CN111244762A - 一种避雷装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种避雷装置，包括接闪器和主动触发系统，主动触发系统包括感应电极、感应电荷收集模块、电荷转换模块以及放电触发模块，感应电荷收集模块采集感应电极在雷云电场中通过静电感应产生的感应电荷并传输至电荷转换模块，电荷转换模块将感应电荷转换为供放电触发模块工作的电能，放电触发模块产生电晕放电并传输至与放电触发模块电连接的接闪器形成上行先导。本发明通过静电感应的方式能主动并且提前放电，产生更快的上行先导，在雷云的下行先导未到达其他可能落雷的物体时接闪器发出的上行先导就已经和雷云的下行先导会合，形成雷电流泄放通道，从而有效的通过接闪器将雷电流引入大地，减少了雷击其他物体的概率。
Description
技术领域
本发明涉及雷电防护技术领域，尤其涉及一种避雷装置。
背景技术
传统的避雷器是利用大气物理建立的雷电理论所发明的富兰克林避雷针，其原理是利用物体尖端放电的现象，该类避雷器引雷的过程是：在大气发生雷击前，由于大气运动变化，形成了雷云层，雷云带有大量的电荷，由于静电感应的作用，雷云下方的地面和地面上的物体就会带上与雷云层相反的电荷，这样雷云和地面就好比一个大的充电电容器，相较于建筑物，避雷针尖端聚集的电荷更多，当雷云电荷聚集较多时，避雷针与雷云之间的空气很容易被击穿，形成放电通道，这样避雷针通过引下线将雷云上的电荷导入大地，使雷云不对被保护的建筑物构成危害，从而保证建筑物的安全。
目前常用的避雷器被制造成尖顶并安置在高处的原因，是为了使其更容易放电，更接近云层，在避雷器高度达到一定值时，即使再增高，保护范围也不能再显著增大，加装更多的避雷器也受到环境条件的限制而难以实施，并且会大大增加成本，传统的避雷器都是被动地响应雷云电场的变化，即被动的引雷，避雷器不能提前放电形成上行先导，从而容易出现雷电的下行先导还未与避雷器产生的上行先导会合时就已击中避雷器之外的物体，难以通过避雷器有效的将雷电流引入大地，保护性能较低，仍然存在物体遭雷击受损的状况，保护范围较小。
发明内容
本发明所要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术进行改进，提供一种避雷装置，解决目前技术中的避雷装置为被动引雷方式，无法提前产生上行先导，雷电击中避雷装置之外的物体的几率较大，保护性能较低，保护范围较小的问题。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案是：
一种避雷装置，包括接闪器和主动触发系统，所述的主动触发系统包括感应电极、感应电荷收集模块、电荷转换模块以及放电触发模块，所述的感应电荷收集模块采集感应电极在雷云电场中通过静电感应产生的感应电荷并传输至电荷转换模块，电荷转换模块将感应电荷转换为供放电触发模块工作的电能，所述的放电触发模块产生电晕放电并传输至与放电触发模块电连接的接闪器形成上行先导。在产生雷云层时，雷云层的下部形成电荷聚集区域，从而在静电感应的作用，感应电极产生感应电荷，此时雷云与大地之间的电场强度还未达到击穿强度，也就是说还未形成雷击放电，主动触发系统将通过静电感应产生的感应电荷转化成电能然后进行电晕放电，从而能在还未形成雷击放电的情况下主动的、提前的在接闪器上进行电晕放电形成上行先导，极大的增加了形成上行先导的提前量，确保接闪器发出的上行先导能比地面其他物体的上行先导先与雷云产生的下行先导会合，从而使得雷电能高效的被引流到接闪器然后沿着接闪器传导到大地，减少雷电击中其他物体的概率，提高保护性能。本发明所述的避雷装置实现主动并且提前放电，能产生比传统避雷器更快的上行先导来与雷电的下行先导会合，从而有效的通过接闪器将雷电流引入大地，具有比传统避雷器更大的保护半径，可以等效适当的降低避雷装置的高度，适用性更强，适用范围更广。
