CN109904725A - 雷电电磁中和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种雷电电磁中和系统，包括电磁中和器，所述电磁中和器安装在建筑物顶端、并与建筑物对应的避雷带进行电气连接后接地，所述电磁中和器感应空气中雷电积累的等量电荷，当所述电磁中和器感应的电荷量达到预设阈值时，所述电磁中和器与地导通，并将所述电磁中和器上的感应电荷对地泄放，削弱电磁中和器所在区域的空间磁场强度，达到了降低雷电云团放电瞬间电流脉冲强度的目的；进一步地，由于部署了电磁中和器矩阵，因此，更进一步增强了针对雷电防护的敏感性、精确性和可控性，也扩大了防护范围。

Description

雷电电磁中和系统

技术领域

本发明涉及防雷避雷技术领域，特别涉及一种雷电电磁中和系统。

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。为了降低被雷电破坏的程度，人们发明了避雷针；即利用物体尖端电晕放电的现象，将一金属物体(也称为“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。采用避雷针虽然能够对建筑物的防护起到一定的作用，但这种处理方式对直击雷的防护效果差，往往还会引来直击雷；且对雷云的防护具有被动性和延时性，做不到提前主动防护；防护面积小，也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。

发明内容

本发明提供一种雷电电磁中和系统，用以中和雷电云团自身的电荷量，达到降低雷电云团放电瞬间电流脉冲强度的目的。

本发明提供了一种雷电电磁中和系统，包括电磁中和器，所述电磁中和器安装在建筑物顶端，并与建筑物对应的避雷带进行电气连接后接地；

所述电磁中和器感应空气中雷电积累的等量电荷，当所述电磁中和器感应的电荷量达到预设阈值时，所述电磁中和器与地导通，并将所述电磁中和器上的感应电荷对地泄放，削弱电磁中和器所在区域的空间磁场强度。

进一步地，所述电磁中和器包括：接闪装置、可变电容以及导体；所述可变电容的顶部与所述接闪装置连接，所述可变电容的底部通过导体接地。

进一步地，所述电磁中和器中的接闪装置在雷云积累电荷时感应等量的电荷，当所述接闪装置上感应的电荷量使得所述接闪装置与地之间形成的电势差达到所述可变电容的电压导通阈值时，所述可变电容导通，所述接闪装置上感应的电荷经过所述可变电容和所述导体对地泄放。

进一步地，所述雷电电磁中和系统包括多个所述电磁中和器，多个所述电磁中和器在防雷区域内按照不同的方位进行设置，且所述电磁中和器内可变电容的电压导通阈值不同。

进一步地，所述多个电磁中和器在所述防雷区域内，按照所述电磁中和器各自配置的可变电容的不同电压导通阈值的大小，呈阶梯式排列，组成雷电电磁中和器矩阵。

进一步地，所述雷电电磁中和系统还包括多个避雷针，所述多个避雷针分别与对应的电磁中和器相配合，所述避雷针通过向上放电和雷电云团的下行电荷行形成放电通道，以泄放雷电云团中由所述电磁中和器进行电荷中和作用后剩余的电荷。

进一步地，所述雷电电磁中和系统还包括雷电监测仪；

所述雷电监测仪连接在所述电磁中和器的导体上，用于测量对应的雷电流信息；并根据测量得到的雷电流信息，利用库仑定律和/或全电流定律和/或法拉第电磁感应定律，获取所述雷电电磁中和系统对应的雷电电磁中和效应信息；

其中，所述雷电监测仪测量的雷电流信息包括：雷电流峰值、极性、能量、产生时间以及次数。

进一步地，所述雷电监测仪包括电流计，用于测量对应的感应电压。

进一步地，所述雷电电磁中和系统还包括反馈装置；

所述反馈装置与雷电监测仪进行电气连接，用于根据所述雷电监测仪获取的所述雷电电磁中和效应信息，判断是否需要调整所述电磁中和器的数量、设置位置以及所述电磁中和器中可变电容的电压导通阈值；若判断出需要调整所述电磁中和器的数量和/或位置和/或电磁中和器内可变电容的参数，则发送调整建议信息至预设终端，供技术人员参考。

进一步地，所述雷电电磁中和系统还包括预警装置；

所述预警装置与所述雷电监测仪进行电气连接，用于识别所述雷电监测仪测量得到的雷电流信息中是否存在达到预设预警值的雷电参数；若识别出所述雷电参数达到预设预警值，则所述预警装置发出与所述雷电参数相匹配的预警信息至预设终端，供监测人员查看。

