CN109038530A - 一种基于位移电流的雷电电磁中和器及其参数计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于位移电流的雷电电磁中和器及其参数计算方法，所述雷电电磁中和器包括：接闪器(1)、可变电容(2)、可变电阻(3)和引下线(4)。本发明还提供了一种基于位移电流的雷电电磁中和器的参数计算方法，用于计算所述雷电电磁中和器的参数，所述方法包括：步骤1)基于雷云的近似等效电路模型和所述雷电电磁中和器建立闭合电路；步骤2)根据基尔霍夫第一定律计算t时刻的雷电电磁中和器的感应电压；步骤3)根据雷电电磁中和器的可变电容(2)的电容值，计算可变电容(2)产生的位移电流iCv、可变电阻(3)流过的传导电流iR及产生的总位移电流I；步骤4)根据产生的总位移电流I计算闭合电路的中和参数。
Description
技术领域
本发明属于雷电防护领域，具体涉及一种基于位移电流的雷电电磁中和器及其参数计算方法。
背景技术
雷闪放电是自然界所产生的一种大气中的火花放电。雷闪放电由带电荷的雷云引起。由于对流的存在，气流中的冰晶或水滴碰撞后分裂并电离，产生比重不同的带电微粒，在重力和浮力的作用下，带有正负电荷的微粒逐渐分离而产生分层。通常带正电的云粒在云的上部，而带负电的云粒在云的下部，并在地面上感应出大量的正电荷。整块雷云里边可以有若干个电荷中心。在带有大量不同极性或不同数量电荷的雷云之间、雷云和大地之间形成了很强的电场，其电位差可达数十至数百兆伏。随着雷云的发展和运动，一旦空间电场强度超过大气电离的临界电场强度(空气中约30千伏/厘米,有水滴存在时约10千伏/厘米),就会发生雷云之间或雷云对大地的火花放电。其电流达数十至数百千安，能量约一千兆焦，放电通道温度高达15000～20000℃,产生强烈的光和热,使空气急剧膨胀震动,发出霹雳轰鸣。在如此高的电场作用下，雷云内部空气通常处于动态电离状态而呈现较高的电导率。
雷云对大地的放电一旦发生，可能带来严重的危害。对人身安全、人工设施以及自然资源等构成了重大威胁。因此雷电防护非常重要。雷电防护的主要措施是装设避雷针。避雷针在雷云对地放电过程中通过接闪器尖端感应电荷的积累使地面电场畸变，影响放电的发展方向，吸引雷闪对避雷针放电，再经引下线和接地装置将雷电流引入大地，使被保护物免遭雷击。也就是说，雷云与避雷针之间的空气被强电场电离击穿，使空气不再绝缘，而是具有较高的电导率产生传导放电。虽然避雷针通过这种传导放电使自身引雷从而避免了人员、建筑被雷闪击中，但这种传导放电的引雷方式存在很多缺陷：
1、当雷云局部电荷过多，雷电流过大，接闪器及引下线将电流导入大地时可能产生瞬间高温致使金属融化引起火灾。
2、当避雷针附近有可燃性气体时，比如油库、森林等，避雷针引雷产生的弧闪具有火花放电的效应，可点燃可燃性气体，引发火灾。
3、当避雷针引雷时产生的巨大电磁脉冲，将对附近的电路造成破坏。比如，电子设备、电气设备、通信设备以及其中的芯片，都可能因遭受巨大电磁脉冲出现故障，甚至损坏。
上述技术缺陷的根本原因是只靠传导电流的手段泄放雷电荷，因此其安全隐患是无法克服的。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷，提出了一种基于位移电流的雷电电磁中和器，采用可变电容并联可变电阻的方式，通过雷电感应激发雷云与电磁中和器之间的空间位移电流，该位移电流在雷云端通过雷云内部的电离效应转化为传导电流，使得雷云内部产生电荷的中和放电，减少了雷云的电荷量，削弱了雷电场，产生了感应防雷的效果，从本质上区别于传导电流引雷放电方式。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于位移电流的雷电电磁中和器，所述中和器包括：接闪器1、可变电容2、可变电阻3和引下线4；所述可变电容2和可变电阻3并联，然后分别与接闪器1及引下线4串联；
所述接闪器1，用于感应雷云电荷；
