CN107924602B - 利用双极子避雷针的雷击警报系统 - Google Patents

利用双极子避雷针的雷击警报系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及利用双极子避雷针的雷击警报系统，作为由大地电荷被带电的杆件、通过雷云带电的带电板或带电管组成的利用双极子避雷针的雷击警报系统，其组成包括：用电连接在所述杆件和所述带电板或带电管之间，并利用通过雷云在所述带电板或带电管上产生的电能发光的至少一个发光部。根据所述的雷击警报系统，用户可以用肉眼观察到雷击的冲击电流安全地流向大地的动作正常运行，从而带给人们心理上的安全感。

Description

利用双极子避雷针的雷击警报系统
技术领域
本发明涉及安装在雷云接近时预防大地电荷而减少雷击概率的双极子避雷针，并利用导入所述双极子避雷针带电管的电压，发出危险报警，从而减少人身伤害的利用双极子避雷针(BCAT：Bipolar Conventional Air Terminal)雷击警报系统。
背景技术
随着全球气候温暖化，台风和局地暴雨强度逐渐增加，导致雷击事故也频繁发生。韩国国内也由于高尔夫球、登山等活动的增加，雷击伤害事故也随之增多，急需制定出一种相关的应对方案。
作为雷击的发生原因的雷云由电气充电，大体上上部为带正电荷的冰晶，下部为由带负电荷的水珠。雷击是将雷云带有的电荷通过破坏空气绝缘向大地释放的现象，在此过程中发生电磁场，进而传播到大气中。发生雷击位置的分析技术可以预测雷云的活动和移动路径以及雷击的发生，广泛应用于各种领域，如发射宇宙飞船时可以用来观测气象条件，用来为地上主要建筑物和电力设备制定安全对策，保护高尔夫球场和运动场上的活动安全等，可以用来观测气象和雷击，并制定防灾方案。
雷击报警系统可以为了预防雷击伤害，预测和发出警报，从而减少人身伤害。现有技术上的雷击报警系统是主要测定大地电场，进而警报或预测雷击。此时雷击报警系统利用高频或低频的干扰现象或者通过检测局部电场发生警报，或者雷击流入富兰克林避雷针时发生警报。
但所述现有技术是利用干扰现象，或者是局部检测警报传感器只有检测和警报功能。而富兰克林报警系统则具有诱导雷击的作用，附近的人受到伤害的可能性大。
发明内容
技术问题
为了解决上述的缺点，本发明的目的在于提供一种利用BCAT的雷击警报系统，所述利用BCAT的雷击警报系统是，双极子避雷针在随着雷云的接近大地电压上升时，将该上升电压通过电晕放电缓解，进而减少雷击概率，并测定此时随着雷云的接近诱导于放电罩的电压并发出发生雷击危险警报。
技术手段
本发明所采用的技术方案是，作为由大地电荷被带电的杆件、通过雷电带电的带电板或带电管组成的利用电晕放电的雷击警报系统，包括：至少一个传感器部，其用电连接在所述杆件和所述带电板或带电管(下面为了说明的便利，统称为放电罩)之间，测定通过雷云在所述带电板或带电管带电产生的电能；以及，控制部，其在由所述至少一个传感器部测定的电能大小大于既定的基准电能时判断成雷云接近。
本发明是利用BCAT的雷击警报系统，所述至少一个传感器部包括：至少一个发光部，其用电连接在所述杆件和所述带电板或带电管之间，利用通过雷云在所述带电板或带电管带电产生的电能发光；以及，至少一个受光部，其接收所述至少一个发光部发出的光后转换成电能，将转换的电能传送到所述控制部。
本发明是利用BCAT的雷击警报系统，所述至少一个发光部由相互不同极性的发光元件并联组成，因此即使输入极性不同的电流，但都能发光。
本发明是利用BCAT的雷击警报系统，所述至少一个传感器部还包括：遮光块，其收容所述至少一个发光部和至少一个受光部，在所述杆件和所述带电板或带电管之间保持电接触状态，并利用在所述带电板或带电管带电产生的电能供应给所述至少一个发光部；拧结螺栓，其形成将所述遮光块的一端固定支承的装卸用凹入槽；弹簧，其设置在所述装卸用凹入槽内并弹性支承所述遮光块。