本发明一种雷电电磁中和系统可以达到如下有益效果：

利用安装在建筑物顶端、并与建筑物对应的避雷带进行电气连接后接地的电磁中和器，感应空气中雷电积累的等量电荷，当所述电磁中和器感应的电荷量达到预设阈值时，所述电磁中和器与地导通，并将所述电磁中和器上的感应电荷对地泄放，削弱电磁中和器所在区域的空间磁场强度，达到了降低雷电云团放电瞬间电流脉冲强度的目的；进一步地，由于部署了电磁中和器矩阵，因此，更进一步增强了针对雷电防护的敏感性、精确性和可控性，也扩大了防护范围。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所指出的内容来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明雷电电磁中和系统的一种实施方式的功能模块示意图；

图2是本发明雷电电磁中和系统中电磁中和器的一种实施方式的实物结构示意图；

图3是本发明雷电电磁中和系统中，电磁中和器100与避雷针200相互配合中和雷云团上的电荷的一种实施方式的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种雷电电磁中和系统，用以中和雷电云团自身的电荷量，达到降低雷电云团放电瞬间电流脉冲强度的目的。

如图1所示，图1是本发明雷电电磁中和系统的一种实施方式的功能模块示意图；本发明雷电电磁中和系统包括电磁中和器100，所述电磁中和器100安装在建筑物的顶端，并与建筑物对应的避雷带进行电气连接后接地，以便在雷电天气时，通过电磁中和器100感应等量电荷后对地泄放。本发明实施例中，所述雷电电磁中和系统的主要工作原理是：利用电磁中和器100感应空气中雷电积累的等量电荷，当所述电磁中和器100感应的电荷量达到预设阈值时，所述电磁中和器100与地导通，并将所述电磁中和器100上的感应电荷对地泄放，削弱电磁中和器100所在区域的空间磁场强度。

本发明实施例中描述的电磁中和器100包括：接闪装置101、可变电容102以及导体103；请参照图2，图2是本发明雷电电磁中和系统中电磁中和器的一种实施方式的结构示意图；如图2所示，所述可变电容102的顶部与所述接闪装置101连接，所述可变电容102的底部通过导体103接地。

所述电磁中和器100的主要工作原理是：所述电磁中和器100在雷电天气环境中，该电磁中和器100的接闪装置101在雷云积累电荷时感应等量的电荷，当所述接闪装置101上感应的电荷量使得所述接闪装置101与地之间形成的电势差达到所述可变电容102的电压导通阈值时，所述可变电容102导通，所述接闪装置101上感应的电荷经过所述可变电容102和所述导体103对地泄放。在一优选的实施例中，所述雷电电磁中和系统包括多个所述电磁中和器100，多个所述电磁中和器100在防雷区域内按照不同的方位进行设置，且所述电磁中和器内可变电容的电压导通阈值不同。

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电磁中和器100，对雷电电磁中和器100里的可变电容102设置不同的电平阈值，组成电磁中和器100矩阵用来防雷，增强了防护的敏感性，使防护半径大大增强，增加了电磁中和器矩阵的保护角度和范围；由于多个电磁中和器100形成了类似于军团作战的效果，更进一步增强了针对雷电防护的敏感性、精确性和可控性。

进一步地，在一个实施例中，所述多个电磁中和器100在所述防雷区域内，按照所述电磁中和器100各自配置的可变电容的不同电压导通阈值的大小，呈阶梯式排列，组成雷电电磁中和器矩阵，进而提高雷电防护的敏感性以及雷电电磁中和的效果。

本发明实施例中，电磁中和器100的可变电容102上积累的电荷量增长到超过可变电容102的电压导通阈值时，将该可变电容102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102上的电流放电改变了电容上方接闪装置101的电荷分布，引起接闪装置101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。因此，在需要防护区域的周围布置数量不等的电磁中和器100组成雷电电磁中和器矩阵，可以对所需要防护的区域进行立体防护。

本发明实施例中，单个雷电电磁中和器100的可变电容102的电量增加到一定程度时，使可变电容102导通，从而降低了接闪装置101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102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。

当电磁中和器100中的可变电容导通时，接闪装置101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。

在一优选的实施例中，所述雷电电磁中和系统还包括多个避雷针200，所述多个避雷针200分别与对应的电磁中和器100相配合，所述避雷针200通过向上放电和雷电云团的下行电荷行形成放电通道，以泄放雷电云团中由所述电磁中和器进行电荷中和作用后剩余的电荷。

如图3所示，图3是本发明雷电电磁中和系统中，电磁中和器100与避雷针200相互配合中和雷云团上的电荷；图3以大多数情况下雷云团的云团上层是正电荷、下层是负电荷为例进行描述。针对少数情况下雷云团的云团上层是负电荷、下层是正电荷的情况，与图3所述情况类似，此处不进行赘述。

