、根据权利要求1至6中任一项的避雷针其尖头（1）连接在电位发生装置（3）上，其方式是由发生装置（3）加到该尖头（1）上的电位是一种重复波或重复波列形式的可变电位，以致该波或具有与周围大气的极性相反的波列的第一个半周期的峰值的绝对值，随意考虑自然放大作用，此放大作用是由于在雷暴期间环境电场的存在而发生的，大于产生电晕效应的临界电压。

9、根据权利要求8的避雷针，不管环境电场所产生的自然放大，该波或与环境大气的极性相反的该第一半周期的峰值（VO）的绝对值总是大于产生电晕效应的临界电压。

10、根据权利要求8或9的避雷针，其发生装置产生重复脉冲列，并且，在波列中相同极性的该第一半周期之后的，与云同极性的所有后续半周期的峰值的绝对值是小于该临界值的。

11、根据权利要求8或9的避雷针，其发生装置（3）产生减幅交交变波列，并且其第一的两个半周期的峰值（V1，V2）的绝对值大于产生电晕效应的临界电压，因此，不管环境大气的极性如何，能确保总可发生电晕效应。

12、根据权利要求8或9的避雷针，其发生装置产生锯齿波或正极性的锯齿波列，并且不过零点。

13、根据权利要求12的避雷针，其发生装置是由连接在避雷针的尖头和高电位发生器之间的RC（3b）或REC型电路所组成。

14、根据权利要求13的避雷针，其中电阻R是串联连接在尖头（1）和发生器（3a）之间的一个电阻，其中的电容C是由避雷针的尖头（1）和地之间的分布电容构成的。

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