CN106593787B - 一种移动或固定物体的防雷击保护装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种移动或固定物体的防雷击保护装置，所述金属接地导体的上端电连接一向移动物体或固定物体外侧较高位延伸的负极板下端，该负极板设置在一介质板一侧表面的下端，该介质板另一侧表面的上端设置正极板，正极板的上端或正极板与介质板的上端设置一导电针座，在导电针座的弧形表面上设置多个末端为尖针状的导电针。本发明采用非金属材料，在不影响导电性能前提下，重量减少70～80％，强度提高7～10倍，耐腐蚀、抗氧化、抗辐射性能远远超过常规金属避雷器所用材料，在使用材料、设计结构方面，既考虑特殊环境和被保护物的特殊性，具有体积小、重量轻、风阻小、抗冲击性高、耐摩擦、耐腐蚀性强、安装简便等优点，对现有结构的改动小，便于安装维护，尤其适用于现有防雷设备的大批量改造工程使用。

Description

一种移动或固定物体的防雷击保护装置

技术领域

本发明属于防雷装置改进技术领域，尤其是一种移动或固定物体的防雷击保护装置。

背景技术

雷电是带异性电荷的雷云间或是带电荷雷云与大地间的放电现象，在所有雷击放电形式中， 雷云对大地的正极性放电或大地对雷云的负极性放电具有较大的电流和较高的能量，雷击保护最关注的是每一次雷击放电的电流波形和雷电参数。雷电参数包括峰值电流、转移电荷及电流陡度等，⑴峰值电流：当雷电流流过被击物时，会导致被击物温度的升高，导致被击物的损坏，当雷电流流过被击物时还能产生很大的电磁力，电磁力的也能使被击物弯曲甚至断裂，另外，雷电流通道中产生的电弧的强烈高温对被击物也能产生极大的破坏；⑵转移电荷：物体遭受雷击时，大多数的电荷转移都发生在持续时间较长而幅值相对较低的雷电流过程中，这些持续时间较长的电流将在被击物表面产生局部金属熔化和灼蚀斑点，如果电流足够大还可能导致金属熔化。⑶电流陡度：感应过电压会损坏被击物的控制系统或电子器件而感应过电压与雷电流的陡度密切相关，雷电流陡度越大，感应电压就越高。

目前，风力发电防雷依然采用富兰克林250年前发明的传统的引雷入地与为防止感应雷的屏蔽装置相结合的综合系统，其基本组成包括外部防雷措施和内部防雷措施两部分，外部防雷措施主要包括接闪装置、引下线、屏蔽、接地装置等；内部防雷措施主要包括合理布线、等电位连接、屏蔽（隔离）、安装电涌保护器（SPD)等，外部防雷工程技术措施主要起防直击雷作用，内部防雷工程技术措施主要起防雷电感应作用。

在防雷领域近几十年来，各国不断探索新的防雷技术，例如美国最早使用的多短针“电荷转移法”，使用少则几十只，多则上千只的几百毫米至几千毫米的金属针使其形成半球状，其目的是强迫雷云电场最大限度对云、地电荷均匀与减弱。再比如近年出现的有源+无源等离子拒雷装置和无源复合强电离拒雷装置都能有效的达到雷云电荷聚消作用。

尽管上述各种防雷技术得到了极大的发展，但在一些应用场合中，雷击事故依然层出不穷，比如：在风力发电机组中，叶片旋转时处于较高位置，而且处于较空旷的野外，被雷击的几率非常大，据调查，德国风电场每100风机年的雷击数基本维持在10 %左右，所有引发风电机组故障的因素中，雷击事故约占4%，红海湾风电场的叶片被击中率达4%。再比如：海上浮标、固定建筑物、危险品运输工具、车载雷达等处，因其自身具有较高的高度以及所处环境的特点均会成为易被雷击的对象。

