CN117458273A - 激光电离智能主动接闪器及其防雷控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及雷电防护设备领域，具体涉及一种激光电离智能主动接闪器及其控制方法。本发明包括固定在安装基面上的接闪杆，安装在接闪杆顶部的激光发射器和接闪杆内部的供电系统、湿度检测装置、电场检测装置和智能自动控制装置，激光发射器用于发射激光脉冲，通过形成预电离空气通道并引导放电路径，将雷云中的电荷泄放；供电系统与激光发射器电连接，为激光发射器提供驱动电源，电场检测装置用于对大气电场强度进行采集和检测，湿度检测装置对空气湿度检测。本发明通过产生激光脉冲聚焦制造预电离空气通道并引导安全放电路径，使雷云中雷电沿着预电离空气通道引向接闪器经引下线泄放，从而扩大了接闪距离和保护半径，达到主动准确接闪的效果。
Description
本申请是名为《激光电离智能主动接闪器及其防雷控制方法》的专利申请的分案申请，原申请的申请日为2021年05月27日，申请号为202110587115.5。
技术领域
本发明涉及雷电防护设备领域，具体涉及一种激光电离智能主动接闪器及其防雷控制方法。
背景技术
雷电是自然界非常普遍且最强的放电现象，同时产生巨大的电流和电磁辐射，给建筑和电力设备造成巨大的破坏。预防闪电的常规方法是使用接闪器。这种方法是在需要保护的对象上安装接闪器；或在重要设施上安装防雷设施，将放电电流通过接闪器引向地面，以防闪电直接攻击建筑物。这些措施在一定程度上可以减小雷电带来的灾害。但存在以下缺陷：现有接闪器只能被动接闪，不灵活，因此研发一种主动引雷方法是必要的。其次是现有接闪器的避雷保护范围小，有时为了提高保护范围不得不设置多个避雷针，或竖立高杆塔提高接闪器的高度。来确保被保护物的安全，但由于保护物体积过大，在工程设计，工程应用上仍不尽人意。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种性能安全可靠的激光电离智能主动接闪器，解决了现有接闪器只能被动接闪，且保护范围过小的问题。
本发明的技术方案是这样发明的：一种激光电离智能主动接闪器，包括带固定在安装基面上的接闪杆，接闪杆底部设有的接地引下线，其特征在于，还包括供电系统、电场检测装置、湿度检测装置、智能控制装置和安装在接闪杆顶部的无极调向装置及若干组激光发射器，所述激光发射器用于向上发射飞秒级激光脉冲，并在在空气中聚焦，通过形成预电离空气通道并引导安全放电路径，将雷云中的电荷泄放；所述供电系统与激光发射器电连接，为激光发射器提供驱动电源，所述电场检测装置用于对大气电场强度进行采集和检测，所述智能控制装置分别与电场检测装置、激光发生器、湿度检测装置和无极调向装置电连接；所述激光发射器通过陶瓷盘绝缘安装，所述激光发射器安装在无极调向装置上，能通过智能控制装置自动调节方向，激光发射器顶部设有防雷击的保护罩。所述激光发射器包括激励信号发生器、激光器电源和激光发射头，所述激励信号发生器通过放大电路与激光器电源相连接，所述激光器电源通过激光驱动模块与激光发射头相连接，所述激光发射头前端连接有扩束镜。所述激光发射头的安装角度可调。所述无极调向装置具有三自由度调向功能；所述无极调向装置在所述智能控制装置的控制下使激光发射器的激光发射头在多方位和多角度的位置变化。
所述电场检测装置包括设置在接闪杆上的大气电场传感器，湿度检测装置包括空气湿度传感器，所述大气电场传感器和空气湿度传感器分别与智能控制装置电连接，所述智能控制装置通过WiFi、4G或5G网络与移动终端或远程监控终端进行通信连接。
可选地，所述供电系统包括外部电源供电和太阳能供电装置供电；所述外部电源采用220V电源，供电导线穿过接闪杆内部与激光发生器电连接，供电导线与接闪杆保持绝缘。
所述太阳能供电装置包括太阳能电池板和接闪杆内部的蓄电池、逆变器和电源开关，所述太阳能电池板依次连接有蓄电池和逆变器，所述逆变器通过电源开关与激光发射器电连接。
所述光电离主动接闪器还包括散热装置，所述散热装置安装在激光发射器下端的接闪杆内部，包括散热风扇和匹配开设在接闪杆外表的若干散热孔。
可选地，所述激光发射器包括CO2激光器、Nd：YAG激光器或蓝宝石激光器的一种或多种。
本发明还提供了一种防雷控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1)设置引雷的大气电场条件的安全阈值和预警阈值；