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200即可起到较好的避雷作用。通过避雷针200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电磁中和器100所中和掉，此时由避雷针200泄放的电流与没有中和的情况相比已经大大降低，达到了保护建筑物和设备的效果。

进一步地，在本发明一优选的实施例中，所述雷电电磁中和系统还包括雷电监测仪；所述雷电监测仪连接在所述电磁中和器的导体上，用于测量对应的雷电流信息；并根据测量得到的雷电流信息，利用库仑定律和/或全电流定律和/或法拉第电磁感应定律，获取所述雷电电磁中和系统对应的雷电电磁中和效应信息；其中，所述雷电监测仪测量的雷电流信息包括：雷电流峰值、极性、能量、产生时间以及次数。

进一步地，在一个具体的应用场景中，所述雷电监测仪包括电流计300，用于测量对应的感应电压。如图2所示，所述电流计300连接在电磁中和器100中的导体103上。在本发明实施例中，所述电流计300可以测量电磁中和器100上感应电压的大小，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300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。

在一优选的实施例中，所述雷电电磁中和系统还包括反馈装置；所述反馈装置与雷电监测仪进行电气连接，用于根据所述雷电监测仪获取的所述雷电电磁中和效应信息，针对具体的应用场景判断是否需要调整所述电磁中和器100的数量、设置位置以及所述电磁中和器100中可变电容102的电压导通阈值，以便在具体的应用场景中，达到更好的防雷避雷效果。若判断出需要调整所述电磁中和器100的数量和/或位置和/或电磁中和器内可变电容的参数，则发送调整建议信息至预设终端，供技术人员参考。

由于雷电产生的不确定性，有可能在某些应用场景布置了大量的电磁中和器100，但是其产生雷电的概率极低，势必会造成极大的资源浪费；相应的，在某些应用场景布置的电磁中和器100的数量较少或者一般，但是由于其产生雷电的概率很高，可能并不能达到防护目的，防护目标有被雷击的风险，因此合理的布置电磁中和器100显得尤为关键。

本发明采用神经网络算法对雷电进行预测，并为防护目标设置与该防护目标相匹配的电磁中和器，该实施过程可以按照如下描述的方式执行：

采集可能导致雷电产生的因素指标和雷电产生前的环境数据，并对采集的所述因素指标和环境数据对应的每一个雷电数据组以及所述雷电数据组的相关指标进行编号；

利用所述雷电数据组及其编号后的相关指标，设计神经网络算法；

随机将所述雷电数据组分成两组，利用其中的一组数据对设计的所述神经网络进行训练，利用另一组数据对设计的所述神经网络进行模拟预测，训练得出最优的阈值和权值后，重复上述操作至预设次数，取最终拟合的最优的参数；

利用得到的所述最优的参数，根据所述神经网络算法，计算得到雷电产生的概率P；

根据雷电产生概率P和防护目标对应的防护等级，按照预设算法为所述防护目标设置相匹配的电磁中和器。

在一个具体的应用场景中，首先采集一定数量的产生雷电的数据，以及雷电产生所在地区的潜在性能度指数、对流性稳定指数、雷电发生概率等可能导致雷电产生的因素指标。对每一个雷电数据及其相关指标进行编号，设为L_i，L_i表示每个雷电数据组，包括雷电产出前的环境数据，其中i＝(1，2，…，n)，i表示每个雷电数据组的序号，则对于雷电产生的概率P有：

其中，h_j的计算公式为：

其中：H表示神经元个数，j表示神经元的序号，α和β为神经网络的权值与阈值，α₀的取值范围为[0.5，1]，可根据拟合效果进行调整，f为logistic函数，f₀的值为0.5，其具体计算公式为：

其中z为logistic函数的变量，此处z的计算公式为：

为了对该神经网络进行训练，随机对采集的数据分成两组，一组进行训练，一组进行模拟预测，训练得出最优的阈值和权值后，再重复上述操作至预设次数，比如共进行20次随机分组训练，取最终拟合的最优的参数。

根据神经网络算法计算得出的雷电产生的概率P，利用雷电产生概率P以及防护目标的等级，按如下公式为所述防护目标设置与该防护目标相匹配的电磁中和器：

其中：P为雷电产生的概率，M为电磁中和器的数量，取计算结果的整数值；G为防护目标的等级，不同场所防护等级不同，最高为5级，最低为1级，G的取值为1、2、3、4、5。

