CN111463663A - 一种能够发射强脉冲电磁波的引雷器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种能够发射强脉冲电磁波的引雷器，包括：避雷塔架、布置在所述避雷塔架顶部电磁波发射机和电磁波天线；本发明提供的能够发射强脉冲电磁波的引雷器，可以替换传统避雷针结构而更有效的进行引雷闪电，其主要应用在森林防雷电火灾，石油存储场所防雷电灾害，高铁山区沿线等地区防雷电灾害。
Description
技术领域
本发明涉及一种能够发射强脉冲电磁波的引雷器，属于防雷电灾害装备技术领域。
背景技术
避雷针，又名防雷针、避雷器等，是用来保护建筑物、高大树木等避免雷击的装置。在被保护物顶端安装一根接闪器，用符合规格导线与埋在地下的泄流地网连接起来。当雷云放电接近地面时它使地面电场发生畸变，在避雷针的顶端，形成局部电场集中的空间，以影响雷电先导放电的发展方向，引导雷电向避雷针放电，再通过接地引下线和接地装置将雷电流引入大地，从而使被保护物体免遭雷击。由于雷电会选择最“容易”导通的电磁场路径进行放电，而雷电的放电通路由雷电电离空气形成。避雷针只是作为一种被动防护手段，并不能完全确保被其保护的目标不被雷击。
因此采用发射强脉冲电磁波的天线作为避雷针，进而由强脉冲电磁波天线发射雷电“容易”导通的电磁场及路径，引导雷电在强脉冲电磁波天线上放电。
发明内容
本发明要解决技术问题是：克服上述技术的缺点，提供一种采用发射强脉冲电磁波的天线，进而由强脉冲电磁波天线发射雷电“容易”导通的电磁场及路径，引导雷电在强脉冲电磁波天线上放电的引雷器。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种能够发射强脉冲电磁波的引雷器，包括：避雷塔架、布置在所述避雷塔架顶部电磁波发射机和电磁波天线；所述电磁波天线包括绝缘壳、耦合器和接闪针；所述耦合器包括初级线圈、次级线圈和磁芯；所述初级线圈和次级线圈均缠绕在所述磁芯上并相互耦合；所述初级线圈、次级线圈、磁芯布置在所述绝缘壳内；所述接闪针布置在所述绝缘壳之上；所述次级线圈的顶端连接所述接闪针，底端连接地线；
所述电磁波发射机包括高电压脉冲电磁波发射电路、控制电路和供电电路；
所述高电压脉冲电磁波发射电路包括高压离子放电管、中压气体放电管、瞬态抑制二极管、高压场效应开关管、低压场效应开关管T6、第一光耦合器、整流桥、升压变压器；所述高压离子放电管并联在所述次级线圈上，所述中压气体放电管并联在所述初级线圈上，所述瞬态抑制二极管串联第一电容后与所述中压气体放电管并联；所述初级线圈的一端反向串联第一二极管后连接所述高压场效应开关管的源极；所述高压场效应开关管的栅极则依次串联第二电阻和第二二极管后连接所述初级线圈的另一端；所述高压场效应开关管的漏极连接第二三极管的发射极；所述第二三极管的集电极通过第一电阻连接所述高压场效应开关管的栅极，所述第二三极管的集电极还依次串联第三二极管和第二电容后连接所述初级线圈的另一端；所述第二三极管的基极通过第三电阻连接第三三极管的集电极；所述第三三极管的发射极连接所述初级线圈的另一端；所述第三三极管的基极连接所述第一光耦合器的输出端负极；所述第一光耦合器的输出端负极还通过第四电阻连接所述初级线圈的另一端；所述第一光耦合器的输出端正极通过第五电阻连接所述高压场效应开关管的漏极；所述第一光耦合器的输入端正极连接第一电源正极；所述高压场效应开关管的漏极还通过第六电阻连接所述整流桥的输出端正极，所述整流桥的输出端负极连接所述初级线圈的另一端；所述高压场效应开关管的漏极与所述整流桥的输出端负极之间设置有高压储能电容；所述升压变压器与低压场效应开关管通过第四三极管、第五三极管、第七电阻和第八电阻构成直流转高压交流电路；所述低压场效应开关的漏极连接第二电源的正极，所述低压场效应开关的栅极通过所述第八电阻接电源地；所述升压变压器的输出两端分别连接所述整流桥的输入两端；