风力发电机组叶片的防雷装置中，如CN201420482534.8公开了一种风力发电机组防雷叶片，其技术特点是：包括叶片本体和设置在叶片本体上的接闪器，所述接闪器与叶片本体中的导线相连接，所述叶片本体上安装有导电网，所述导电网与接闪器连接，所述叶片本体的表面设有纳米层，所述导电网为金属网，所述金属网包括多个网格，所述叶片本体上设有温度监测器，所述接闪器为盘式气体放电管，所述盘式气体放电管包括盘状底座和安装在盘状底座上的两片电极。本发明的接闪器位于叶片壳体中，与叶片壳体一体成型，安装方便，降低成本，另外，叶片接闪器采用了盘式气体放电管，使得分流到导电层的雷电流的强度得到有效的降低，同时也降低了再接闪器上形成的瞬间高温，降低了遭雷击的可能性。

再比如CN201420367837.5公开了一种并网型风力发电机组叶片防雷装置，其技术特点是：在风轮叶片正反表面分别径向嵌装有主接闪带及辅接闪带，同一表面的主接闪带及辅接闪带之间通过嵌装于风轮叶片表面的斜向接闪带连接，在风轮叶片的前缘及后缘分别径向嵌装有前缘接闪带及后缘接闪带，网状的接闪带嵌入式设计不影响叶片本身的空气动力学特性，反而加强了叶片的结构强度；风轮叶片正反表面的两个主接闪带之间通过位于风轮叶片壳体内部的母通电导线连接，所述的风轮叶片正反表面的两个辅接闪带、前缘接闪带及后缘接闪带通过导线与母通电导线连接。它有效地增加了接闪面积，从而对雷击产生了有效地防护。

上述两篇专利均需要对现有的叶片进行大量的结构改进，如果应用到已经投入生产的叶片中会导致改造成本的大量增加。

而新兴的有源+无源等离子拒雷装置和无源复合强电离拒雷装置等体积较大、电极材料耐腐蚀及抗冲击等机械性能差，也无法应用到风电发电机组、海上浮标、危险品运输工具、车载雷达、隐蔽式军事设施等处。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，采用非金属导电性能好的碳纤维、石墨等复合成型材料，提供结构合理、在雷云电场的激励下电离空气产生等效带电粒子、从而聚消云、地间形成的电荷、达到防雷目的一种移动或固定物体的防雷击保护装置。

本发明采取的技术方案是：

一种移动或固定物体的防雷击保护装置，包括移动物体或固定物体，在移动物体或固定物体内设置有下端接地的金属接地导体，其特征在于：所述金属接地导体的上端电连接一向移动物体或固定物体外侧较高位延伸的负极板下端，该负极板设置在一介质板一侧表面的下端，该介质板另一侧表面的上端设置正极板，正极板的上端或正极板与介质板的上端设置一导电针座，在导电针座的弧形表面上设置多个末端为尖针状的导电针，该导电针与正极板之间电连接，正极板的下端与负极板的上端在竖直方向的投影之间保留间隙。

而且，一个介质板的下端和其上设置的负极板的下端均嵌入风电发电机组的一个叶片的上端内，或者一个负极板的下端嵌入风电发电机组的一个叶片的上端内，负极板的下端通过连接片和螺栓与叶片内设置的金属接地导体上端电连接。

而且，一个介质板下端设置的负极板通过连接片和螺栓与移动物体或固定物体上设置的金属接地导体上端电连接。

而且，一个介质板下端设置的负极板通过连接片和螺栓与移动物体或固定物体上设置的伸缩杆内的金属接地导体上端电连接。

而且，一个介质板下端设置的负极板通过连接片和螺栓与一伸缩杆上端的金属接地导体一端电连接，该伸缩杆下端通过支架摆放在地面，该金属接地导体另一端接地。

而且，所述导电针的高度为50～500毫米；

所述正极板和负极板的高度为50～300毫米，正极板和负极板的厚度为3～30毫米，正极板和负极板的宽度为20～500毫米；

所述介质板的高度为120～800毫米，介质板的厚度为10～40毫米，介质板的宽度为20～500毫米。

而且，所述导电针的高度为50～500毫米；

所述正极板和负极板的高度为50～300毫米，正极板和负极板的厚度为5～30毫米，正极板和负极板的宽度为50～400毫米；

所述介质板的高度为120～800毫米，介质板的厚度为10～40毫米，介质板的宽度为50～400毫米。

而且，所述正极板下端部为由外侧至内侧逐渐向下倾斜的斜面，所述负极板上端部为由外侧至内侧逐渐向上倾斜的斜面，二者与介质板接触的下端部位置处为直线边或锯齿边或弧形边。