进一步的，所述的电荷转换模块与放电触发模块之间还设置有防止雷电流通过的隔离模块，确保避雷装置可以承载较大幅值雷电流的能力，避免雷电流损坏主动触发系统。
进一步的，所述的放电触发模块包括振荡电路模块、电晕放电模块和终端触发模块，所述的振荡电路模块产生交变电流驱动电晕放电模块形成脉冲式电晕放电，脉冲式电晕放电再通过终端触发模块传输至接闪器，在产生雷云时能形成许多脉冲式电晕放电，从而确保上行先导形成的提前量，确保接闪器发出的上行先导能比地面其他物体的上行先导先与雷云产生的下行先导会合，从而使得雷电能高效的被引流到接闪器然后沿着接闪器传导到大地，减少雷电击中其他物体的概率，提高保护性能。
进一步的，所述振荡电路模块与电晕放电模块之间设置有防止雷电流通过的隔离组件，确保避雷装置可以承载较大幅值雷电流的能力，避免雷电流损坏主动触发系统。
进一步的，所述的感应电极包括绝缘分隔开的电荷收集环和导电圈，所述的电荷收集环与导电圈通过静电感应产生极性相反的感应电荷，电荷收集环和导电圈分别与感应电荷收集模块直接连接，能够增加感应电荷的收集总量，从而增加转换得到的电能，增强电晕放电，能更快的产生上行先导。
进一步的，还包括接地的壳体，所述的主动触发系统装置在壳体内，所述的接闪器设置在壳体顶部，结构紧凑，能有效保护主动触发系统，避免主动触发系统遭受雷击而受损，保障长效稳定的避雷性能。
进一步的，所述的壳体上连接有在雷云电场中通过静电感应产生感应电荷的导体电极，所述的感应电极再在导体电极的作用下通过静电感应产生感应电荷，导体电极在雷云电场下通过静电感应产生电荷重新分布，并且壳体接地，从而若干的电子流向大地，导体电极因失去电子而带正电的感应电荷，感应电极再在导体电极的作用下产生感应电荷，感应电荷被收集后转化为电能再产生电晕放电形成上行先导，利用导体电极能增加周围电场畸变，更多的增加感应电极产生的感应电荷，从而能增加提前电晕放电形成上行先导的提前时间。
进一步的，所述的导体电极呈顶部开孔的帽状结构，接闪器从导体电极的顶部开孔穿过并与导体电极绝缘分隔开，结构紧凑，有利于产生更多的感应电荷。
进一步的，所述的导体电极顶部呈平面，导体电极的外表面从顶部平面到侧面之间设置弧形倒角过渡，并且导体电极的内表面同样从顶部平面到侧面之间设置弧形倒角过渡，增加周围电场畸变，更多的增加感应电极产生的感应电荷，从而能增加提前电晕放电形成上行先导的提前时间。
进一步的，所述的接闪器外围套装有与接闪器电导通的壳罩，所述的壳罩整体为上小下大的锥形的空心壳结构，并且其下端朝着径向内侧凹陷延伸形成内凹面，所述的壳罩位于导体电极上方并与导体电极之间具有间隙，增加周围电场畸变，更多的增加感应电极产生的感应电荷，从而能增加提前电晕放电形成上行先导的提前时间，并且壳罩与导体电极之间的间隙使得两者未直接电导通，确保导体电极能稳定的在雷云电场下通过静电感应产生感应电荷，从而确保主动触发系统能稳定的提前产生电晕放电，确保从接闪器发出的上行先导能优先与雷云的下行先导会合，当雷电流被引流到接闪器后，雷电流传导到壳罩上，雷电流的强度大会直接击穿壳罩与导体电极之间的间隙，从而雷电流沿着接闪器、壳罩、导体电极和壳体的路径传导到大地，使雷击不对被保护的建筑物构成危害，从而保证建筑物的安全。
进一步的，所述壳罩的内凹面与导体电极的外表面形状匹配，结构紧凑，有利于感应电荷的产生，也利于雷电流的传导。
进一步的，所述的壳罩侧壁呈弧形，并且上、下端分别设置有弧形倒角，并且壳罩的内凹面也设置有弧形过渡，增加周围电场畸变，更多的增加感应电极产生的感应电荷，从而能增加提前电晕放电形成上行先导的提前时间。
进一步的，所述接闪器的顶端呈锥形，接闪器的底端开设连接孔，接闪器通过穿入在其底端开设的连接孔中的螺钉固定在壳体中设置的支撑件上，所述的螺钉再与主动触发系统的放电触发模块电连接，接闪器的锥形尖端有利于放电，有利于形成提前的上行先导，确保雷电流能高效的被引流到接闪器并通过接闪器传导到大地。
