CN102437426A - 天线系统直击雷防护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种天线系统直击雷防护方法。本发明方法在天线系统上方装设适当尺寸的半球形金属网状防雷罩，防雷罩完全覆盖于天线系统上方，对天线系统形成针对性保护。当雷云靠近时，在半球形网状金属防雷罩外产生的是均匀电场或稍不均匀电场，不引起电场畸变，不形成上行先导，不主动引雷，防止雷电流入地引起杆塔塔顶电位升高而反击天线系统；防雷罩具有良好的屏蔽效果，避免了天线系统由于静电感应和电磁感应引起的感应过电压影响。本发明是一种不直接引雷且具有良好屏蔽性能，能对被保护装置进行有效的针对性防护的防雷保护方法。

Description

天线系统直击雷防护方法
技术领域
本发明主要涉及到直击雷防护领域，特指一种天线系统的直击雷防护方法。
背景技术
为防止天线系统遭遇直击雷损坏而影响正常工作，目前对天线系统均架设避雷针进行防雷保护。即在架设天线的支架上方加装避雷针，但是此种方法并没有起到理想的效果，反而使天线系统遭受雷电灾害的事故越来越频繁，严重影响其正常工作。
避雷针一般架设于建筑物的顶层并远高于被保护物体，通常由接闪器、引下线和接地体构成，避雷针又叫“引雷针”，其保护作用是吸引雷电电击于自身，并使雷电流泄入大地。
如附图1、2所示，假设雷云带负电荷，静电感应作用下，地面将产生正电荷。带负电的底部云层与带正电的地表面形成的电场被粗略简化为尺寸很大的平行板电容器的均匀电场，电场强度为                                                
Figure 463059DEST_PATH_IMAGE001
，场强方向由地面垂直向上，指向云层，将一长度为H，直径为d，针顶端圆锥体顶角为2β的避雷针置入“平板电容器”中，以针尖为坐标原点建立球坐标系，用ε表示电势，并选取Z=-H处为电势参考点。由于考察区域不存在自由电荷，自由电荷只以面电荷形式出现，故在针尖的附近的电势ε满足拉普拉斯方程：
Figure 540736DEST_PATH_IMAGE002
球坐标系下的拉普拉斯方程：
Figure 714229DEST_PATH_IMAGE003
考虑到均匀电场中电势是标量，而且具有轴对称性，
Figure 911861DEST_PATH_IMAGE004
圆锥面上都有相同电势，所以电势与方位角
Figure 348658DEST_PATH_IMAGE005
和r无关，即有：
Figure 444790DEST_PATH_IMAGE006
因
Figure 156394DEST_PATH_IMAGE007
，则
Figure 490424DEST_PATH_IMAGE008
解得
Figure 629281DEST_PATH_IMAGE009
，（N和D均为常数）
根据第一边值条件：接地避雷针为一电势为0的等势体，即在
Figure 681551DEST_PATH_IMAGE010
的平面上有
Figure 931266DEST_PATH_IMAGE011
；第二边值条件：静电感应作用下针尖引起的感应电荷增加量相对于云地间电荷量来说，可忽略不计，即
Figure 916540DEST_PATH_IMAGE012
的平面上有
Figure 442943DEST_PATH_IMAGE013
。联立得出避雷针针尖附近电势为：
Figure 513667DEST_PATH_IMAGE014
因避雷针圆锥面上的场强必垂直于导体表面，故电场在圆锥面上只有一个
Figure 35915DEST_PATH_IMAGE015
分量，因此有：
Figure 875695DEST_PATH_IMAGE016
将
Figure 356355DEST_PATH_IMAGE004
代入上式，求得避雷针圆锥面上的场强为：
Figure 117638DEST_PATH_IMAGE017
估算出避雷针尖端场电强度大于大气电场强度100H倍。
雷云形成时，避雷针尖端电场畸变，其电场强度远大于周围大气的击穿强度，引发上行先导与雷云下行先导会合，将雷电引入并泻入大地。当雷击避雷针时，由于杆塔自身阻抗和接地电阻的存在，雷电流会在塔顶产生幅值很高的塔顶电位，由于天线的绝缘水平低而发生雷电反击，使雷电过电压通过天线侵入主机，使其损坏；雷电流入地会在地面会产生较大的跨步电压对人身安全构成威胁，也会在一些地方产生较高的地电位差，这个地电位差会造成“反击”对弱电网络产生地电位干扰；雷电流入地时会对天线系造成电磁干扰；天线避雷针遭到直击雷的瞬间会在供电的线路上产生较高的感应过电压损坏计算机等微设备或同一建筑物内的电气设备。
由此可见，对天线系统利用避雷针的尖端放电原理进行防雷保护，不仅不能起到有效的防雷作用，反而起到了引雷的作用。其使塔顶电位升高，对天线系统造成反击；雷电流入地引起地电位升高，对人身安全和弱电设备造成严重威胁；同时也会带来静电感应和电磁感应方面的影响。
消雷器对直击雷保护类似于避雷针，经运行证明，消雷器的防雷效果甚至还不如传统的避雷针，特别是对其保护范围内设备直击雷的屏蔽上，消雷器即使有点效果也是避雷针的“引雷效果”，对天线系统防雷保护来讲，具有避雷针的一切负面作用。经大量的运行证明并不能消雷，各类消雷器其实都是在抄概念，并无实际应用价值。
