CN109103863A - 一种基于位移电流的可变电容型雷电电磁中和器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于位移电流的可变电容型雷电电磁中和器，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。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。

Description

一种基于位移电流的可变电容型雷电电磁中和器

技术领域

本发明涉及雷电防护领域，具体涉及一种基于位移电流的可变电容型雷电电磁中和器。

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可变电容型雷电电磁中和器，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可变电容型雷电电磁中和器，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。

作为上述装置的一种改进，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。

本发明还提供了另一种基于位移电流的可变电容型雷电电磁中和器，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；

作为上述装置的一种改进，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。

所述可变电阻3为半导体压敏电阻，所述可变电阻3的变化范围设置在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的基于位移电流的可变电容型雷电电磁中和器的示意图；

图2为本发明的实施例2的基于位移电流的可变电容型雷电电磁中和器的示意图。

附图标识：

1、接闪器 2、可变电容 3、可变电阻

4、引下线 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可变电容型雷电电磁中和器，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＝R_vC_v，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可变电容型雷电电磁中和器，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。

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 (9)

1.一种基于位移电流的可变电容型雷电电磁中和器，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可变电容型雷电电磁中和器，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。

3.根据权利要求3所述的基于位移电流的可变电容型雷电电磁中和器，其特征在于，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。

4.根据权利要求4所述的基于位移电流的可变电容型雷电电磁中和器，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。

5.根据权利要求1所述的基于位移电流的可变电容型雷电电磁中和器，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。

6.一种基于位移电流的可变电容型雷电电磁中和器，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。

7.根据权利要求6所述的基于位移电流的可变电容型雷电电磁中和器，其特征在于，所述可变电阻(3)为半导体压敏电阻，所述可变电阻(3)的变化范围设置在1Ω～300MΩ。

8.根据权利要求7所述的基于位移电流的可变电容型雷电电磁中和器，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。

9.根据权利要求6所述的基于位移电流的可变电容型雷电电磁中和器，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。