CN107437724A - 一种阶梯组合式雷电电磁中和器矩阵 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种阶梯组合式雷电电磁中和器矩阵，包括若干个雷电电磁中和器(6)；所述的雷电电磁中和器(6)包括接闪器(1)、可变电容(2)和导体(3)；所述的可变电容(2)顶部与接闪器(1)连接，其底部通过导体(3)接地；所有雷电电磁中和器(6)的可变电容(2)通过设置不同的电平阈值，并在防雷区域以该阈值的大小成阶梯式排列。本发明的雷电电磁中和器矩阵能对不同规模、来自不同方向的雷云进行提前预警，感应促使雷云团电荷剧烈运动，达到中和雷云团自身电荷，以降低雷电云团放电瞬间电流脉冲的强度。

Description

一种阶梯组合式雷电电磁中和器矩阵

技术领域

本发明涉及防雷避雷领域，具体涉及一种阶梯组合式雷电电磁中和器矩阵。

背景技术

雷电是带电云层对地面的剧烈放电现象，强大的雷电流会对建筑物和地面设备造成严重的破坏。人们利用物体尖端电晕放电的现象，将一金属物体(称为接闪体)做成尖锐形状后放置在高处，当雷云中的电荷足够大时，接闪体向上放电与雷云下行放电形成一个放电通道，将雷云中的电荷放掉，使云层所带的电荷和地上的电荷逐渐中和，避免引发事故，这种装置称作避雷针。

传统的避雷针对建筑物的防护起到了很大很好的作用，但引雷方式进行避雷存在着很多缺陷，主要体现在如下几点：1、对直击雷的防护效果差，往往还会引来直击雷；2、对雷云的防护具有被动性和延时性，做不到提前主动防护；3、防护面积小，不能灵活的应对来自不同方向的雷电云团，对较小的带电雷云团防护敏感性差；4、不能确定所经过雷云团电荷量的大小，不能掌握经过所在区域雷云团的状况。

发明内容

本发明的目的在于，为解决现有的避雷针在防雷避雷方面存在的安全隐患及防雷效果差的技术问题，提供一种性价比较高、高可靠性的阶梯组合式雷电电磁中和器矩阵，该雷电电磁中和器矩阵能对不同规模、来自不同方向的雷云进行提前预警，感应促使雷云团电荷剧烈运动，达到中和雷云团自身电荷，以降低雷电云团放电瞬间电流脉冲的强度。

为实现上述目的，本发明提供了一种阶梯组合式雷电电磁中和器矩阵，包括若干个雷电电磁中和器；所述的雷电电磁中和器包括接闪器、可变电容和导体；所述的可变电容顶部与接闪器连接，其底部通过导体接地；所有雷电电磁中和器的可变电容通过设置不同的电平阈值，并在防雷区域以该阈值的大小成阶梯式排列。

通过在不同方向设置雷电电磁中和器，按需要设置每个雷电电磁中和器的可变电容阈值，组成了雷电电磁中和器矩阵，扩大了防雷区域的保护面积和角度。

作为上述技术方案的进一步改进，还包括若干个避雷针；所述的避雷针与雷电电磁中和器相配合，该避雷针通过向上放电和雷云团的下行电荷形成放电通道，以泄放雷云团中经雷电电磁中和器进行电荷中和作用后剩余的电荷。

具体说就是把不同方向雷电电磁中和器的可变电容预先设置成不同大小的阈值，灵活应对来自各个方向携带不同大小电荷的带电雷云团。每个雷电电磁中和器积累的电荷量增长到超过可变电容设定的阈值时，将电容击穿，产生瞬时放电电流。所述的瞬时放电电流引起空间电磁场的变化生成了位移电流，位移电流通过电磁感应效应感应雷云团的电荷运动，促使雷云团中的电荷振荡，以中和掉部分电荷。电容上的电流放电改变了电容上方接闪器上的电荷分布，从而进一步引起了接闪器放电，由于库仑力的作用使带电雷云团电荷运动，促使带电雷云团自身电荷中和。当带电雷云团的电荷过多，导致振荡运动不足以中和掉雷云团的全部电荷时，雷电电磁中和器通过其所带的传统避雷针装置把雷云团剩余的电荷泄放掉。因为雷云团中的部分电荷已经被雷电电磁中和器中和掉，使得传统避雷针装置的泄放电流大大降低，从而达到了保护建筑物、电子设备以及避雷针本身的目的。