与现有技术相比，本发明优点在于：
本发明所述的避雷装置通过静电感应的方式能主动并且提前放电，能产生更快的上行先导，在雷云的下行先导未到达其他可能落雷的物体时接闪器发出的上行先导就已经和雷云的下行先导会合，形成雷电流泄放通道，从而有效的通过接闪器将雷电流引入大地，减少了雷击其他物体的概率；
能够有效增加避雷装置周围电场畸变，更多地增加感应电荷，增加提前电晕放电形成上行先导的提前时间；
具有比传统避雷器更大的保护半径，甚至可以保护比避雷装置更高的物体，可以等效适当的降低避雷装置的高度，适用性更强，适用范围更广，降低成本，可以等效使得雷电的回击和后续雷击距离被保护物的距离更远一些，对雷电的机械效应，电动力效应，热效应，声光效应、电磁脉冲效应等各种效应具有一定的降低作用；
合理的结构布局，配合冲击大电流设计，具有可以承载较大幅值雷电流的能力；
结构简单且安全可靠，性能稳定，免维护，无放射性、无耗能元件，耐腐蚀，使用寿命长。
附图说明
图1为主动触发系统的结构示意图；
图2为避雷装置的剖面结构示意图；
图3为避雷装置的外观结构示意图；
图4为避雷装置的另一种外观结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例公开的一种避雷装置，能够主动的提前放电，产生提前的上行先导来与雷电的下行先导会合，形成雷电流泄放通道，有效的将雷电流引入大地，减少雷电击中其他物体的几率，增大保护范围，降低避雷装置对高度的要求，适用性更好，适用范围广。
如图1至图4所示，一种避雷装置，主要包括接闪器1和主动触发系统2，所述的主动触发系统包括感应电极、感应电荷收集模块、电荷转换模块以及放电触发模块，感应电极在雷云电场中通过静电感应产生感应电荷，感应电极与感应电荷收集模块连接，感应电荷被感应电荷收集模块采集然后传输至电荷转换模块，电荷转换模块再将感应电荷转化成电压或电流并提供给放电触发模块，放电触发模块被供电后开始工作产生电晕放电，电晕放电传输至与放电触发模块电连接的接闪器1，接闪器1向外放电形成上行先导；
具体的，放电触发模块包括依次连接设置的振荡电路模块、电晕放电模块和终端触发模块，电荷转换模块转化得到的电能提供给振荡电路模块，振荡电路模块产生交变电流，交变电流输送至电晕放电模块形成脉冲式电晕放电，脉冲式电晕放电再通过终端触发模块传输至接闪器1，接闪器1向外放电形成上行先导；
其中的电晕放电模块主要由电压变换装置构成，如变压器，变压器采用具有松耦合的电感，耦合系数小于0.5；振荡电路模块可以是RC、LC振荡电路等任意形式的振荡电路，并且振荡电路模块与电晕放电模块之间设置有防止雷电流通过的隔离组件，隔离组件可以是开关、间隙、放电管等具有通断功能的器件，避免雷电流从主动触发系统2通过而损坏主动触发系统，电荷转换模块与放电触发模块之间也设置有防止雷电流通过的隔离模块，同样避免雷电流从主动触发系统2通过，确保避雷装置可以承载较大幅值雷电流的能力。
在本实施例中，为了增加感应电荷来增强电晕放电并最终更快的产生上行先导，感应电极设置了绝缘分隔开的电荷收集环21和导电圈22，并且电荷收集环21与导电圈22通过静电感应产生极性相反的感应电荷，电荷收集环21、导电圈22大体呈环状并都设置有从环状的边缘延伸出去的连接条，电荷收集环21、导电圈22分别通过连接条直接连接至感应电荷收集模块。
具体的，避雷装置设置有接地的壳体3，壳体3具体呈竖向的直筒，所述的主动触发系统2装置在壳体3内，所述的接闪器1设置在壳体3顶部，接闪器1的上顶端呈锥形，接闪器1的中下部表面对称设置有凹槽平面，接闪器1的下底端开设连接孔，直筒形的壳体3内上部设置支撑件7，支撑件7上固定有螺钉6，螺钉6穿入接闪器1下底端端连接孔从而接闪器1的固定，螺钉6下端开孔并与主动触发系统2的放电触发模块电连接；