所述控制电路包括微处理器、雷电信号放大器、GPS模块、第二光耦合器和无线通讯模块；所述雷电信号放大器，具有天线，能够接收雷电中辐射的VHF信号，所述雷电信号放大器的输出端连接所述微处理器的第一输入引脚；所述GPS模块的输出端连接所述微处理器的第一输入端；所述无线通信模块连接所述微处理器的通讯端；所述微处理器的第一输出端通过第十一电阻连接所述第一光耦合器输入端的负极；所述第二光耦合器的输入端正极连接第一电源正极，所述微处理器的第二输出端通过第十四电阻连接所述第二光耦合器的输入端负极。
上述方案进一步的改进在于：所述供电电路包括太阳能电池板、稳压器、第一电池、DC-DC转换器和第二电池；所述太阳能电池板的正极连接所述稳压器的输入端；所述稳压器的输出端串联第二十一电阻后作为所述第二电源正极；所述稳压器的接地端连接所述太阳能电池板的负极并作为所述电源地；所述第二电源正极与所述电源地分别连接所述DC-DC转换器的输入端正负极；所述DC-DC转换器的输出端连接第二电池充电器；所述第二电池充电器的输出端连接所述第二电池；所述第二电池的正负极作为第一电源正负极。
上述方案进一步的改进在于：所述初级线圈是直径大于等于1毫米的铜线绕制的线圈。
上述方案进一步的改进在于：所述次级线圈是直径大于等于8毫米的铜线绕制的线圈。
上述方案进一步的改进在于：所述无线通讯模块为NB-IOT无线通信模块，采用符合3GPP标准，支持Band5、Band8、Band20、Band28不同频段的NB-IoT无线通信模块；所述无线通讯模块能够使用数字移动通信SIM卡。
本发明提供的能够发射强脉冲电磁波的引雷器，可以替换传统避雷针结构而更有效的进行引雷闪电，其主要应用在森林防雷电火灾，石油存储场所防雷电灾害，高铁山区沿线等地区防雷电灾害。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步说明。
图1是本发明一个优选的实施例正视结构示意图。
图2是图1的中电磁波天线结构示意图。
图3是图1的中电磁波发射机电路结构示意图。
具体实施方式
实施例
本实施例的能够发射强脉冲电磁波的引雷器，如图1，包括：避雷塔架300、布置在避雷塔架300顶部电磁波发射机200和电磁波天线100。避雷塔架300是由角钢或钢管搭建的接地引下线和接地装置的避雷塔架。
如图2，电磁波天线100包括绝缘壳10、耦合器和接闪针90；耦合器包括初级线圈、初级线圈、次级线圈和磁芯。其中，初级线圈是初级细导线铜线圈60、初级线圈是次级粗导线铜线圈50、磁芯是铁氧体磁芯40；初级细导线铜线圈60和次级粗导线铜线圈50均缠绕在铁氧体磁芯40上并相互耦合；初级细导线铜线圈60、次级粗导线铜线圈50、铁氧体磁芯40均布置在绝缘壳10内；接闪针90布置在绝缘壳10之上；绝缘壳10顶部具有连接接闪针90的接闪针连接体80，底部具有接地线连接体70；次级粗导线铜线圈50的顶端焊接在接闪针连接体80上，底端焊接在接地线连接体70；接闪针连接体80连接接闪针90，接地线连接体70连接在避雷塔架300的接地线连接端从而与接地线连接。初级细导线铜线圈60的顶端和底端自a、b两位置引出，以便连接电磁波发射机200。初级细导线铜线圈60是直径大于等于1毫米的铜线绕制的线圈。次级粗导线铜线圈50是直径大于等于8毫米、电阻小于50毫欧的铜线绕制的线圈。绝缘壳10是径向360度水平方向可辐射磁场的高分子有机物绝缘体外套。
初级线圈内绝缘套20是采用聚四氟乙烯制作的缠绕初级细导线铜线圈60的绝缘套；次级线圈内绝缘套30是采用聚四氟乙烯制作的缠绕次级粗导线铜线圈50的绝缘套。