本发明是利用BCAT的雷击警报系统，所述带电板或带电管的周围方向上补充形成有遮光块结合部，该遮光块结合部具有将遮光块和拧结螺栓包住的状态加以保护的凸出结构。
本发明是利用BCAT的雷击警报系统，所述遮光块结合部上，为了可在所述带电板或带电管上装卸，形成有可互补结合的拧结用结合口。
本发明是利用BCAT的雷击警报系统，所述杆件的周围方向上形成有将所述遮光块的长度方向一端上形成的端子片收容在内侧的端子片收容槽。
技术效果
根据上述的本发明，其有益效果在于，利用在双极子避雷针放电罩上发生的诱导电压，测定雷云接近时在带电板或带电管上形成的雷云的电能，预测随着雷云的接近要发生的雷击，发出危险警报，从而减少人身伤害。
附图说明
图1是本发明一实施例的利用BCAT的雷击警报系统的整体结构图；
图2是本发明一实施例的利用BCAT的雷击警报系统的剖视图；
图3是显示图2的至少一个传感器部结构的放大图；
图4是显示图2的至少一个传感器部遮光块结合部的另一实施例的放大图；
图5是本发明的实施例的至少一个传感器部和控制部等的电路图；
图6是显示本发明一实施例的从雷云的正极性雷云和负极性雷云中发生的电流或电压的图表；
图7是说明本发明一实施例的利用BCAT的雷击警报系统的运行流程图；
图8是测定放电罩和杆件之间产生感应的电压大小的实验装置；
图9是测定放电罩和杆件之间产生感应的电压大小的实验装置的实际图片。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明实施例的具体内容。
说明本发明时同一个部分使用同一符号，反复的内容则省略。
首先结合图1说明本发明的优选实施例。
本发明实施例的利用BCAT的雷击警报系统的组成包括：由双极子避雷针构成的放电和接闪部(10，BCAT)；检测电晕放电电压的至少一个传感器部(40)；以及根据测定的电压大小发生雷击警报的控制部(60)；供应电源的供电部(90)。另外，其组成还可以包括：发生警报的警报部(70)，或者将发生警报及测定电压或电场值记录下来的数据记录部(80)。大地上设置接地部(50)。
首先放电和接闪部(10)以雷云接近时为阻断大地电压上升而发挥电晕放电或接闪作用的双极子避雷针(或双极子避雷装置)构成。下面放电和接闪部(10)的用语与双极子避雷装置的用语混用。放电和接闪部(或避雷装置)(10)的组成包括：通过雷云带电的带电板(200)或带电管(300)，以及大地电荷被带电的杆件(100)。
杆件(100)上设置有绝缘体(110)，用来将带电板(200)和带电管(300)相互绝缘。因此杆件(100)和带电板(200)或带电管(300)被相互绝缘。因雷云而发生雷击时，雷击的冲击电流通过杆件(100)安全地流向大地。
至少一个传感器部(40)是将由带电板(200)或带电管(300)(下称放电罩)上产生感应的电压转换为光，并重新变换为电压的装置。
至少一个传感器部(40)的组成包括：通过在放电罩上生成的电压发光的至少一个发光部(410)；接收由至少一个发光部(410)发光的光的至少一个受光部(450)。
至少一个发光部(40)是用电连接在杆件(100)、带电板(200)以及带电管(300)之间，通过带电板(200)或带电管(300)被雷云带电的电能发光。至少一个受光部(450)接收由至少一个发光部(410)发光的光后，给控制部(60)传送输出信号(或输出电压、输出电流)。此时输出电压或输出电流的大小与光的强度成比例。
然后控制部(60)根据测定的电压大小发生雷击警报。就是说，控制部(60)将从至少一个传感器部(40)接收的电压换算为电场值，超过预定的基准值则判断成发生雷击。优选地，控制部(60)在基准值以上时发生警报信号(或告警信号)。