S2)启动电场检测装置和湿度检测装置对周边电场进行检测，大气电场传感器采集大气电场强度数据，空气湿度传感器采集空气湿度数据，并将数据信号发送给智能控制装置；
S3)智能控制装置通过数据处理系统获取数据值，判断大气电场强度和空气湿度是否超过安全阈值，若超过安全阈值，则启动激光发生器，当大气电场强度超过雷电预警阈值，则智能控制装置向激光发生器发送防雷指令，控制所述激光发射器向雷云发射激光；若大气电场强度和空气湿度低于安全阈值时，智能控制装置关闭激光发生器；
S4)智能控制装置能根据雷云位置，控制无极调向装置调节方向，使激光发射器对准所述雷云位置并发射激光。
可选地，所述步骤S4中，激光发射器通过激光脉冲形成预电离空气通道并引导安全放电路径，使雷云中雷电沿着预电离空气通道引向接闪器经引下线泄放。
本发明解决了背景技术中存在的缺陷，具有以下有益效果：
本发明提供了一种激光电离主动接闪器，解决了现有接闪器只能被动接闪，且保护范围过小的问题。本发明通过产生激光脉冲制造预电离空气通道并引导安全放电路径，形成“引导线”，电离带改变了雷电走向，使雷云中雷电沿着预电离空气通道引向避雷塔或引下线泄放，减少接闪电流和雷电的电磁脉冲效应，增大接闪器的保护半径，扩大了接闪距离和达到主动精准接闪的效果，增强了防雷效果。同时，在雷击之前，主动引雷，将雷云中的电荷泄放，雷击发生之前所泄放的电能小于发生雷击时所产生的电能，因此更有利于避雷安全。其次，能有效地防范感应雷、球状雷和侧击雷等特异雷击。激光发射头的安装角度可调30～70°范围可调，便于聚焦。通过设置无极调向装置，具有三自由度调向功能，能够在360°圆周上调整方向和倾斜一定的角度，从而使激光发射器的激光发射头能在多方位和多角度的位置变化，从而能对准目标雷云位置处。智能控制装置能根据雷云位置，控制无极调向装置调节方向，使激光发射器向目标雷云位置发射激光。
本发明可以通过外接电源供电和太阳能供电，形成24小时全天候双重全自动避雷保护。智能控制装置通过WiFi或4G网络与移动终端或远程监控终端进行通信连接，将电场强度、空气湿度、激光发射器的状态位置等信息发送到用户移动终端的手机APP上，用户通过手机可查看和远程启闭激光发射器和调整无极调向装置，实现了远程对接闪器的控制，操作方便。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中激光发射器的结构示意图；
图中：1-接闪杆，2-供电系统，3-激光发射器，4-保护罩，5-陶瓷盘，6-散热装置，7-激光发射头，8-电场检测装置，9-大气电场传感器，10-湿度检测装置，11-无极调向装置，12-智能控制装置，21-外部电源，22-太阳能供电装置，31-激励信号发生器，32-放大电路，33-激光器电源，34-激光驱动模块，35-扩束镜。
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。
本发明的目的是提供一种微型化的光谱传感系统，通过在面阵探测器上表面设置超原子来提升光谱传感系统的微型化。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例
如图1和图2所示的光电离主动接闪器，包括带固定在安装基面上的接闪杆1，接闪杆1底部设有的接地引下线，还包括安装在接闪杆1顶部的无极调向装置11、若干组激光发射器3和接闪杆1内部的供电系统2、电场检测装置8、湿度检测装置10及智能控制装置12，激光发射器3用于向上发射飞秒级激光脉冲，并在在空气中聚焦，通过形成预电离空气通道并引导安全放电路径，将雷云中的电荷泄放；供电系统2与激光发射器3电连接，为激光发射器3提供驱动电源，电场检测装置8用于对大气电场强度进行采集和检测，智能控制装置12分别与电场检测装置8、激光发生器3、湿度检测装置10和无极调向装置11电连接。激光发射器3通过陶瓷盘5绝缘安装，激光发射器3安装在无极调向装置11上，能通过智能控制装置12自动调节方向，激光发射器3顶部设有防雷击的保护罩4。电场检测装置8包括设置在接闪杆1上的大气电场传感器9，湿度检测装置10包括空气湿度传感器，大气电场传感器9和空气湿度传感器分别与智能控制装置12电连接。供电系统2包括外部电源21供电和太阳能供电装置22供电。平时采用外部电源供电，外部电源21采用220V电源，供电导线穿过接闪杆1内部与激光发生器3电连接，供电导线与接闪杆1保持绝缘。