发明内容
本发明要解决的问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种不直接引雷、有效防止反击且具有良好屏蔽效果的针对性防雷保护方法。
为解决上述技术问题，本发明提出的解决方案为：在天线系统上方装设半球形金属网状防雷罩进行直击雷防护。
如图2所示，假设雷云带负电荷，静电感应作用下，地面将产生正电荷。带负电的底部云层与带正电的地表面形成的电场被粗略简化为尺寸很大的平行板电容器的均匀电场，电场强度为
Figure 974735DEST_PATH_IMAGE001
，场强方向由地面垂直向上，指向云层。半球形导体在均匀电场中，其表面电荷均匀分布，把均匀带电球面看作许多通过场点与球心的连线为圆心、半径不同的圆环组成, 利用场叠加原理的叠加计算方法可求得，半球面上面电荷处一点的场强为
Figure 137863DEST_PATH_IMAGE018
，其大小为球体外部场强的一半，小于大气的击穿场强，不能激发周围大气的电离，从而不引发雷击。
本发明方法利用半球形网状导体表面的均匀电场原理，当雷云形成时，在防雷罩表面附近产生的是均匀电场或稍不均匀电场，不引起电场畸变，从而不导致周围空气击穿电离，不形成上行先导，即不直接引雷，从而大大减小了天线系统的雷击概率，防止反击的发生；本发明方法提供的直击雷防护装置可根据天线的尺寸完全覆盖在天线的上方，其对天线系统采取的是针对性保护，防直击雷效果好；本发明方法可有效屏蔽感应雷对天线系统及信号系统的影响，特别是由雷电活动产生的静电感应对天线系统的危害，也避免了传统避雷针引雷入地时电磁感应过电压对天线系统及信号回路的危害；本发明方法避免了由于雷电流入地引起地电位升高而造成对人身安全和其他弱电设备的威胁。
与现有技术相比，本发明的优点就在于：（1）球形结构较之于针形结构，能有效改善空间电荷的分布形成均匀电场，可以避免传统针形避雷针在雷云电场作用时尖端部位的电场畸变，球面电场强度远小于避雷针顶端锥面的电场强度，也远小于周围大气击穿场强，从而避免招引雷击， 避免因雷电流入地引发的杆顶电位升高所造成的反击；（2）本发明方法提供的天线直击雷防护装置对天线系统采取的是针对性保护，防直击雷效果好；（3）可有防止感应雷对天线系统及信号系统的影响；（4）避免了传统避雷针保护在引雷入地时产生的地电位干扰和地面跨步电压对人身的安全威胁。
附图说明
图1：雷云作用下避雷针尖端的电荷分布示意图
图2：计算防雷罩球面场强示意图
图3：雷云作用下防雷罩球面的电荷分布示意图
图4：计算防雷罩球面场强示意图
图5：防雷罩结构示意图
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，例如防雷罩采用球形结构，不同材料等等，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种针对天线系统的直击雷防护方法，其特征在于：用半球形金属网状防雷罩对天线系统进行直击雷防护；本发明方法不主动引雷，防止杆塔塔顶电位升高引起的反击，防止静电感应和电磁感应的影响，再加之合理的尺寸配合，可对天线系统进行全方位、有效的针对性防护。
2.根据权利要求1所述的天线系统的直击雷防护方法，其特征在于：不同于传统的避雷针，本发明方法提供的防雷保护装置采用半球形网状结构；雷云靠近时，防雷罩表面附近产生的是均匀电场或稍不均匀电场，不引起电场畸变，不诱使雷电先导向其发展，不形成上行先导，不主动引雷，大大降低了安装位置的雷击概率。
3.根据权利要求2所述的天线系统的直击雷防护方法，其特征在于：云层与大地表面可粗略简化为尺寸很大的平行板电容器的均匀电场，半球形网状导体置于该均匀电场                                                
Figure 838628DEST_PATH_IMAGE001
中时，静电感应电荷在球形导体表面均匀分布，根据球体的对称性，利用场叠加原理的叠加计算方法，求出半球形导体表面场强为半球形导体近距离外部空间场强的一半，即
Figure 191112DEST_PATH_IMAGE002
；其电场强度小于周围空气的击穿场强，不发出上行先导，不引起雷击。
4.根据权利要求2所述的天线系统的直击雷防护方法，其特征在于：半球形金属网状防雷罩防止雷电流入地而引起的地电位和杆塔电位升高，从而防止杆塔塔顶电位升高对天线系统造成反击。
5.根据权利要求2所述的天线系统的直击雷防护方法，其特征在于：半球形金属网状防雷罩防止雷电流入地，可有效屏蔽在雷电活动时由静电感应在天线系统产生的影响和雷电放电时电磁感应对天线系统的影响。
6.根据权利要求1所述的天线系统的直击雷防护方法，其特征在于：半球形金属网状防雷罩，罩在天线上方，可有效屏蔽在雷电活动时由静电感应对天线系统产生的影响以及雷电放电时由电磁感应对天线系统的影响。
7.根据权利要求1所述的天线系统的直击雷防护方法，其特征在于：根据天线系统的具体尺寸，合理设计半球形金属网状防雷罩的尺寸，使天线系统被防雷罩完全覆盖，得到全方位的针对性保护。
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