供电部(90)是给放电和接闪部(10)、至少一个传感器部(40)、控制部(60)等供电的装置。优选地，供电部(10)由太阳能板和电池组成。就是说，设置在不易供电的外部时，为了驱动系统，配备太阳能板，自主产电供应。
然后，警报部(70)是由警灯或蜂鸣器组成的告警装置。或者优选地，警报部(70)通过有无线，将警报内容传送给管制服务器(无图示)或负责人终端(移动终端等)(无图示)。
然后，数据记录部(80)记录由警报部(70)或控制部(60)换算的电场值数据。就是说，数据记录部(80)将由至少一个传感器部(40)测定的电晕放电电压，按照一定周期或既定的事件，求出相应的测定电压或测定电流后记录。接地部(50)是为了保持低接地电阻，由珍珠岩接地组件组成。
下面结合附图进一步详述本发明一实施例的放电和接闪部(10)的结构。
如图2所示，放电和接闪部(10)由大地电荷被带电的杆件(100)；通过雷云带电的带电板(200)或带电管(300)组成。至少一个传感器部(40)用电连接在杆件(100)、带电板(200)或带电管(300)之间，可以利用通过雷云使带电板(200)或带电管(300)带电(以下为了方便说明称为“诱导”)的电能发光。图2中显示的放电和接闪部(10)在本发明人申请的专利申请号10-2015-0112447中也曾公开过。
首先，杆件(100)延长为一定长度，进而垂立在户外大地上，并发挥使大地电荷带电的作用。
杆件(100)的下端部上可以补充设置可将杆件(100)稳定地固定的同时进一步提升与大地的接触面积的固定盘(101)。固定盘(101)是具有一定厚度的平板型部件，表面设置有拧结口(无图示)，用于坚固地固定在地面或建筑结构物上。杆件(100)的下端部与接地部(50)接地。
杆件(100)的长度方向一侧和另一侧上分别设置有绝缘体(110)，使所述杆件(100)和后述的带电板(200)以及带电管(300)相互绝缘。
绝缘体(110)是用陶瓷或合成树脂材料制作的绝缘体，分为设置在杆件(100)上部的第一绝缘体(110a)，以及设置在下部的第二绝缘体(110b)，第二绝缘体(110b)上形成杆件(100)被贯穿结合的贯穿孔(111)，外侧的周围半径上形成可插入带电管(300)内侧的绝缘楔形部(112)。
绝缘楔形部(112)是在风的影响下雨水流入带电管(300)内部时，可以将流入的雨水引向带电杆(300)的外侧，同时具有一定长度而充分确保带电管(300)和杆件(100)之间的绝缘距离。为此，绝缘楔形部(112)是上部窄、下部宽的多个圆锥形部件连续连接在同一线上的结构。
带电板(200)设置在杆件(100)的长度方向上端，并设置在第一绝缘体(111a)下方。带电板(200)与杆件(100)保持电绝缘状态，与带电管(300)用电连接，是与大地电荷相反的极性被带电的构成要素。
带电板(200)是在圆周方向边缘上可以反复形成皱纹(201)状。因为通过皱纹(201)可以诱导向所述带电板(200)的圆周方向均等地分配放电。
所述带电板(200)是在结构上雷击流入时电场被集中，使雷云和大地之间放电变得容易。
此外，带电管(300)位于杆件(100)长度方向的一部分区段即第一绝缘体(110a)和第二绝缘体(110b)之间，与带电板(200)用电连接，是与大地电荷相反极性的电荷被带电的结构。所述带电管(300)呈管状，在其中心形成中孔，用于所述杆件(100)的结合。
杆件(100)上设置用来支撑带电管(200)和第一绝缘体(110a)的支撑体(130)。
带电管(300)的周围方向上部和下部形成多个具有一定大小的贯穿槽(310)。
控制部(60)与带电管(300)可以用电连接。具体地说，在电能被雷云带电于带电板(200)或带电管(300)，带电管(300)实施发光作用并将在发光作用中发出的光利用光电二极管转换成电压后传送至控制部(60)。
然后结合图3详述本发明第一实施例的至少一个传感器部(40)的结构。