如图3，电磁波发射机200包括高电压脉冲电磁波发射电路200A、控制电路200B和供电电路200C；
高电压脉冲电磁波发射电路200A包括高压离子放电管H、中压气体放电管FD、瞬态抑制二极管TVS、高压大功率场效应开关管T1、低压场效应开关管T6、第一光耦合器U1、整流桥ED、升压变压器T200；高压离子放电管H并联在次级线圈L2上，中压气体放电管FD并联在初级线圈L1上，瞬态抑制二极管TVS串联第一电容C1后与中压气体放电管FD并联；初级线圈L1的一端反向串联第一二极管D1后连接高压大功率场效应开关管T1的源极；高压大功率场效应开关管T1的栅极则依次串联第二电阻R2和第二二极管D2后连接初级线圈L1的另一端；高压大功率场效应开关管T1的漏极连接第二三极管T2的发射极；第二三极管T2的集电极通过第一电阻R1连接高压大功率场效应开关管T1的栅极，第二三极管T2的集电极还依次串联第三二极管D3和第二电容C2后连接初级线圈L1的另一端；第二三极管T2的基极通过第三电阻R3连接第三三极管T3的集电极；第三三极管T3的发射极连接初级线圈L1的另一端；第三三极管T3的基极连接第一光耦合器U1的输出端负极；第一光耦合器U1的输出端负极还通过第四电阻R4连接初级线圈L1的另一端；第一光耦合器U1的输出端正极通过第五电阻R5连接高压大功率场效应开关管T1的漏极；第一光耦合器U1的输入端正极连接第一电源正极VCC；高压大功率场效应开关管T1的漏极还通过第六电阻R6连接整流桥ED的输出端正极，整流桥ED的输出端负极连接初级线圈L1的另一端；高压大功率场效应开关管T1的漏极与整流桥ED的输出端负极之间设置有高压储能电容Cg；升压变压器T200与低压场效应开关管T6通过第四三极管T4、第五三极管T5、第七电阻R7和第八电阻R8构成直流转高压交流电路；低压场效应开关T6的漏极连接第二电源的正极V+，低压场效应开关T1的栅极通过第八电阻R8接电源地；升压变压器T200的输出两端分别连接整流桥ED的输入两端。
控制电路200B包括微处理器IA1、雷电信号放大器IA5、GPS模块IA6、第二光耦合器U2和无线通讯模块IA3；雷电信号放大器IA5，具有天线ANT2，能够接收雷电中辐射的VHF信号，雷电信号放大器IA5的输出端连接微处理器IA1的AD10引脚；GPS模块IA6的SCL、SDA、MAKE引脚分别连接微处理器IA1的SCL、SDA、P2.0引脚；无线通信模块的通信串口UART的TXD、RXD、RI、RES引脚分别连接微处理器IA1的通信串口UART的RXD、TXD、P0.6、P0.7引脚；微处理器IA1的P0.0引脚通过第十一电阻RA1连接第一光耦合器U1输入端的负极；第二光耦合器U2的输入端正极连接第一电源正极Vcc，微处理器的P2.1引脚通过第十四电阻RA4连接第二光耦合器U2的输入端负极。
控制电路200B还包括进行工作所必须的晶振、电容、电阻、复位电路等结构。
微处理器IA1可以采用通用型8位MCU或32位MCU；无线通讯模块IA3为NB-IOT无线通信模块，采用符合3GPP标准，支持Band5、Band8、Band20、Band28不同频段的NB-IoT无线通信模块；无线通讯模块IA3能够使用数字移动通信SIM卡IA4。数字移动通信SIM卡IA4是NB-IoT无线通信用户身份识别卡，内装有用户设备通信号码和加密的密钥。
供电电路200C包括太阳能电池板TYN、稳压器W1、第一电池BAT1、DC-DC转换器W2和第二电池BAT2；太阳能电池板TYN的正极连接稳压器W1的输入端；稳压器W1的输出端串联第二十一电阻RB1后作为第二电源正极；稳压器W1的接地端连接太阳能电池板TYN并作为电源地；第二电源正极与电源地分别连接DC-DC转换器W2的输入端正负极；DC-DC转换器W2的输出端连接第二电池充电器W3；第二电池充电器W3的输出端连接第二电池BAT2；第二电池BAT2的正负极作为第一电源正负极。其中，第一电池BAT1为12V蓄电池，第二电池BAT2为3.6V锂电池。供电电路200C同样包含有必要的电容和电阻等结构。供电电路200C为其他结构提供必要的供电。