作为上述技术方案的进一步改进，所述的雷电电磁中和器还包括电流计；所述的电流计连接在导体上，用于测量感应电压。

本发明的一种阶梯组合式雷电电磁中和器矩阵的优点在于：

1、通过将多个雷电电磁中和器组成雷电电磁中和器矩阵，雷电电磁中和器矩阵能够根据需要防护区域的地理条件进行合理布置，将最需要防护的区域作为防护中心，从该防护中心向不同方向布置不同防护等级的雷电电磁中和器；

2、扩大了保护范围；每个雷电电磁中和器与防护中心的间隔可以从几百米到几十公里；

3、每个雷电电磁中和器均带有电流计，能计量雷云团电荷的大小，从而对经过的雷云团带电量有一个大致的评估；

4、本发明的阶梯组合式雷电电磁中和器矩阵应用领域广泛，可以应用在通信广播台站、石油石化设施、军事目标、气象观测台站、机场、银行学校以及其他一般建筑物的雷电防护。

5、本发明的雷电电磁中和器矩阵具有结构简单、成本低、易于维护及抗电磁干扰能力强的特点。

附图说明

图1为本发明实施例中的雷电电磁中和器的结构示意图。

图2为大多数情况雷云团是云团上层是正电荷，下层是负电荷时，利用本发明实施例中的雷电电磁中和器与避雷针配合示意图。

图3为较少情况下雷云团是云团上层是负电荷，下层是正电荷时，利用本发明实施例中的雷电电磁中和器与避雷针配合示意图。

附图标记

1、接闪器 2、可变电容

3、导体 4、电流计

5、避雷针 6、雷电电磁中和器

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明所述的一种阶梯组合式雷电电磁中和器矩阵进行详细说明。

本发明的一种阶梯组合式雷电电磁中和器矩阵，包括若干个雷电电磁中和器；如图1所示，每个雷电电磁中和器均由接闪体1、可变电容2、和导体3组成。所述的可变电容2顶部与接闪器1连接，其底部通过导体3接地；几个雷电电磁中和器组成了雷电电磁中和器矩阵，每个雷电电磁中和器的可变电容根据需要设置为不同的电平阈值，并在防雷区域以该阈值的大小成阶梯式排列，提高了防护的敏感性。

雷电电磁中和器的可变电容上积累的电荷量增长到超过可变电容的阈值时将电容击穿，产生瞬间直流放电电流。瞬间直流放电电流引起空间电磁场的变化生成了位移电流，位移电流通过电磁感应效应感应雷云团的电荷运动，促使雷云团中电荷振荡，中和掉部分电荷。而可变电容上的电流放电改变了电容上方接闪器的电荷分布，引起接闪器放电，由于电荷库仑力的作用使带电雷云团电荷运动，促使带电雷云团自身电荷的中和。在需要防护区域的周围布置数量不等的雷电电磁中和器组成雷电电磁中和器矩阵，对所需要防护的区域进行立体防护。

本发明中的单个雷电电磁中和器的可变电容电量增加到一定程度时，使可变电容导通，从而降低了接闪器和雷云团之间的电压，避免了雷击的发生。

根据法拉第电磁感应定律，可变电容导通的瞬间产生脉冲电流,脉冲电流引发了位移电流，位移电流引起了磁感应强度的变化，由于电磁感应效应引起了雷云团中的电荷运动，促进了电荷的中和。

当雷电电磁中和器中的可变电容导通时，接闪器上的电荷突然放电，由于电荷库仑力的作用使雷云团上的电荷急剧振荡运动，导致雷云团上电荷相互中和，达到促使雷云团提前放电的目的，从而大大提高了防直击雷的可靠性和敏感性。

基于上述结构的雷电电磁中和器矩阵，如图2所示，在本实施例中所述的雷电电磁中和器6还配置了传统的避雷针5，当雷云团所带电量实在太大，感应效应促使雷云团电荷运动不足以中和掉雷云团自身全部电荷时，利用传统的避雷针起作用。通过避雷针引雷的方式，形成放电通道，将雷云团中剩余电荷泄放掉。因为部分电荷已经被雷电电磁中和器6所中和掉，此时由避雷针泄放的电流较没有中和的情况下大大降低，达到保护建筑物和设备的效果。

另外，如图1所示，所述的雷电电磁中和器还可包括电流计4；所述的电流计连接在导体3上。本发明中连接的电流计可以测量感应电压的大小，有助于雷云团带电强度的分析计算。根据法拉第电磁感应定律，电场的变化引起感应电动势，通过电流计的测量，可以计算出感应电动势的大小，这样对所经过的雷云团带电状况有了大致的了解。

通过在一定面积范围内，按照不同方向，地理位置，地形地貌布置不同的雷电电磁中和器，对雷电电磁中和器里的可变电容设置不同的电平阈值，组成雷电电磁中和器矩阵用来防雷，增强了防护的敏感性，使防护半径大大增强，增加了雷电电磁中和器矩阵的保护角度和范围。