如前所述，至少一个传感器部(40)设置在杆件(100)和带电板(200)或带电管(300)之间。
至少一个传感器部(40)是通过检测随着雷云的接近在放电罩上产生感应的电压而发光与否以及大小来判断雷云的接近。就是说，雷击的冲击电流发生之前先发挥发光作用对此进行检测，进而检测到通过避雷装置执行使雷击的冲击电流安全地流向大地的正常动作,进一步引发雷击发生的可能性。相反雷云已接近但至少一个传感器部(40)未检测到则可以知道杆件(100)和大地之间发生了接地不良，因此可以迅速采取措施，预防建筑物遭到雷击发生火灾、破损和人身伤害，而且可以避免避雷装置虽然正常运行但每次需要作业人员定期到安装场所进行检查的麻烦。
具体是，至少一个传感器部(40)的组成包括：保持对杆件(100)和带电板(200)或带电管(300)的电接触状态并发挥闪烁作用的至少一个发光部(410)；形成将至少一个发光部(410)的一端固定支撑的装卸用凹入槽(421)的拧结螺栓(420)；设置在装卸用凹入槽(421)内并弹性支承至少一个发光部(410)的弹簧(430)；接收由至少一个发光部(410)发光的光后转换成电流或电压输出的至少一个受光部(450)。优选地，其组成还可以具备在至少一个传感器部(40)的周围设置并阻断与外部的光出入的遮光块(460)。
遮光块(460)内具备至少一个发光部(410)和至少一个受光部(450)。
至少一个发光部(410)由LED发光元件构成，优选地，可以利用附加本领域公知的电压稳定化电路的LED元件制作使用。至少一个发光部(410)可以使用用于水银灯、金属卤化物灯的放电管(也称‘电弧管’)。
在遮光块(460)的两端部分别形成用于通电的端子片(411a,411b)。遮光块(460)的一侧端部上设置的端子片(411a)与带电杆(100)接触，设置在另一侧端部的端子片(411b)与带电板(200)或带电管(300)接触，进而保持电连接状态。
拧结螺栓(420)以将带电板(200)或带电管(300)贯穿的状态下通过螺丝结合，外周方向上形成拧结用螺丝部(422)，一侧端部上形成将至少一个发光部(410)的一端固定支撑的装卸用凹入槽(421)。
装卸用凹入槽(421)的开放面上形成将至少一个发光部(410)的端子片(411b)卡住控制的拧结用卡合坎(421a)。所述拧结螺栓(420)用可通电的金属材料制成。
弹簧(430)设置在装卸用凹入槽(421)，用于将与装卸用凹入槽(421)结合的遮光块(460)弹性支承。就是说，弹簧(430)在外部有冲击时可以保护遮光块(460)不易破损和确保电连接。
带电杆(100)的周围方向上形成将遮光块(460)的端子片(411a)收容在内侧的端子片收容槽(140)。因为端子片收容槽(140)的构成可以防止端子片(411a)流动并保持稳定接触状态。遮光块(460)的端子片(411a)可以设置成其面直接接触于带电杆(100)外周面的结构。
优选地，带电板(200)或带电管(300)的周围方向上可以补充形成一遮光块结合部(350)，其具有以将遮光块(460)和拧结螺栓(420)包住状态保护的凸出结构。
遮光块结合部(350)的效果在于可以进一步明确地识别至少一个传感器部(40)的设置位置。
图4是图示遮光块结合部(350)的另一实施例，其中，遮光块结合部(350)为了可在带电板(200)或带电管(300)装卸，形成一拧结用结合口(351)用于互补结合。
具体是，遮光块结合部(350)为了带电板(200)或带电管(300)隔着遮光块结合部(350)向上下方向结合，由第一拧结用结合凸块(351a)和第二拧结用结合凸块(351b)构成，带电板(200)或带电管(300)上分别形成与第一拧结用结合凸块(351a)和第二拧结用结合凸块(351b)对应结合的拧结槽(301)。