而且，所述正极板和负极板由金属复合石墨材料制成，所述介质板由高阻抗的材料制成，所述金属复合石墨材料的制备方法包括以下步骤：

⑴将石墨和金属粉末加入球磨机内常温下研磨成混合粉末，石墨与金属粉末配比为60～95%:5～40% ；

⑵将混合粉末加入模具中一层，覆盖一层碳纤维织物，其上覆盖一层混合粉末，压实；

⑶再覆盖一层混合粉末，再覆盖一层碳纤维织物，再覆盖一层混合粉末，压实；

⑷将模具放入真空环境中，在压力300～600MPa的条件下，压实3～5分钟后成型；

⑸成型后取出进行烧结，烧结温度750～1000摄氏度，保温时间为4～8小时后制得成品。

而且，步骤⑵所述压实后再铺一层细铜网。

本发明的优点和积极效果是：

本发明采用非金属材料，在不影响导电性能前提下，重量减少70～80%，强度提高7～10倍，耐腐蚀、抗氧化、抗辐射性能远远超过常规金属避雷器所用材料。当雷云接近时，地面上高耸的物体因周围电场强度达到了能使空气电离的程度，会发出向上的迎面先导，当它与雷云的下行先导相遇时，就出现强大电荷，正极板和负极板达到一定电压强度，开始电离空气形成等离子场，正离子与雷云下行先导负电荷结合，电子与上行的地面正电荷结合，等效削弱雷电下行通道能量，使之不会在有效半径内向地面放电，大大降低了雷电流向地面的冲击，不仅保护了待保护物本身，最主要的是防止了雷击产生的冲击电流沿引下线对地泄放过程中，在引下线上会产生强烈的电磁场并耦合到供电线路、音频线、数据线上而产生的远远超过弱电设备耐受能力的浪涌电压、避免了弱电设备的损坏，起到了主动防雷的作用，解决了待保护物被雷击造成的损失。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1的导电针座的俯视图；

图3是图1的导电针的俯视图；

图4是图3的仰视图；

图5是图1的I部放大图；

图6是图1的A向的一种形状的放大视图；

图7是图1的A向的另一种形状的放大视图；

图8是图1的A向的第三种形状的放大视图；

图9是本发明设置在伸缩杆上的结构示意图；

图10是本发明的原理图。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。

一种移动或固定物体的防雷击保护装置，如图1～9所示，包括移动物体或固定物体22，在移动物体或固定物体内设置有下端接地的金属接地导体10，本发明的创新在于：所述金属接地导体的上端电连接一向移动物体或固定物体外侧较高位延伸的负极板5下端，该负极板设置在一介质板4一侧表面的下端，该介质板另一侧表面的上端设置正极板3，正极板的上端或正极板与介质板的上端设置一导电针座2，在导电针座的弧形表面上设置多个末端为尖针状的导电针1，该导电针与正极板之间连接，正极板的下端与负极板的上端在竖直方向的投影之间保留间隙L。

本实施例中，一个介质板的下端和其上设置的负极板的下端均嵌入风电发电机组的一个叶片9的上端内，或者一个负极板的下端嵌入风电发电机组的一个叶片的上端内，嵌入后通过树脂7固定，负极板的下端通过连接片8和螺栓6与叶片内设置的金属接地导体上端电连接。正极板和介质板之间、介质板和负极板之间、导电针座与正极板和介质板之间均通过树脂固定。

