CN1481602A - 带有起动装置的避雷器及控制这种避雷器晕电流的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有起动装置的避雷器，包括一被设计成可发射形成一上升先导的电晕放电的导电体(2)，所述导电体(1，2)被通过一包括绝缘套管(6)的主火花隙振荡器接地。该导电体(1，2)还平行于所述火花隙振荡器，通过限制并控制该导电体(1，2)中辉光放电电流(I)流动的电路(4)接地。该方法尤其包括只要雷击未来临使辉光放电电流(I)减至最小，并且允许辉光放电电流恰恰在这种雷击之前增大。

Description

带有起动装置的避雷器及 控制这种避雷器晕电流的方法

本发明涉及一种带有起动装置的避雷器，以及一种控制这种避雷器导电体中电晕电流流动的方法。

带有起动装置的避雷器是用来保护建筑物免受雷击的系统。它们适合于以提早方式沿雷击方向产生一“上升先导(rising precursor)电流”或“上升引导(rising leader)”，以便产生择优的雷电路径，从而避免损坏它们安装在其上的建筑物。与简单的富兰克林空气引线端相比，上升先导电流或引导的这种提早产生特性有可能使避雷器更加有效，因为这种上升电流或引导的电荷增大到可遇到云，而与富兰克林空气引线端相比，可更早地将雷击固定于一确定点。

例如由FR-A-2 553 236可知，通过周期性释放避雷器空气引线端(尖端)中的能量，增强避雷器空气引线端的作用，可促进上升先导的出现，具有与建筑物中较少受到雷击的其他部分屏蔽先导的作用。假设从避雷器导体中发出的这种上升先导相当早地与来自云的辉光放电电流接触，因而将冲击点固定。不过，良好地固定冲击点可能仅受到一定条件的影响。首先，上升引导与下降引导之间的几何距离必须满足一定的条件，尤其是如NF C 17-102标准中所给出的。第二个条件涉及到上升先导的发射时刻，一定不能太早地发射。实际上，太早发射的先导或引导不能充分地朝向下降先导(descending precursor)或引导传播，且保持为靠近避雷器，而在下降先导或引导方向形成阻碍这种先导或引导后续过程的空间电荷。

从而已知的避雷器可能不完全有效，因为空间电荷在它们附近积累。

本发明的一个更加具体目的在于，通过提出一种用于控制这种避雷器的方法克服该缺点，确保产生上升先导，而对于下降先导未屏蔽避雷器。

按照这种精神，本发明涉及一种控制带有起动装置的避雷器的导电体中辉光放电电流流动的方法，其包括以下步骤：

-只要雷击没有到来使辉光放电电流最小，并且

-允许该电流恰恰在这种雷击之前增大。

本发明的方法采用与已知系统，例如其中增强空气引线端效果的FR-A-2 553 236相反的过程。通过避免产生空间电荷，该方法有可能将辉光放电电流的预期发射减小到最小，即出现上升先导，而可以恰恰在雷击之前，随气候条件增大该电流。由于在先导或引导即将传向地面时呈指数增大的周围静电场，所以确定允许辉光放电电流增大的时刻能实现。从而本发明的方法有可能在该静电场只要没有增加到相当大的程度时限制辉光放电电流，此时该避雷器被构造成，使其电荷转换成上升先导或引导，然后朝向云自由传播。换句话说，只要该周围静电场不足以使上升引导朝向下降引导自由传播，该避雷器不发射放电(discharge)或发射非常少的放电。

本发明还涉及一种用于实现上述方法的避雷器，具体来说，涉及一种带有起动装置的避雷器，包括一适合于发射形成一上升先导的电晕放电的导电体，该导电体通过一主放电器(火花隙振荡器)接地，其特征在于通过用于限制并控制该导电体中辉光放电电流流动的电路，该导电体还平行于该主放电器接地。

该用于限制辉光放电电流的电路的作用与已知电路，尤其是FR-2-553 236的电路相反，在大多数情形中，其目的在于抵制避雷器中上升先导的增大，即在于使避雷器空气引线端的影响最小。

根据本发明有利但非必须的方面，避雷器包含一个或多个下列特征：

-该限制与控制电路包括放电装置，只要周围静电场的强度低于一预先确定的阈值，其有效地释放辉光放电电流。

-该限制与控制电路包括串联的一电感和一由一电容器与一次放电器并联形成的组件。该电容器可存储电荷，该次放电器保护该电容器免于受到太高电压。该电容器和该次放电器构成了用于在该电容器中积蓄电荷，并且在该放电器中清空这些电荷的电路。该电感可限制上述组件处的电流改变，结果在由于电容器与放电器形成的组件中产生的放电引起的电流改变过程中，通过该电感的电流最小。