所述可变电容2，用于当其两端感应的雷云电压小于第一阈值时，产生mA级别及以下的小位移电流；否则，产生mA～kA级别及以上的大位移电流；
所述可变电阻3，用于控制可变电容2产生的位移电流的时间常数，还用于防止可变电容2损坏；
所述引下线4，用于与接地网络连接。
作为上述装置的一种改进，所述可变电容2为由半导体势垒电容构成的压敏电容，所述可变电容2的变化范围设置为1nF～1μF；所述可变电阻3为半导体压敏电阻，所述可变电阻3的变化范围设置为1Ω～300MΩ。
作为上述装置的一种改进，当所述可变电阻3两端电压低于第二阈值时，所述可变电阻3处于绝缘状态；否则，可变电阻3处于饱和导通状态；所述第二阈值与第一阈值相等。
作为上述装置的一种改进，所述接闪器1为金属导体；所述引下线4为金属导体。
本发明还提供了另外一种基于位移电流的雷电电磁中和器，所述中和器包括：接闪器1、多个级联的二极管、可变电阻3和引下线4；多个级联的二极管和可变电阻3并联，然后分别与接闪器1及引下线4串联；
所述接闪器1，用于感应雷云电荷；
所述多个级联的二极管，用于当其两端感应的雷云电压小于第一阈值时，产生mA级别及以下的小位移电流；否则，产生mA～kA级别及以上的大位移电流；
所述可变电阻3，用于控制多个级联的二极管产生的位移电流的时间常数；
所述引下线4，用于与接地网络连接。
本发明还提供了一种基于位移电流的雷电电磁中和器的参数计算方法，用于计算上述的雷电电磁中和器的参数，所述方法包括：
步骤1)基于雷云的近似等效电路模型和所述雷电电磁中和器建立闭合电路；
步骤2)根据基尔霍夫第一定律计算t时刻的雷电电磁中和器的感应电压；
步骤3)根据雷电电磁中和器的可变电容2的电容值，计算可变电容2产生的位移电流iCv、可变电阻3流过的传导电流iR及产生的总位移电流I；
步骤4)根据产生的总位移电流I计算闭合电路的中和参数。
作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体为：
雷云在强烈对流的作用下粒子间不断碰撞分离产生大量电荷，形成电场，雷云的近似等效电路模型5等效为动态电源51，其电动势为ε；雷云中电场较强的区域空气产生电离，形成导电通道，等效为动态电阻52，作为动态电源51的内阻；
当雷云形成时，雷云与接闪器1之间感应电荷，进而给可变电容2充电；可变电阻3初始状态为高阻，可视作断路；可变电容2与第二感应电容62对雷云施加的总电压V形成电容的串联分压，可变电容2两端的t时刻感应电压为Vi(t)；当Vi(t)超过阈值时，可变电容2齐纳击穿或雪崩击穿，电容急剧增大；同时，可变电阻3导通，电阻急剧变小，将可变电容2感应的电荷泄放至大地；动态电源51的另一端与大地之间形成第一感应电容61，形成了整个闭合回路
所述雷电电磁中和器产生的位移电流通过第二感应电容62后在动态电阻52上转换成传导电流，产生热能并消耗动态电源51的电荷，实现对雷云电荷的中和。
作为上述方法的一种改进，所述步骤2)具体为：
闭合回路的电压满足如下方程：
其中，V(t)为动态电源51在t时刻提供的等效电压，Vi(t)为t时刻雷电电磁中和器的感应电压；等号左边为流过第二感应电容62的位移电流，C为第二感应电容62的电容；等号右边第一项为流过可变电容2的位移电流，Cv(t)为t时刻可变电容2的电容；等号右边第二项为t时刻流过可变电阻3的传导电流，Rv(t)为可变电阻3的电阻；
方程(1)的解如下：
根据式(2)，初始状态时t＝0，即刚感应到雷云电压的瞬间，电压为：
作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体为：
根据式(2)，可变电容2产生的位移电流iCv为：
位移电流iCv中的负号表示电流方向与所示电压Vi(t)方向相反；
根据式(2)，可变电阻3流过的传导电流iR为：
则产生的总位移电流I为：
作为上述方法的一种改进，所述步骤4)具体为：
所述总位移电流I是脉冲电流，也是整个等效电路的中和电流，在雷云端的等效电路中通过动态电源内阻消耗电源电荷、功率和能量：