第一光耦合器U1的发光二极管的正端连接第一电源Vcc，负端通过电阻RA1连接微处理器的P0.0口，并由微处理器的P0.0口控制发光二极管的导通和截止，使控制光耦合器U1的光敏三极管的导通和截止，进而通过三极管T2-T3、电阻R1-R5、电容C2、二极管D2-D3组成的高压大功率场效应开关管T1的G极控制电路，使场效应开关管T1的D极和S极导通和截止；高压储能电容Cg、电阻R6、整流桥ED组成高压充电电路，高压储能电容Cg上存储的高电压电能大于2J（瞬时在初级线圈L1上放电可产生大于500瓦瞬时电磁场能量），高压储能电容Cg的正极通过场效应开关管T1的D极和S极导通经二极管D1连接初级线圈L1的一端，高压储能电容Cg的负极连接初级线圈L1的另一端；低压场效应开关管T6通过第二光耦合器U2中光敏三极管的导通和截止控制直流转高压交流电路的开启和停止。
本实施例的具体工作原理如下：当雷电信号放大器IA5接收到闪电VHF信号，说明本实施例的引雷器附近上空云层存在雷电闪电；GPS电路IA6通过天线ANT3接收卫星定位信息，确定本实施例的引雷器的地理位置。微处理器IA1通过第二光耦合器U2开启直流转高压交流电路，快速给高压储能电容Cg充电，并按时序循环（可设定2秒-1分钟）使高压储能电容Cg中的电能通过瞬态抑制二极管TVS、高压大功率场效应开关管T1、低压场效应开关管T6等部件组成的电路在初级线圈L1放电，放电开关由微处理器IA1通过第一光耦合器U1来完成，进而次级线圈L2感应强脉冲电磁场，并通过次级线圈L2相连的接闪针和接地线组成的天线，向空中辐射极化方向垂直的强电磁波进行引雷电；相当于为雷电提供一条更容易导通的通路，从而为被保护物提供更安全的防护。若没有采集到雷电闪电信号，微处理器IA1会关闭直流转高压交流电路和高电压脉冲电磁波发射电路，此时的由接闪针90串联连接次级粗导电铜线圈50和接地线组成传统的避雷针结构；同样具有一定的防护雷电的能力。
当接闪针90遭到雷击，次级线圈L2导通雷电流时，高压离子放电管H吸收一部分雷电能量，初级线圈L1产生感应电能，被中压气体放电管FD、瞬态抑制二极管TVS、电容C1组成电路所吸收。
无线通信智能控制电路200B的工作原理，是由微处理器IA1的通信串口UART的RXD、TXD、P0.6、P0.7口和NB-IOT无线通信电路IA3的通信串口UART的TXD、RXD、RI、RES相连接，NB-IOT无线通信电路IA3的RST、CLK、DATA端口通过电阻RA7-RA10、电容CA4-CA7相对应连接数字移动通信SIM卡IA4的RST、CLK、DATA端口，进而通过ANT1天线可以远距离和上位管理机进行NB-IOT无线通信；微处理器IA1的I2C口SCL、SDA、P2.0口通过上拉电阻RA5-RA6相对应和GPS电路IA6的SCL、SDA、MAKE相连采集地理位置信息，ANT3是卫星接收天线并连接在GPS电路IA6的RF端。
本发明不局限于上述实施例。凡采用等同替换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种能够发射强脉冲电磁波的引雷器，其特征在于，包括：避雷塔架、布置在所述避雷塔架顶部电磁波发射机和电磁波天线；所述电磁波天线包括绝缘壳、耦合器和接闪针；所述耦合器包括初级线圈、次级线圈和磁芯；所述初级线圈和次级线圈均缠绕在所述磁芯上并相互耦合；所述初级线圈、次级线圈、磁芯布置在所述绝缘壳内；所述接闪针布置在所述绝缘壳之上；所述次级线圈的顶端连接所述接闪针，底端连接地线；