-该限制与控制电路被集成在一导电支承中，该导电支承的外截面基本上等于该导电体的最大外截面，该支承在主放电器与地之间形成电连接。该限制与控制电路与其集成在其中的导电支承电绝缘，只是其底端接地。由于本发明的这个方面，该避雷器被设计成使其电路可以集成在标准尺寸的管中，避免可产生能造成寄生空间电荷的所不需要的电晕作用的突起。还便于将避雷器集成在建筑物上，尤其是将审美考虑在内时，因为某些避雷器可以从地面上看到。电路的这种集成还可能设想将避雷器与建筑物上存在的杆柱，如旗杆或天线支承结合在一起。在这种情形中，该电路方便地嵌入上述支承内的绝缘树脂中，即与该支承电绝缘。

-由一至少部分地插入该导电体与导电支承之间的绝缘套管构成该主放电器。该主放电器还可以包括一包含在导电体或上述支承内的辅助放电器。

-该导电体具有至少一个可根据雷击路径明显地促进电晕放电的元件。该元件在必须电流时，明显地方便产生上升先导或引导。在这种情形中，该元件可以明显地包括由该导电体外围凸缘形成的边缘。这些凸缘由该导电体外半径表面中形成的凹槽分隔开。该元件另一种可能的实现方式为处于该导电体上部中的尖端。

按照下面根据仅由例子给出，并参照附图的原理及实施方法的避雷器的三种实现方式的描述，将更容易理解本发明，并且其其他优点将更加显而易见，在附图中：

图1为本发明避雷器的电路图。

图2为图1中避雷器的分解纵剖图。

图3为图1和2避雷器的透视图。

图4与图2相似，为根据本发明第二种实施方式的避雷器的分解剖面。

图5与图3相似，为图4避雷器的视图，以及

图6与图5相似，为根据本发明第三种实施方式的避雷器的视图。

图1到3的避雷器包括一安装在类似导电圆柱体2上的圆锥形导电尖端1，元件1和2构成了形成避雷器端部的导电体。与已知避雷器相比，元件1和2具有较小尺寸。元件1和2的小尺寸可以减小静电场拾取(pick up)和电流的产生，否则该电场将感应出该电流。圆柱体2与主放电器(火花隙振荡器)3的接线端电连接，该主放电器的相反端接地。与该放电器3平行，圆柱体2还与用于限制并控制避雷器在尖端1处产生的辉光放电电流I的电路4相连。

电路4包括一与一组件42串联的电感41，组件42由并联的一电容器43和一次放电器44构成。

电感41的值在100到1000μH之间，而电容器43的电容在100到4000pF之间，次放电器的直流起动电压处于100到1000伏之间。至于放电器3，其直流起动电压为10kV量级。

作用方式如下：

在雷击未来临，由于周围静电场改变导致电流I趋于增大时，电流出现在通过电路4供给圆柱体2的分支A中，因为通过放电器3将圆柱体2接地的分支B对所述电压为开路。电流I具有对电容器43充电的作用，直至其两端电压大于放电器44的起动电压，这导致在该放电器中进行放电，具有“清空”或“清除”电容器电荷的作用，结果组件42处消耗了该电流的大部分能量。所存储的电荷被间歇释放掉。

而且，沿圆柱体2方向流动的电流I的任何改变均受到电感41的限制，结果只要尖端处的电场不够大，最终传给圆柱体的电流便受到限制。从而实现对电流I的限制，实际上是电流I的最小化，这将倾向于在尖端1处产生电晕放电或永久先导。

当避雷器经受非常接近于雷击的气候条件时，它遭受的静电场显著变化，结果在地面与圆柱体2之间产生的电流I变得相当大，组件42中获得的循环充电与放电在所产生的电流面前可以忽略不计，在这种情形中，该电流沿圆柱体2方向通过电感41传播。在这些条件下，尖端1明显是这样一种元件，通过它上升先导沿从云端下降的先导方向传播。

通过这种方法，只要避雷器处于轻微改变的静电场中，由于电路4，电流I被最小化。然后，即恰恰在雷击到来之前，因为元件41到44不能对抗由于尖端处大电场和电路4中组件42的时间常数导致的该电流，该电流可以通过电路4增大。选择该时间常数，使组件42可以有效地消耗与电流I相应的电荷，只要该电流较弱，例如100mA量级，同时该组件允许电流通过电感41朝向元件1和2所形成的导电体传播，这在雷击迫近导致周围静电场突变过程中产生。

正如从图2和3可以更加具体地看出，电路4集成在例如由金属制成的导电管5内部。

绝缘套管6插在圆柱体2与管5之间，该套管为盘形，包括容纳在管5拧向圆柱体2的端部5 a内的部分6 a。

X-X’表示避雷器处于已安装结构时元件1，2，5和6共有的纵轴。元件5构成了元件1和2的支承。

尖端1具有一沿轴X-X’延伸、适合于穿入圆柱体2中央螺孔2 a中的螺纹部分1 a，使之有可能将元件1与2装配在一起，以形成避雷器的端部导电元件。

根据本发明的一种变型(未示出)，元件1和2可以由一单块元件取代。

此外，圆柱体2具有一螺纹部分2 b，其尺寸为可拧入套管6的中央螺孔6 b之内，套管6则通过形状配合、拧紧和/或胶合到管的端部5 a而固定不动。圆柱体2拧紧在套管6上，从而可使其相对管5固定该圆柱体。