根据雷电电磁中和器的布置区域和防护需要设置可变电容器的导通电压。即根据国家对建筑物防护等级的规定，灵活设置可变电容的击穿电压等级，该电压等级可以是等间隔的也可以是非等间隔的。对于雷电电磁中和器矩阵的排列，一般遵循可变电容导通电压阈值由防护区外围向防护区中心自低向高分布排列。对于防护等级高的建筑物，最外围中和器可变电容的导通电压需要设置低点，如设置为4000V或6000V。对于防护等级低的建筑物，最外围中和器可变电容的导通电压需要设置高点，如设置为8000V或12000V。对于容易引发雷电的区域，最外围中和器可变电容的导通电压可以设置低点，对于较少引发雷电的区域，最外围中和器可变电容的导通电压可以设置高点。

例如：对于一个建在城墙外的面粉仓库，仓库的北面区域是开阔的农田、河流；仓库的南面就是城墙环绕的小城镇。在仓库的北面20公里、10公里和5公里可以分别设置雷电电磁中和器；20公里处可变电容击穿电压阈值可以设置为2000V，10公里处的可变电容击穿电压阈值可以设置4000V，5公里处的可变电容击穿电压阈值可以设置为6000V，仓库保护点的可变电容击穿电压阈值设置为8000V。这样当雷云团从北面飘来时，雷电电磁中和器对雷云团中的电荷相继感应中和，从而迫使雷云团的电荷不过多集聚。在仓库的南面可以设置一个雷电电磁中和器，其可变电容可以设置为6000V，因为来自于南面的雷云团机率较少，雷云团电荷较小，所以设置一个6000V的电磁中和器就可以对南面的雷云团进行中和。

利用上述结构的雷电电磁中和器矩阵进行防雷的具体过程为：当出现小规模雷电云团接近雷电电磁中和器时，雷电电磁中和器的可变电容的阴阳极上感应了电荷,当可变电容上感应电荷引起的电压超过可变电容的导通电压时，电容导通并且电容阴阳极之间产生瞬间电流。根据法拉第电磁感应定律，电容导通的瞬间产生脉冲电流，脉冲电流引发了位移电流，位移电流引起了磁感应强度的变化，由于感应效应引起了雷云团中的电荷运动，促进了电荷的中和。实现了雷云团提前放电的功能，从而降低了雷电流的脉冲强度。另一方面，可变电容电量的导通,改变了接闪器上电荷的分布，促使接闪器放电。由于电荷库伦力的作用，改变了雷云团中电荷分布，促使雷云团中的电荷进一步中和。此时接闪器的电压和大地相等，降低了雷云团和接闪器所保护建筑物之间的电压，达到了保护建筑物的目的。可变电容导通，其上面的感应电荷中和后，可变电容恢复到截止状态。当雷云团上的感应电荷引起的电压再次超过可变电容的导通电压时，会重复上述感应电荷中和现象，继续对雷云团的电荷进行脉冲振荡，不断中和雷云团中的电荷。

当雷云团中的电荷积聚过快，电荷过多的时候，利用雷电电磁中和器矩阵不足以消耗掉雷云团中的电荷时，导致传统避雷针上的接闪器感应到一定量的电荷，这时候通过传统避雷针的接闪器尖端向上放电，和雷云的下行电荷形成通道，使雷云团中的经雷电电磁中和器进行电荷中和作用后剩余的电荷导向大地，达到保护建筑物和电子设备的效果。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种阶梯组合式雷电电磁中和器矩阵，其特征在于，包括若干个雷电电磁中和器(6)；所述的雷电电磁中和器(6)包括接闪器(1)、可变电容(2)和导体(3)；所述的可变电容(2)顶部与接闪器(1)连接，其底部通过导体(3)接地；所有雷电电磁中和器(6)的可变电容(2)通过设置不同的电平阈值，并在防雷区域以该阈值的大小成阶梯式排列。

2.根据权利要求1所述的阶梯组合式雷电电磁中和器矩阵，其特征在于，还包括若干个避雷针(5)；所述的避雷针(5)与雷电电磁中和器(6)相配合，该避雷针(5)通过向上放电和雷云团的下行电荷形成放电通道，以泄放雷云团中经雷电电磁中和器(6)进行电荷中和作用后剩余的电荷。

3.根据权利要求1所述的阶梯组合式雷电电磁中和器矩阵，其特征在于，所述的雷电电磁中和器(6)还包括电流计(4)；所述的电流计连接在导体(3)上，用于测量感应电压。