在直筒形的壳体3的上端连接在雷云电场中通过静电感应产生感应电荷的导体电极4，导体电极4呈顶部开孔的帽状结构，接闪器1从导体电极4的顶部开孔穿过并与导体电极4绝缘分隔开，导体电极4的顶部开孔套在支撑件7上，帽状的导体电极4的下端则与直筒形的壳体3上端螺接，具体的，导体电极4顶部呈平面，顶部开孔设置在顶部平面的中心，导体电极4的外表面从顶部平面到侧面之间设置弧形倒角过渡，倒角半径范围为2～8mm，优选6mm，并且导体电极4的内表面同样从顶部平面到侧面之间设置弧形倒角过渡，倒角半径范围为2～8mm，优选6mm，在帽状的导体电极4外表面的侧面上设置有用于与直筒形的壳体3螺接的凸台，凸台边缘倒角半径范围2～4mm，优选1mm；
所述感应电极的电荷收集环21、导电圈22位于导体电极4的下方，电荷收集环21、导电圈22再在产生了感应电荷的导体电极4作用下通过静电感应产生感应电荷，具体的，电荷收集环21、导电圈22环绕在接闪器1的周向，形状可以是圆形、方形、椭圆形等任意形状，电荷收集环21、导电圈22为金属材料，厚度可以为任意厚度，电荷收集环21靠近导体电极4的内表面顶侧并且与导体电极4保持电绝缘隔离，导电圈22位于电荷收集环21的下方，并且导电圈22与电荷收集环21以绝缘介质、空气的一种或两种的方式绝缘隔离开，导电圈22与电荷收集环21的隔离距离为1～5mm，优选3mm。
接闪器1外围还套装有与接闪器1电导通的壳罩5，所述的壳罩5整体为上小下大的锥形的空心壳结构，并且其下端朝着径向内侧凹陷延伸形成内凹面51，所述的壳罩5位于导体电极4上方并与导体电极4之间具有间隙，壳罩5的内凹面51与导体电极4的外表面形状匹配，具体的，壳罩5侧壁呈弧形，半径范围为2～18mm，优选10mm，并且上、下端分别设置有弧形倒角，倒角半径范围为0.8～1.2mm，优选1mm，并且壳罩5的内凹面51也设置有弧形过渡，半径范围为2～4mm，优选1mm。导体电极4与壳罩5的结构能有效增加避雷装置周围电场畸变，更多的增加感应电极产生的感应电荷，从而能增加提前电晕放电形成上行先导的提前时间。
直筒形的壳体3下端螺接有衬套8，衬套8连接着支撑座9，支撑座9底部为安装法兰，壳体3、支撑座9为导电材质，支撑座9接地从而实现壳体3的有效接地，在雷电流被引流到接闪器后，雷电流沿着接闪器传导到壳罩上，雷电流的强度大会直接击穿壳罩与导体电极之间的间隙，从而雷电流再传导到导体电极上，最后雷电流再沿着壳体3、支撑座9被导入大地，最终实现避雷保护的作用，主动触发系统2设置在壳体3内，壳体能起到屏蔽保护的作用，并且主动触发系统2内设置的隔离组件、隔离模块也能有效防止雷电流从主动触发系统2通过，从而避免主动触发系统2被雷电流损坏，保障主动触发系统2能长效稳定的实现主动放电来形成提前的上行先导，确保雷电能被引流到接闪器后导入大地，减少雷电击中其他物体的概率，使雷击不对被保护的建筑物构成危害，保证建筑物的安全。
如图3所示的避雷装置，沿竖直方向的上顶端呈锥形的接闪器设置在直筒形壳体的顶部，并且接闪器上还套设有位于直筒形壳体上方的锥形的壳罩，在直筒形壳体的下部设置沿竖直方向的用于接地的支撑座，支撑座底部为安装法兰；如图4所示的避雷装置，与前述的避雷装置的不同点在于，在直筒形壳体的下部还设置有套设在支撑座上的呈上大下小的锥形的下壳罩。
在雷电的下行先导下落的过程中，地面物体的表面场强不断增长，当地面某目的物表面场强达到上行先导起始场强时，地面物体开始产生迎面上行先导，称此时下行先导的位置为一级定位点。此后，随着下行先导的下落，可能有更多的地面目的物产生迎面上行先导，击中点的确定取决于下行先导和上行先导的相对传播和最后跃变过程，最先与下行先导达到最后跃变的上行先导将成为击中点。上行先导相对较快时，就能拦截距离较远的下行先导，表现出较强的引雷能力，反之，则引雷能力较弱。