中和的电荷表示为：
中和的功率表示为：W＝I2R；
中和的能量为：
其中，R为动态电阻52的电阻值。
本发明的优势在于：
1、本发明的中和器的放电效果好，可反复多次持续放电，不产生弧闪，避免了火花放电；每次放电的电流量都在安全边际内，避免了避雷针引雷放电时产生过大的雷电流可能造成的风险；
2、本发明的中和器产生位移电流时伴随的电磁脉冲能量可控，对电子设备、电气设备、通信设备以及其中的芯片不会造成损坏。
附图说明
图1为本发明的实施例1的基于位移电流的雷电电磁中和器的示意图；
图2为本发明的实施例2的基于位移电流的雷电电磁中和器的示意图；
图3为本发明的实施例3的基于位移电流的雷电电磁中和器的参数计算方法的示意图。
附图标识：
1、接闪器 2、可变电容 3、可变电阻
4、引下线 5、雷云的近似等效电路模型
51、动态电源 52、动态电阻 6、空间感应电容
61、第一感应电容 62、第二感应电容 7、背靠背齐纳二极管
8、雪崩二极管
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。
根据麦克斯韦电磁场理论，通过空间某截面的电流应包括传导电流与位移电流和运流电流，其和称全电流(total current)。即：传导电流+运流电流+位移电流＝全电流，其中：传导电流指导体内自由电荷定向移动所形成的电流；运流电流有时也称之为对流电流，指导体外自由电荷定向移动所形成的电流；位移电流指变化的电场所等效的电流。
全电流是连续的，在空间构成闭合回路。导线中有传导电流，而电容器中有位移电流，即传导电流中断处，有位移电流接上。反之亦然。通常，人们将运流电流归于传导电流范畴，在自由电荷较少或其移动受限时，运流电流可忽略。
实施例1
如图1所示，本发明的实施例1提供了基于位移电流的雷电电磁中和器，所述中和器包括：接闪器1、可变电容2、可变电阻3和引下线4；可变电容2和可变电阻3并联，然后与接闪器1、和引下线4串联；
接闪器1为金属良导体，用于感应雷云电荷；
可变电容2是由半导体势垒电容构成的压敏电容，具有较高的电压阈值。电容两端电压低于阈值时，电容值随电压升高小幅增大，产生mA级别及以下的小位移电流。当电容两端感应的雷云电压超过阈值时，势垒电容产生齐纳击穿或雪崩击穿，动态电容值急剧变大，产生mA～kA级别及以上的大位移电流；
可变电阻3为半导体压敏电阻，阈值与可变电容2的阈值相等。当电阻两端电压低于阈值时，可变电阻处于绝缘状态；当电压超过阈值时，电阻处于饱和导通状态，阻值随电压急剧变小。可变电阻3与可变电容2并联，用于控制位移电流的时间常数，时间常数τ＝RvCv，时间常数大则中和电荷的过程慢。时间常数小，则中和的快。可变电阻3的另一个作用是保护可变电容2，防止电容损坏。
引下线4为金属良导体，用于与接地网络连接。
大多数情况下，雷云与接闪器1之间的空间感应电容在nF至几百nF之间，可变电容2的变化范围设置在1nF～1μF较为适当；可变电阻3的值变化范围设置在1Ω～300MΩ较为适当。
实施例2
如图2所示，本发明的实施例2提供了基于位移电流的雷电电磁中和器，利用背靠背齐纳二极管7的齐纳击穿效应或雪崩二极管8的雪崩击穿效应代替本发明的实施例1的可变电容2。
二极管在齐纳击穿或雪崩击穿时，都存在较为固定电压阈值和快速急剧增大的电流，该伏安特性曲线可等效为一瞬变电容，因此可作为等效的可变电容使用，效果与图1可变电容相当。由于雷云底层电荷可能是正，也可能是负，而二极管的PN结为单向的，故采用双向二极管组合使用。如果电压阈值设定较高，则采用二极管的级联以增加阈值。二极管的级联方式通过半导体的分层制备工艺使PN结级联堆积而成。
实施例3
如图3所示，基于实施例1和实施例2的中和器，本发明的实施例3提供了一种基于位移电流的雷电电磁中和器的参数计算方法。