所述电磁波发射机包括高电压脉冲电磁波发射电路、控制电路和供电电路；
所述高电压脉冲电磁波发射电路包括高压离子放电管、中压气体放电管、瞬态抑制二极管、高压场效应开关管、低压场效应开关管T6、第一光耦合器、整流桥、升压变压器；所述高压离子放电管并联在所述次级线圈上，所述中压气体放电管并联在所述初级线圈上，所述瞬态抑制二极管串联第一电容后与所述中压气体放电管并联；所述初级线圈的一端反向串联第一二极管后连接所述高压场效应开关管的源极；所述高压场效应开关管的栅极则依次串联第二电阻和第二二极管后连接所述初级线圈的另一端；所述高压场效应开关管的漏极连接第二三极管的发射极；所述第二三极管的集电极通过第一电阻连接所述高压场效应开关管的栅极，所述第二三极管的集电极还依次串联第三二极管和第二电容后连接所述初级线圈的另一端；所述第二三极管的基极通过第三电阻连接第三三极管的集电极；所述第三三极管的发射极连接所述初级线圈的另一端；所述第三三极管的基极连接所述第一光耦合器的输出端负极；所述第一光耦合器的输出端负极还通过第四电阻连接所述初级线圈的另一端；所述第一光耦合器的输出端正极通过第五电阻连接所述高压场效应开关管的漏极；所述第一光耦合器的输入端正极连接第一电源正极；所述高压场效应开关管的漏极还通过第六电阻连接所述整流桥的输出端正极，所述整流桥的输出端负极连接所述初级线圈的另一端；所述高压场效应开关管的漏极与所述整流桥的输出端负极之间设置有高压储能电容；所述升压变压器与低压场效应开关管通过第四三极管、第五三极管、第七电阻和第八电阻构成直流转高压交流电路；所述低压场效应开关的漏极连接第二电源的正极，所述低压场效应开关的栅极通过所述第八电阻接电源地；所述升压变压器的输出两端分别连接所述整流桥的输入两端；
所述控制电路包括微处理器、雷电信号放大器、GPS模块、第二光耦合器和无线通讯模块；所述雷电信号放大器，具有天线，能够接收雷电中辐射的VHF信号，所述雷电信号放大器的输出端连接所述微处理器的第一输入引脚；所述GPS模块的输出端连接所述微处理器的第一输入端；所述无线通信模块连接所述微处理器的通讯端；所述微处理器的第一输出端通过第十一电阻连接所述第一光耦合器输入端的负极；所述第二光耦合器的输入端正极连接第一电源正极，所述微处理器的第二输出端通过第十四电阻连接所述第二光耦合器的输入端负极。
2.根据权利要求1所述的能够发射强脉冲电磁波的引雷器，其特征在于：所述供电电路包括太阳能电池板、稳压器、第一电池、DC-DC转换器和第二电池；所述太阳能电池板的正极连接所述稳压器的输入端；所述稳压器的输出端串联第二十一电阻后作为所述第二电源正极；所述稳压器的接地端连接所述太阳能电池板的负极并作为所述电源地；所述第二电源正极与所述电源地分别连接所述DC-DC转换器的输入端正负极；所述DC-DC转换器的输出端连接第二电池充电器；所述第二电池充电器的输出端连接所述第二电池；所述第二电池的正负极作为第一电源正负极。
3.根据权利要求1所述的能够发射强脉冲电磁波的引雷器，其特征在于：所述初级线圈是直径大于等于1毫米的铜线绕制的线圈。
4.根据权利要求1所述的能够发射强脉冲电磁波的引雷器，其特征在于：所述次级线圈是直径大于等于8毫米的铜线绕制的线圈。
5.根据权利要求1所述的能够发射强脉冲电磁波的引雷器，其特征在于：所述无线通讯模块为NB-IOT无线通信模块，采用符合3GPP标准，支持Band5、Band8、Band20、Band28不同频段的NB-IoT无线通信模块；所述无线通讯模块能够使用数字移动通信SIM卡。
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2020
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