各结构的尺寸是：

所述导电针的高度H1为50～500毫米；

所述正极板和负极板的高度H2为50～300毫米，正极板和负极板的厚度D1、D3为3～30毫米，正极板和负极板的宽度W为20～500毫米；

所述介质板的高度H4为120～800毫米，介质板的厚度D2为10～40毫米，介质板的宽度W为20～500毫米。

H3的长度任意，可根据其他尺寸确定。

更有选的方案是：

所述导电针的高度H1为50～500毫米；

所述正极板和负极板的高度H2为50～300毫米，正极板和负极板的厚度D1、D3为5～30毫米，正极板和负极板的宽度W为50～400毫米；

所述介质板的高度H4为120～800毫米，介质板的厚度D2为10～40毫米，介质板的宽度W为50～400毫米。

所述正极板下端部为由外侧至内侧逐渐向下倾斜的斜面18，所述负极板上端部为由外侧至内侧逐渐向上倾斜的斜面，二者与介质板接触的下端部位置处17为如图5、6所示的横向弧形凸起部，弧形凸起部与介质板相接的地方进行放电，优选此处弧形凸起部和介质板表面之间为一较小的锐角。还可以是如图7所示的锯齿部，还可以是如图8所示的直线部，其中的锯齿部由多个等腰三角形凸齿构成，齿距为3～20毫米。当然，还可以是将图5、6和图7的结构相互组合，即在弧形凸起部与介质板接触的位置制出多个凸齿，或者将图5、6和图8的结构相互组合，即在弧形凸起部与介质板接触的位置制成直线。

导电针座从上面看的投影为如图2所示的椭圆形，椭圆形应用在风力发电机组的叶片上使用，主要目的是使正极板上端或正极板与介质板上端均位于导电针座下方，叶片运行时的阻力较小。当然投影也可以是圆形，圆形可应用在固定建筑物、车辆、通讯设备等处使用。

另外，导电针还可以如图3、4所示，每个导电针的连接杆15的下端安装一不锈钢、铜等金属材料制成的具有外螺纹的连接管，该连接管与导电针座上嵌装的具有内螺纹的金属连接管啮合固定，在啮合之前先涂抹树脂，使啮合后再固化，整体固定的非常稳固。每个连接管上端可以连接多个导电针，导电针座上可以连接多个连接管。

连接杆上端的底座14的中部安装一竖直朝上的导电针13，该导电针旁侧的底座上均布安装多个向外倾斜的导电针12，每个导电针的末端均为尖针形状11，底座上 向外倾斜的导电针为偶数个。导电针由金属材料制成，底座、连接杆均由碳纤维制成，导电针啮合连接在底座上，底座和连接杆上端之间也通过具有外螺纹和内螺纹的两个连接管啮合固定。

导电针座为碳纤维制成，正极板和负极板均为金属复合石墨材料制成，介质板采用高强度、抗拉力、高电阻率的尼龙等绝缘的有机化学材料制成。介质板的存在阻断了流光击穿通道的形成，不会形成火花或电弧，而且介质板外表面应涂刷憎水涂层，使其在淋雨等环境中避免表面形成水延面或水流，介质板表面的水呈单个水珠状。当然，正极板和负极板使用传统的石墨电极也是可以的，其机械强度和导电性能均能满足要求。

当雷云电场的强度在叶片上方达到一定强度时，正、负极板间的气体即使在很高的气压下，也会被击穿而形成所谓的介质阻挡放电(surface dielectric barrierdischarge,SDBD)，这种放电看似均匀稳定，但实际上它有大量细致的快脉冲放电通道,通常放电空间的气体压强为10⁴～10⁵Pa或更高，电场将会向阴极传播，在传播过程中原子和分子得到进一步的电离，并激励起向阴极传播的电子反向波，这样一个导电通道能非常快的通过放电间隙而造成气体的击穿。 在雷云电场的激励下能够瞬间电离空气，能够在大气压下产生大面积、能量密度高的低温等离子体，不但能等效中和雷云电场电荷，还可以产生空气动力的积极作用，提高风力发电效率。