本实施例中所述的避雷装置处在雷云环境中时，在还未发生雷击前，导体电极在雷云电场下通过静电感应产生电荷重新分布，电荷收集环和导电圈再在导体电极的作用下通过静电感应产生感应电荷，感应电荷被感应电荷收集模块采集后再由电荷转换模块转化为电能，电能提供给振荡电路模块产生交变电流输送至电晕放电模块形成脉冲式电晕放电，如此循环,以致出现许多脉冲形式的电晕电流，最终通过终端触发模块传输至接闪器进行向外放电形成提前的上行先导，该上行先导能优先的与雷云的下行先导会合，从而能有效的将雷电引流到接闪器，雷电流再沿着接闪器、罩壳、导体电极、壳体、支撑座的路径被导入大地，具有较好的引雷能力，减少雷电击中其他物体的概率。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (13)
1.一种避雷装置，其特征在于，包括接闪器(1)和主动触发系统(2)，所述的主动触发系统包括感应电极、感应电荷收集模块、电荷转换模块以及放电触发模块，所述的感应电荷收集模块采集感应电极在雷云电场中通过静电感应产生的感应电荷并传输至电荷转换模块，电荷转换模块将感应电荷转换为供放电触发模块工作的电能，所述的放电触发模块产生电晕放电并传输至与放电触发模块电连接的接闪器(1)形成上行先导。
2.根据权利要求1所述的避雷装置，其特征在于，所述的电荷转换模块与放电触发模块之间还设置有防止雷电流通过的隔离模块。
3.根据权利要求1所述的避雷装置，其特征在于，所述的放电触发模块包括振荡电路模块、电晕放电模块和终端触发模块，所述的振荡电路模块产生交变电流驱动电晕放电模块形成脉冲式电晕放电，脉冲式电晕放电再通过终端触发模块传输至接闪器(1)。
4.根据权利要求3所述的避雷装置，其特征在于，所述振荡电路模块与电晕放电模块之间设置有防止雷电流通过的隔离组件。
5.根据权利要求1所述的避雷装置，其特征在于，所述的感应电极包括绝缘分隔开的电荷收集环(21)和导电圈(22)，所述的电荷收集环(21)与导电圈(22)通过静电感应产生极性相反的感应电荷。
6.根据权利要求1至5任一项所述的避雷装置，其特征在于，还包括接地的壳体(3)，所述的主动触发系统(2)装置在壳体(3)内，所述的接闪器(1)设置在壳体(3)顶部。
7.根据权利要求6所述的避雷装置，其特征在于，所述的壳体(3)上连接有在雷云电场中通过静电感应产生感应电荷的导体电极(4)，所述的感应电极再在导体电极(4)的作用下通过静电感应产生感应电荷。
8.根据权利要求6所述的避雷装置，其特征在于，所述的导体电极(4)呈顶部开孔的帽状结构，接闪器(1)从导体电极(4)的顶部开孔穿过并与导体电极(4)绝缘分隔开。
9.根据权利要求8所述的避雷装置，其特征在于，所述的导体电极(4)顶部呈平面，导体电极(4)的外表面从顶部平面到侧面之间设置弧形倒角过渡，并且导体电极(4)的内表面同样从顶部平面到侧面之间设置弧形倒角过渡。
10.根据权利要求8所述的避雷装置，其特征在于，所述的接闪器(1)外围套装有与接闪器(1)电导通的壳罩(5)，所述的壳罩(5)整体为上小下大的锥形的空心壳结构，并且其下端朝着径向内侧凹陷延伸形成内凹面(51)，所述的壳罩(5)位于导体电极(4)上方并与导体电极(4)之间具有间隙。
11.根据权利要求10所述的避雷装置，其特征在于，所述壳罩(5)的内凹面(51)与导体电极(4)的外表面形状匹配。
12.根据权利要求10所述的避雷装置，其特征在于，所述的壳罩(5)侧壁呈弧形，上、下端分别设置有弧形倒角，并且壳罩(5)的内凹面(51)也设置有弧形过渡。
13.根据权利要求7至12任一项所述的避雷装置，其特征在于，所述接闪器(1)的顶端呈锥形，接闪器(1)的底端开设连接孔，接闪器(1)通过穿入在其底端开设的连接孔中的螺钉(6)固定在壳体(3)中设置的支撑件(7)上，所述的螺钉(6)再与主动触发系统(2)的放电触发模块电连接。
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