遮光块(460)内的至少一个受光部(450)设置成与至少一个发光部(410)相面对，优选地，用光电二极管(PD)构成。光电二极管(PD)的输出信号是与控制部(60)连接传送。光电二极管(PD)的输出信号是根据由至少一个发光部(410)发光的光的强度，使电流或电压的大小成比例地变大。进而控制部(60)在至少一个受光部(450)或光电二极管(PD)的电流强度或电压强度大于既定的一定大小时检测为雷云接近。
然后说明本发明第二实施例的至少一个传感器部(40)的结构。之前在第一实施例中，至少一个传感器部(40)的至少一个发光部(410)和至少一个受光部(450)与拧结螺栓(420)连接构成，但在第二实施例中，至少一个发光部(410)和至少一个受光部(450)设置在控制部(60)内或邻近设置。就是说，到至少一个传感器部(40)的设置位置为止，将连接于带电板(200)或带电管(300)以及杆件(100)的电线(导线)引出后连接到至少一个传感器部(40)上具备的至少一个发光部(410)的输入端。
然后结合图5说明本发明一实施例的至少一个传感器部(40)和控制部(60)的电路结构。
如图5所示，至少一个传感器部(40)用输入电源(In 1)和接地(G)连接，输入电源(In 1)与带电板(200)或带电管(300)用电连接，接地(G)用电连接于杆件(100)。就是说，至少一个传感器部(40)的至少一个发光部(410)的电源是带电于带电板(200)或带电管(300)的电力，供应的带电电源是通过杆件(100)接地。
至少一个传感器部(40)具备至少一个发光部(410)，将被雷云带电的电源或电压转换成光。就是说，至少一个传感器部(40)是利用在双极子避雷针中电晕放电时的电压转换成光。
转换成光的目的是，低压时测定电路上没有问题，但避雷针受到雷击时，高电压导入电压测定电路而会使电路部遭到破坏。就是说，根据绝缘目的和LED元件的电压上升，测定线性光量变化，利用光传感器重新转换成电压后输入于控制电路。
至少一个发光部(410)是为了即使被输入极性不同的电流，但全都能发光，将相互不同极性的发光元件并联构成。因为如图6所示，雷云分为正极性和负极性。场磨式传感器可以分极性，但普通富兰克林凸针式雷击检测装置是难以分极性。因此至少一个发光部(410)为检测各个极性的电路部，如果是正极性雷云则光转换部的正极性元件动作，如果是负极性雷云则负极性元件动作。
至少一个受光部(450)由光电二极管(PD)等元件构成，根据在至少一个发光部(410)发光的光的强度，输出电压或输出电流变高。
由至少一个传感器部(40)输入的电压高于基准电压时，控制部(60)会立即给警报部(70)发送告警信号。将此时发生的测定值传送给数据存储部并记录该数据。
警报部(70)是接收输入信号后使警灯运行，同时播放蜂鸣音告知危险状况。
数据存储部(80)将测定的信号值存储为电场值(KV/M)，并将时间数据一并存储。
本发明的雷击警报系统是设置在外部，因此电路部的寿命和运行稳定性容易受到环境影响。为了解决对温度的影响，高于或低于一定温度时，使散热风扇和加热器运行而解决。
下面结合图7说明本发明一实施例的雷击警报系统的运行。
如图7所示，首先在双极子避雷针监测随着雷云的接近上升的电压(S10)。然后随着雷云的接近，至少一个传感器部(40)运行。
然后控制部(60)检测至少一个传感器部(40)的输出，与至少一个传感器部(40)的既定的输出基准值(基准电压)相比较(S20)。大于基准值时判断成雷云接近(S30)。判断成雷云接近时，就是输入为1，则给警报部(70)传送运行信号。
给警报部(70)传送运行信号以后，至少一个传感器部(40)会持续检测输出(S40)。至少一个传感器部的信号持续时，控制部(60)使警报部(70)继续运行。并存储此时发生的数据(S50)。
如果判断成雷云未接近，则解除警报部(70)(S60)。就是说，没有信号时判断成没有雷云，并解除警报部(70)。