每个叶片的尖端安装一个本发明的结构，叶片旋转时，总有一个叶片位于较高位置，导电针首先接触到雷云下行先导强电荷，在与地面电荷的感应下，介质板两侧的正、负极板间隙中对介质延面空气电离放电产生高浓度等离子体，有效抑制雷云电场的激化和雷电先导的形成与发展，缓消了雷云下部电荷通过导体入地的可能，在叶片尖端完成聚消电荷的作用，保证了风力发电机组防止直击雷的目的。另外两只叶片位于较低位置，可起到预防侧击雷的作用，安装该装置后，只要机组本身设置预防感应雷装置就可满足综合防雷需要。

介质板处的空气瞬间电离的过程如图10所示，雷云24带有大量的负电荷23，地面27感应电场为正电荷28，本发明通过金属接地导体10与地面连通。在雷云的负电荷以及地面的地面的正电荷的激励下，正极板和负极板之间的介质板处的空气被电离并产生高浓度的带有正电荷的等离子体25和带有负电荷的等离子体26，两种电荷的等离子体分别与靠近的雷云的负电荷和地面的正电荷相互中和，缓消了雷云下部电荷通过金属接地导体入地的可能。

除了上述风力发电机组中使用以外，本发明还可以应用在以下场景中，具体是：

1.固定建筑物、输电塔、危险品运输车辆、国防车辆、旅游景区等处：负极板直接通过连接片8和螺栓6与移动物体或固定物体上设置的金属接地导体10上端电连接。

2. 固定建筑物、输电塔、危险品运输车辆、国防车辆、旅游景区等处：负极板通过连接片8和螺栓6与移动物体或固定物体上设置的伸缩杆（标号19、20、21）内的金属接地导体10上端电连接。

3.野外作业、军事演习、徒步旅游等处：负极板通过连接片8和螺栓6与一伸缩杆（标号19、20、21）上端的金属接地导体10一端电连接，该伸缩杆下端通过支架摆放在地面，该金属接地导体另一端接地。

上述金属复合石墨材料的制备方法包括以下步骤：

⑴将石墨和金属粉末（银、铜、铝）加入球磨机内常温下研磨成混合粉末，石墨与金属粉末配比为60～95%:5～40% ；

⑵将混合粉末加入模具中一层，覆盖一层与模具内面积相同的碳纤维织物，其上覆盖一层混合粉末，压实后铺一层细铜网（在车辆、石化、通讯等处中使用时应加入200目的细铜网，其他场景中可不使用细铜网）；

⑶在细铜网上覆盖一层混合粉末，再覆盖一层碳纤维织物，再覆盖一层混合粉末，压实；

根据电极的总厚度，最下层和最上层的混合粉末在压实后的厚度是整体总厚度20～25%；上下两层碳纤维与金属网之间的两层混合粉末中的每一层在压实后的厚度为整体总厚度的25～30%。

⑷将模具放入真空环境中，在压力300～600MPa的条件下，压实3～5分钟后成型；

⑸成型后取出进行烧结，烧结温度750～1000摄氏度，保温时间为4～8小时后制得成品。

实施例

随着经济发展和国防安全需要，移动设施应用越来越普遍，特别是现代国防更需要全天候保障作战的安全性，在军事训练和作战中，对手或敌人会充分利用恶劣天气为掩护发动攻击，在越南，美军利用雷雨天气进行攻击的战例屡试不爽。

现代战争已不是传统意义的武器较量，信息战、网络战、电子战已成为制胜的重要手段，保护好设备的全天候工作状态，雷暴日的防护是一个重要课题，特别是在运动中的设施和装备必须做到不受自然环境的影响，确保万无一失。部队野外拉练、临时帐篷扎营、战车布局等都需要完好的防雷设施进行保护，传统避雷针引雷入地根本无法使用。