在供电不便的偏远地区或山区，可采用太阳能供电。太阳能供电装置22可以安装在接闪器上，或外接安装。其包括设置在接闪杆1表面的太阳能电池板和接闪杆1内部的蓄电池、逆变器和电源开关，太阳能电池板依次连接有蓄电池和逆变器，所述逆变器通过电源开关与激光发射器3电连接。太阳能电池板将太阳光照转变为电能，为蓄电池充电，逆变器将蓄电池的直流电变为交流电，为激光发射器3供电。光电离主动接闪器还包括散热装置6，所述散热装置6安装在激光发射器3下端的接闪杆1内部，包括散热风扇和匹配开设在接闪杆1外表的若干散热孔。激光发射器3包括激励信号发生器31、激光器电源33和激光发射头7，激励信号发生器通过放大电路32与激光器电源33相连接，激光器电源32通过激光驱动模块34与激光发射头7相连接，激光发射头7可调节角度。接闪杆1由304不锈钢制成，智能控制装置和电场检测装置8均加装有电磁屏蔽壳。激光发射器3包括CO2激光器、Nd：YAG激光器或蓝宝石激光器等的一种或多种，可根据实际情况选用。
本发明的工作过程是：
S1)设置引雷的大气电场条件的安全阈值和预警阈值；
S2)启动电场检测装置8和湿度检测装置10对周边电场进行检测，大气电场传感器9采集大气电场强度数据，空气湿度传感器采集空气湿度数据，并将数据信号发送给智能控制装置12；
S3)智能控制装置通过数据处理系统获取数据值，判断大气电场强度是否超过安全阈值，电场强度1200伏/米，空气湿度超过90％，若超过安全阈值，则启动激光发生器3，当大气电场强度超过雷电预警阈值，例如电场强度2000伏/米，则智能控制装置向激光发生器3发送防雷指令，控制所述激光发射器3自动调节方向，朝雷云位置处发射激光。若大气电场强度低于安全阈值时，电场强度1200伏/米，空气湿度低于70％，智能控制装置关闭激光发生器3。
S4)智能控制装置12能根据雷云位置，控制无极调向装置11调节方向，带动激光发射器3调整方向和发射角度，从而向目标雷云位置发射激光。激光发射器3通过产生激光等离子通道以飞秒级激光脉冲射线形式向上摄入云端，即上行先导，当带电雷云对地放电其下行先导与电离通道交汇时，雷电通过预电离空气通道下行，即形成预电离空气通道并引导安全放电路径，形成“引导线”，电离带改变了雷电走向，使雷云中雷电沿着预电离空气通道引向接闪器经下线泄放，从而扩大了接闪距离和达到主动精准接闪的效果。
本实施例中，应该保证在接闪杆1及周边安装有多个大气电场传感器9，通过多个大气电场传感器9共同检测环境上方的大气电场强度。显然，越接近雷云位置的大气电场传感器所检测到的电场强度值越大，具有更高的信噪比，同时也越容易获取雷云的位置。智能控制装置12通过4G网络与移动终端或远程监控终端进行通信连接，将电场强度、空气湿度、激光发射器3的状态位置等信息发送到用户移动终端的手机APP上，用户通过手机可查看和远程启闭激光发射器3和调整无极调向装置11，实现了远程对接闪器的控制，操作方便。
本发明通过产生激光脉冲制造预电离，形成电离空气通道并引导安全放电路径，形成“引导线”，电离带改变了雷电走向，使雷云中雷电沿着预电离空气通道引向避雷塔或引下线泄放，减少接闪电流和雷电的电磁脉冲效应，增大接闪器的保护半径，扩大了接闪距离和达到主动精准接闪的效果，增强了防雷效果。同时，在雷击之前，主动引雷，将雷云中的电荷泄放，雷击发生之前所泄放的电能小于发生雷击时所产生的电能，因此更有利于避雷安全。其次，能有效地防范感应雷，球状雷和侧击雷等特异雷击。激光发射头7的安装角度可调30～70°范围可调，使多束激光便于聚焦。形成不同高度的高能聚焦点。高能聚焦点使空气电离，通过设置无极调向装置11，具有三自由度调向功能，能够在360°圆周上调整方向和倾斜一定的角度，从而使激光发射器3的激光发射头7能在多方位和多角度的位置变化，从而能对准目标雷云位置处。智能控制装置12能根据雷云位置，控制无极调向装置11调节方向，使激光发射器3向目标雷云位置发射激光，使雷云中电荷沿着电离通道准确与接闪器接闪，沿杆体和引下线，泄放雷电流到大地。本发明可以通过外接电源供电和太阳能供电，形成24小时全天候双重全自动避雷保护。