雷云在强烈对流的作用下粒子间不断碰撞分离产生大量电荷，形成电场，因此雷云的近似等效电路模型5可以等效为动态电源51，电动势为ε。雷云中电场较强的区域空气产生电离，形成导电通道，可等效为动态电阻52，作为电源的内阻。空间感应电容6包括：雷云电荷与大地之间的第一感应电容61和雷云电荷与接闪器1之间的第二感应电容62。
当雷云形成时，雷云与接闪器1之间感应电荷，进而给可变电容2充电。可变电阻3初始状态为高阻，可视作断路。可变电容2与第二感应电容62对雷云施加的总电压V形成电容的串联分压，可变电容2两端的感应电压为Vi。当Vi超过阈值时，可变电容2齐纳击穿或雪崩击穿，电容急剧增大。同时，可变电阻3导通，电阻急剧变小，将可变电容2感应的电荷泄放至大地。雷云动态电源51的另一端与大地之间形成第一感应电容61，自此形成了整个闭合回路。
由于存在闭合回路，雷电电磁中和器产生的位移电流通过第二感应电容62后在动态电阻52上转换成传导电流，产生热能并消耗动态电源51的电荷，从而起到了对雷云电荷中和的作用。
根据基尔霍夫第一定律，图3满足如下方程：
其中，V(t)为动态电源51在t时刻提供的等效电压，Vi(t)为t时刻雷电电磁中和器的感应电压；等号左边为流过第二感应电容62的位移电流，C为第二感应电容62的电容；等号右边第一项为流过可变电容2的位移电流，Cv(t)为t时刻可变电容2的电容；等号右边第二项为t时刻流过可变电阻3的传导电流，Rv(t)为可变电阻3的电阻；
方程(1)的解如下：
根据式(2)，初始状态时t＝0，即刚感应到雷云电压的瞬间，电压为：
即，初始时刻动态电阻52绝缘，可看做断路，因此电压实际上为空间感应电容62和可变电容2的串联分压，为了使可变电容2两端电压迅速升高达到电压阈值，根据式3，可变电容2的初始值越小越好；根据式(2)，可变电容2两端电压达到阈值后，电容Cv越大越好，可以使可变电容2两端电压迅速降低，造成电压突变，利于产生位移电流。此时，时间常数τ＝Rv(t)(C+Cv(t))尽管与电容成正比，但可变电阻电压到达阈值后阻值迅速减小抵消了电容增大的效应，使得时间常数没有明显变化或维持不变。
根据式(2)，可变电容2产生的位移电流iCv为：
位移电流iCv中的负号表示电流方向与所示电压Vi(t)方向相反。
根据式(2)，可变电阻3流过的传导电流iR为：
则产生的总位移电流I为：
式(6)所示的总位移电流是脉冲电流，也是整个等效电路的中和电流，在雷云端的等效电路中通过动态电源内阻消耗电源电荷、功率和能量，即中和了雷云。
中和的电荷表示为：
中和的功率表示为：W＝I2R；
中和的能量为：
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 (10)
1.一种基于位移电流的雷电电磁中和器，其特征在于，所述中和器包括：接闪器(1)、可变电容(2)、可变电阻(3)和引下线(4)；所述可变电容(2)和可变电阻(3)并联，然后分别与接闪器(1)及引下线(4)串联；
所述接闪器(1)，用于感应雷云电荷；
所述可变电容(2)，用于当其两端感应的雷云电压小于第一阈值时，产生mA级别及以下的小位移电流；否则，产生mA～kA级别及以上的大位移电流；
所述可变电阻(3)，用于控制可变电容(2)产生的位移电流的时间常数，还用于防止可变电容(2)损坏；
所述引下线(4)，用于与接地网络连接。
2.根据权利要求1所述的基于位移电流的雷电电磁中和器，其特征在于，所述可变电容(2)为由半导体势垒电容构成的压敏电容，所述可变电容(2)的变化范围设置为1nF～1μF；所述可变电阻(3)为半导体压敏电阻，所述可变电阻(3)的变化范围设置为1Ω～300MΩ。
3.根据权利要求2所述的基于位移电流的雷电电磁中和器，其特征在于，当所述可变电阻(3)两端电压低于第二阈值时，所述可变电阻(3)处于绝缘状态；否则，可变电阻(3)处于饱和导通状态；所述第二阈值与第一阈值相等。
4.根据权利要求1所述的基于位移电流的雷电电磁中和器，其特征在于，所述接闪器(1)为金属导体；所述引下线(4)为金属导体。