本发明为了确认随着雷云的接近在放电罩上产生感应的电压，在实验室进行了相关模拟实验，
首先，图8是对高电压供应装置连接双极子避雷装置(BCAT)，在圆盘和BCAT之间施加电压后，测定放电罩和杆件(100)之间产生感应的电压大小的实验装置。高电压供应装置是进行圆盘对针状电极的空气中绝缘破坏试验的高电压发生装置，是广泛应用于高电压领域的公知的设备，
对高电压发生装置的输出端连接取代本发明中应用的BCAT和雷云的圆盘，然后对接地的BCAT的杆件和圆盘之间施加电压，
测定了用于检测与BCAT的接地的杆件和与接地的杆件绝缘的带电管或带电板(放电罩)之间产生感应的电压大小的电压表(或用于检查发光状态的灯)中测定的电压，其测定结果如下表。就是说，雷云接近时，与BCAT的接地杆件和与接地的杆件绝缘的带电管或带电板(放电罩)之间可以产生电压感应，进而发光装置发光。
[表1]
Figure BDA0001474467720000101
在上述表中，灯是本领域公知的市售的AC 220V用钠放电灯的发光管(tube)。
如上所述，本发明是将带电板(200)或带电管(300)用电连接，并带电以后由至少一个传感器部(40)检测此，然后在控制部(60)运行警报，其有益效果在于可以明确确认避雷装置的接地状态和正常运行与否。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，但依然可以对本发明进行修改；而这些修改，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例所述技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种利用双极子避雷针的雷击警报系统，其特征在于，
作为由大地电荷被带电的杆件、通过雷电带电的带电板或带电管组成的利用双极子避雷针的雷击警报系统，包括：
至少一个传感器部，其电连接在所述杆件和所述带电板或带电管之间，测定通过雷云在所述带电板或带电管带电的电能；以及
控制部，其在由所述至少一个传感器部测定的电能大小大于既定的基准电能时判断成雷云接近，
所述至少一个传感器部包括：
至少一个发光部，其电连接在所述杆件和所述带电板或带电管之间，利用通过雷云在所述带电板或带电管带电产生的电能发光；
至少一个受光部，其接收所述至少一个发光部发出的光后转换成电能，将转换的电能传送到所述控制部；以及
遮光块，其收容所述至少一个发光部和至少一个受光部，在所述杆件和所述带电板或带电管之间保持电接触状态，并利用在所述带电板或带电管带电产生的电能供应给所述至少一个发光部，
所述至少一个发光部即使被输入极性不同的电流也能发光。
2.根据权利要求1所述的利用双极子避雷针的雷击警报系统，其特征在于，
所述至少一个发光部由相互不同极性的发光元件并联组成。
3.根据权利要求1所述的利用双极子避雷针的雷击警报系统，其特征在于，
所述至少一个传感器部还包括：
拧结螺栓，其形成将所述遮光块的一端固定支承的装卸用凹入槽；
弹簧，其设置在所述装卸用凹入槽内并弹性支承所述遮光块。
4.根据权利要求3所述的利用双极子避雷针的雷击警报系统，其特征在于，
所述带电板或带电管的周围方向上补充形成有遮光块结合部，该遮光块结合部具有将遮光块和拧结螺栓包住的状态加以保护的凸出结构。
5.根据权利要求4所述的利用双极子避雷针的雷击警报系统，其特征在于，
所述遮光块结合部是为了可在所述带电板或带电管上装卸，形成有可互补结合的拧结用结合口。
6.根据权利要求3至5中的任意一项所述的利用双极子避雷针的雷击警报系统，其特征在于，
所述杆件的周围方向上形成有将所述遮光块的长度方向一端上形成的端子片收容在内侧的端子片收容槽。
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