根据计算得出的电磁中和器的数量M，为该防护目标配置M个电磁中和器。

在一优选的实施例中，所述雷电电磁中和系统还包括预警装置；所述预警装置与所述雷电监测仪进行电气连接，用于识别所述雷电监测仪测量得到的雷电流信息中是否存在达到预设预警值的雷电参数；若识别出所述雷电参数达到预设预警值，则所述预警装置发出与所述雷电参数相匹配的预警信息至预设终端，供监测人员查看。比如，雷电电磁中和系统通过所述预警装置向对应的预设终端发送短信息，该短信息包含了雷电电磁中和系统中达到预警值的雷电参数的具体数值、雷电参数的参数类型以及危险等级等信息，供监测人员查看并参考是否需要采取其他的防护措施，以避免造成更大的损失。

本发明雷电电子中和系统利用安装在建筑物顶端、并与建筑物对应的避雷带进行电气连接后接地的电磁中和器，感应空气中雷电积累的等量电荷，当所述电磁中和器感应的电荷量达到预设阈值时，所述电磁中和器与地导通，并将所述电磁中和器上的感应电荷对地泄放，削弱电磁中和器所在区域的空间磁场强度，达到了降低雷电云团放电瞬间电流脉冲强度的目的；进一步地，由于部署了电磁中和器矩阵，因此，更进一步增强了针对雷电防护的敏感性、精确性和可控性，也扩大了防护范围。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种雷电电磁中和系统，其特征在于，包括电磁中和器，所述电磁中和器安装在建筑物顶端，并与建筑物对应的避雷带进行电气连接后接地；

所述电磁中和器感应空气中雷电积累的等量电荷，当所述电磁中和器感应的电荷量达到预设阈值时，所述电磁中和器与地导通，并将所述电磁中和器上的感应电荷对地泄放，削弱电磁中和器所在区域的空间磁场强度。

2.如权利要求1所述的雷电电磁中和系统，其特征在于，所述电磁中和器包括：接闪装置、可变电容以及导体；所述可变电容的顶部与所述接闪装置连接，所述可变电容的底部通过导体接地。

3.如权利要求2所述的雷电电磁中和系统，其特征在于，所述电磁中和器中的接闪装置在雷云积累电荷时感应等量的电荷，当所述接闪装置上感应的电荷量使得所述接闪装置与地之间形成的电势差达到所述可变电容的电压导通阈值时，所述可变电容导通，所述接闪装置上感应的电荷经过所述可变电容和所述导体对地泄放。

4.如权利要求1至3任一项所述的雷电电磁中和系统，其特征在于，所述雷电电磁中和系统包括多个所述电磁中和器，多个所述电磁中和器在防雷区域内按照不同的方位进行设置，且所述电磁中和器内可变电容的电压导通阈值不同。

5.如权利要求4所述的雷电电磁中和系统，其特征在于，所述多个电磁中和器在所述防雷区域内，按照所述电磁中和器各自配置的可变电容的不同电压导通阈值的大小，呈阶梯式排列，组成雷电电磁中和器矩阵。

6.如权利要求4所述的雷电电磁中和系统，其特征在于，所述雷电电磁中和系统还包括多个避雷针，所述多个避雷针分别与对应的电磁中和器相配合，所述避雷针通过向上放电和雷电云团的下行电荷行形成放电通道，以泄放雷电云团中由所述电磁中和器进行电荷中和作用后剩余的电荷。

7.如权利要求4所述的雷电电磁中和系统，其特征在于，所述雷电电磁中和系统还包括雷电监测仪；

所述雷电监测仪连接在所述电磁中和器的导体上，用于测量对应的雷电流信息；并根据测量得到的雷电流信息，利用库仑定律和/或全电流定律和/或法拉第电磁感应定律，获取所述雷电电磁中和系统对应的雷电电磁中和效应信息；

其中，所述雷电监测仪测量的雷电流信息包括：雷电流峰值、极性、能量、产生时间以及次数。

8.如权利要求7所述的雷电电磁中和系统，其特征在于，所述雷电监测仪包括电流计，用于测量对应的感应电压。

9.如权利要求7所述的雷电电磁中和系统，其特征在于，所述雷电电磁中和系统还包括反馈装置；

所述反馈装置与雷电监测仪进行电气连接，用于根据所述雷电监测仪获取的所述雷电电磁中和效应信息，判断是否需要调整所述电磁中和器的数量、设置位置以及所述电磁中和器中可变电容的电压导通阈值；若判断出需要调整所述电磁中和器的数量和/或位置和/或电磁中和器内可变电容的参数，则发送调整建议信息至预设终端，供技术人员参考。

10.如权利要求7所述的雷电电磁中和系统，其特征在于，所述雷电电磁中和系统还包括预警装置；

所述预警装置与所述雷电监测仪进行电气连接，用于识别所述雷电监测仪测量得到的雷电流信息中是否存在达到预设预警值的雷电参数；若识别出所述雷电参数达到预设预警值，则所述预警装置发出与所述雷电参数相匹配的预警信息至预设终端，供监测人员查看。