5.一种基于位移电流的雷电电磁中和器，其特征在于，所述中和器包括：接闪器(1)、多个级联的二极管、可变电阻(3)和引下线(4)；多个级联的二极管和可变电阻(3)并联，然后分别与接闪器(1)及引下线(4)串联；
所述接闪器(1)，用于感应雷云电荷；
所述多个级联的二极管，用于当其两端感应的雷云电压小于第一阈值时，产生mA级别及以下的小位移电流；否则，产生mA～kA级别及以上的大位移电流；
所述可变电阻(3)，用于控制多个级联的二极管产生的位移电流的时间常数；
所述引下线(4)，用于与接地网络连接。
6.一种基于位移电流的雷电电磁中和器的参数计算方法，用于计算权利要求1-4之一所述的雷电电磁中和器的参数，所述方法包括：
步骤1)基于雷云的近似等效电路模型和所述雷电电磁中和器建立闭合电路；
步骤2)根据基尔霍夫第一定律计算t时刻的雷电电磁中和器的感应电压；
步骤3)根据雷电电磁中和器的可变电容(2)的电容值，计算可变电容(2)产生的位移电流iCv、可变电阻(3)流过的传导电流iR及产生的总位移电流I；
步骤4)根据产生的总位移电流I计算闭合电路的中和参数。
7.根据权利要求6所述的基于位移电流的雷电电磁中和器的参数计算方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：
雷云在强烈对流的作用下粒子间不断碰撞分离产生大量电荷，形成电场，雷云的近似等效电路模型(5)等效为动态电源(51)，其电动势为ε；雷云中电场较强的区域空气产生电离，形成导电通道，等效为动态电阻(52)，作为动态电源(51)的内阻；
当雷云形成时，雷云与接闪器(1)之间感应电荷，进而给可变电容(2)充电；可变电阻(3)初始状态为高阻，可视作断路；可变电容(2)与第二感应电容(62)对雷云施加的总电压V形成电容的串联分压，可变电容(2)两端的t时刻感应电压为Vi(t)；当Vi(t)超过阈值时，可变电容(2)齐纳击穿或雪崩击穿，电容急剧增大；同时，可变电阻(3)导通，电阻急剧变小，将可变电容(2)感应的电荷泄放至大地；动态电源(51)的另一端与大地之间形成第一感应电容(61)，形成了整个闭合回路；
所述雷电电磁中和器产生的位移电流通过第二感应电容(62)后在动态电阻(52)上转换成传导电流，产生热能并消耗动态电源(51)的电荷，实现对雷云电荷的中和。
8.根据权利要求7所述的基于位移电流的雷电电磁中和器的参数计算方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：
闭合回路的电压满足如下方程：
其中，V(t)为动态电源(51)在t时刻提供的等效电压，Vi(t)为t时刻雷电电磁中和器的感应电压；等号左边为流过第二感应电容(62)的位移电流，C为第二感应电容(62)的电容；等号右边第一项为流过可变电容(2)的位移电流，Cv(t)为t时刻可变电容(2)的电容；等号右边第二项为t时刻流过可变电阻(3)的传导电流，Rv(t)为可变电阻(3)的电阻；
方程(1)的解如下：
根据式(2)，初始状态时t＝0，即刚感应到雷云电压的瞬间，电压为：
9.根据权利要求8所述的基于位移电流的雷电电磁中和器的参数计算方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：
根据式(2)，可变电容(2)产生的位移电流iCv为：
位移电流iCv中的负号表示电流方向与所示电压Vi(t)方向相反；
根据式(2)，可变电阻(3)流过的传导电流iR为：
则产生的总位移电流I为：
10.根据权利要求9所述的基于位移电流的雷电电磁中和器的参数计算方法，其特征在于，所述步骤4)具体为：
所述总位移电流I是脉冲电流，也是整个等效电路的中和电流，在雷云端的等效电路中通过动态电源内阻消耗电源电荷、功率和能量：
中和的电荷表示为：
中和的功率表示为：W＝I2R；
中和的能量为：
其中，R为动态电阻(52)的电阻值。
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