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种激光电离智能主动接闪器，包括带固定在安装基面上的接闪杆(1)，接闪杆(1)底部设有的接地引下线，其特征在于，还包括供电系统(2)、电场检测装置(8)、湿度检测装置(10)、智能控制装置(12)和安装在接闪杆(1)顶部的无极调向装置(11)及若干组激光发射器(3)，所述激光发射器(3)用于向上发射飞秒级激光脉冲，并在在空气中聚焦，通过形成预电离空气通道并引导安全放电路径，将雷云中的电荷泄放；所述供电系统(2)与激光发射器(3)电连接，为激光发射器(3)提供驱动电源，所述电场检测装置(8)用于对大气电场强度进行采集和检测，所述智能控制装置(12)分别与电场检测装置(8)、激光发生器(3)、湿度检测装置(10)和无极调向装置(11)电连接；所述激光发射器(3)通过陶瓷盘(5)绝缘安装，所述激光发射器(3)安装在无极调向装置(11)上，能通过智能控制装置(12)自动调节方向，激光发射器(3)顶部设有防雷击的保护罩(4)；
所述激光发射器(3)包括激励信号发生器(31)、激光器电源(33)和激光发射头(7)，所述激励信号发生器通过放大电路(32)与激光器电源(33)相连接，所述激光器电源(32)通过激光驱动模块(34)与激光发射头(7)相连接，所述激光发射头(7)前端连接有扩束镜(35)；
所述激光发射头(7)的安装角度可调；
所述无极调向装置(11)具有三自由度调向功能；所述无极调向装置(11)在所述智能控制装置(12)的控制下使激光发射器(3)的激光发射头(7)在多方位和多角度的位置变化。
2.根据权利要求1所述的激光电离智能主动接闪器，其特征在于：所述电场检测装置(8)包括设置在接闪杆(1)上的大气电场传感器(9)，湿度检测装置(10)包括空气湿度传感器，所述大气电场传感器(9)和空气湿度传感器分别与智能控制装置(12)电连接，所述智能控制装置(12)通过WiFi、4G或5G网络与移动终端或远程监控终端进行通信连接。
3.根据权利要求1或2所述的激光电离智能主动接闪器，其特征在于：所述供电系统(2)包括外部电源(21)供电和太阳能供电装置(22)供电；所述外部电源(21)采用220V电源，供电导线穿过接闪杆(1)内部与激光发生器(3)电连接，供电导线与接闪杆(1)保持绝缘。
4.根据权利要求3所述的激光电离智能主动接闪器，其特征在于：所述太阳能供电装置(22)包括太阳能电池板和接闪杆(1)内部的蓄电池、逆变器和电源开关，所述太阳能电池板依次连接有蓄电池和逆变器，所述逆变器通过电源开关与激光发射器(3)电连接。
5.根据权利要求1所述的激光电离智能主动接闪器，其特征在于：所述光电离主动接闪器还包括散热装置(6)，所述散热装置(6)安装在激光发射器(3)下端的接闪杆(1)内部，包括散热风扇和匹配开设在接闪杆(1)外表的若干散热孔。
6.根据权利要求1所述的激光电离智能主动接闪器，其特征在于：所述激光发射器(3)包括CO2激光器、Nd：YAG激光器或蓝宝石激光器的一种或多种。
7.一种基于权利要求1至6所述的光电离主动接闪器的防雷控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1)设置引雷的大气电场条件的安全阈值和预警阈值；
S2)启动电场检测装置(8)和湿度检测装置(10)对周边电场进行检测，大气电场传感器(9)采集大气电场强度数据，空气湿度传感器采集空气湿度数据，并将数据信号发送给智能控制装置(12)；
S3)智能控制装置(12)通过数据处理系统获取数据值，判断大气电场强度和空气湿度是否超过安全阈值，若超过安全阈值，则启动激光发生器(3)，当大气电场强度超过雷电预警阈值，则智能控制装置(12)向激光发生器(3)发送防雷指令，控制所述激光发射器(3)向雷云发射激光；若大气电场强度和空气湿度低于安全阈值时，智能控制装置(12)关闭激光发生器(3)；
S4)智能控制装置(12)能根据雷云位置，控制无极调向装置(11)调节方向，使激光发射器(3)对准所述雷云位置并发射激光。
8.根据权利要求7所述的激光电离智能主动接闪器的防雷控制方法，其特征在于：所述步骤S4中，激光发射器(3)通过激光脉冲形成预电离空气通道并引导安全放电路径，使雷云中雷电沿着预电离空气通道引向接闪器经引下线泄放。
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