本发明因为采用全部非金属材料，体积小、重量轻、可快拆、可折叠、支撑塔杆采用伸缩导电碳纤维，每节最长不超过1000MM,伸缩节数可以根据需要增减，现场装拆一人15分钟完成，在战时可以人背负，也可以车载。

比如：火箭部队在执行任务时，将本发明装置（包括伸缩塔杆）装在一个防水软袋中，到达阵地后，取出本装置将零件组装好，安装在塔杆端部，端部有三个套环，每个套环预设拉绳，然后逐节拔起紧固，低端落地，三条拉绳做斜拉固定塔杆作用，战车指挥信号和接收信号的天线只要低于本发明装置，就不再会因为雷电接闪造成损坏，即使雷电当头也会安全无虞。

本发明采用非金属材料，在不影响导电性能前提下，重量减少70～80%，强度提高7～10倍，耐腐蚀、抗氧化、抗辐射性能远远超过常规金属避雷器所用材料，在使用材料、设计结构方面，既考虑特殊环境和被保护物的特殊性，具有体积小、重量轻、风阻小、抗冲击性高、耐摩擦、耐腐蚀性强、安装简便等优点，对现有结构的改动小，便于安装维护，尤其适用于现有防雷设备的大批量改造工程使用。

Claims (1)

1.一种移动或固定物体的防雷击保护装置，包括移动物体或固定物体，在移动物体或固定物体内设置有下端接地的金属接地导体，其特征在于：所述金属接地导体的上端电连接一向移动物体或固定物体外侧较高位延伸的负极板下端，该负极板设置在一介质板一侧表面的下端，该介质板另一侧表面的上端设置正极板，正极板的上端或正极板与介质板的上端设置一导电针座，在导电针座的弧形表面上设置多个末端为尖针状的导电针，该导电针与正极板之间电连接，正极板的下端与负极板的上端在竖直方向的投影之间保留间隙；

一个介质板的下端和其上设置的负极板的下端均嵌入风电发电机组的一个叶片的上端内，或者一个负极板的下端嵌入风电发电机组的一个叶片的上端内，负极板的下端通过连接片和螺栓与叶片内设置的金属接地导体上端电连接；

或，

一个介质板下端设置的负极板通过连接片和螺栓与移动物体或固定物体上设置的金属接地导体上端电连接；

或，

一个介质板下端设置的负极板通过连接片和螺栓与移动物体或固定物体上设置的伸缩杆内的金属接地导体上端电连接；

或，

一个介质板下端设置的负极板通过连接片和螺栓与一伸缩杆上端的金属接地导体一端电连接，该伸缩杆下端通过支架摆放在地面，该金属接地导体另一端接地；

所述导电针的高度为50～500毫米；

所述正极板和负极板的高度为50～300毫米，正极板和负极板的厚度为5～30毫米，正极板和负极板的宽度为50～400毫米；

所述介质板的高度为120～800毫米，介质板的厚度为10～40毫米，介质板的宽度为50～400毫米；

所述正极板下端部为由外侧至内侧逐渐向下倾斜的斜面，所述负极板上端部为由外侧至内侧逐渐向上倾斜的斜面，二者与介质板接触的下端部位置处为直线边或锯齿边或弧形边；

所述正极板和负极板由金属复合石墨材料制成，所述介质板由高阻抗的材料制成，所述金属复合石墨材料的制备方法包括以下步骤：

⑴将石墨和金属粉末加入球磨机内常温下研磨成混合粉末，石墨与金属粉末配比为60～95%:5～40% ；

⑵将混合粉末加入模具中一层，覆盖一层碳纤维织物，其上覆盖一层混合粉末，压实；

⑶再覆盖一层混合粉末，再覆盖一层碳纤维织物，再覆盖一层混合粉末，压实；

⑷将模具放入真空环境中，在压力300～600MPa的条件下，压实3～5分钟后成型；

⑸成型后取出进行烧结，烧结温度750～1000摄氏度，保温时间为4～8小时后制得成品；

步骤⑵所述压实后再铺一层细铜网。