大体上沿轴X-X’延伸的螺杆7穿过套管6，而弹簧8保证在螺杆7与圆柱体2的螺纹部分2 b之间有效地实现电接触。

螺杆7与弹簧8相反的端部，通过电缆9与电路4电连接，而另一根电缆10将该电路与管5的与其端部5 a相反、并且本身接地的底部5 b相连。

根据本发明的一种变型(未示出)，并且依照所选择尺寸和公差，可以省略弹簧8。

在圆柱形且中心处于轴X-X’上的元件2，5和6的外半径表面范围形成主放电器3。圆柱体2具有与管5圆柱形边缘5 c直径相同的圆柱形边缘2 c，套管6上的凸缘6 d的外半径表面6 c处于这些边缘之间。从而，元件2 c，5 c和6 d构成图1中所示的主放电器3。

至于管5构成了该放电器与地之间的电连接。

在雷击到尖端1时，电流通过主放电器3在元件1，2和5的表面上流动。

电路4嵌入管5内的绝缘树脂11中，而电感41被绝缘薄膜45环绕，这一方面能在电路4与地之间电绝缘，另一方面在该电路与主放电器3之间电绝缘。在一种变型中，可以使用树脂11，不使用薄膜45，或者可以使用薄膜45，不使用树脂11，在任一种情形中均覆盖整个电路4，以便使之与其周围环境绝缘。

尖端1的高度 h可以在30到100mm之间，同时选择圆柱体2的高度足够大，使之不干扰放电器3处的静电场。高度 h’的典型数值为110mm量级。

凸缘6 d的厚度与电路4的阻抗以及受气候参数影响的所需起动条件有关。5mm的厚度可以给出令人满意的结果，不过可以设想其它尺寸。

支承管5的总长度L尤其取决于待集成的电路4的尺寸。可以为例如400mm，不过更短或更长一样好，为由尖端1和圆柱体2形成的导电元件与最近地面之间构成的距离的函数。

元件2，5和6的外直径 d取决于待集成的电路和所需机械特性。可以为30mm量级或者更大，为长度L和高度 h和 h’的函数。可以随直径 d调节高度 h，以便保持顶端1的适当锥度。本发明的结构使避雷器最小化，通常其直径可以保持为小于50mm。

在图4和5所示本发明第二种实施方式中，与第一实施例相同的元件其附图标记增大50。在该实施例中，集成在支承管55中的元件与第一实施例相同，包括一用于限制并控制辉光放电电流、包含一被薄膜95环绕的电感91和一由一电容器93和一次放电器94构成的组件92的电路54。套管56的凸缘56 a结合在支承管55的上端55 a和导电圆柱形元件52之间，且支承管55本身接地。

如前所述，由于元件52与管55的相对边缘52 c和55 c，由元件52与管55之间的凸缘56 d形成放电器53，且套管56的外半径表面56 c与这些元件的相对边缘52 c和55 c对准。

该实施方式与前一实施方式的区别在于导电体由半球形头部51和圆柱形元件52构成，且圆柱形元件52具有在元件52外半径表面52 f中形成的凹槽52 c限定的凸缘52 d。

使用半球形头部51，相对于第一实施例，可以更多地限制辉光放电电流，即出现上升先导或引导，只要避雷器没有放置在相应于雷击来临的静电场中。实际上，该头部不具有显著促进电晕的尖端或元件。

另一方面，连接在凸缘52 d外表面与半径表面之间的边缘52 g，构成了特别的电晕区域，在电流I通过电路54沿元件52方向传播时使用该区域。

元件52的直径可以为30到50mm量级，而凸缘52 d的宽度 l在4到10mm之间，凹槽52 d的宽度 l’同样在4到10mm之间，宽度 l和 l’可以相同，或者不同。凹槽52 c的深度 p可以在2到10mm之间。元件52上的凸缘数量可以在1到10之间，特别为5数量级。

第二实施方式中元件的尺寸基本上与第一实施例相同，由于半球形特性，头部51的高度 h基本上等于其直径的一半。

注意，第二实施方式中的凹槽52 e相对元件52由凸缘52 d外半径表面52 f限定的外围表面是中空的。

用于限制并控制放电的电路4或54是动态的，因为它对外部条件有反应，其功能是自适应的。实际上，如果避雷器处于静电场改变相当大的条件下，虽然电感41或91倾向于对电流增大进行限制，不过电容器43或93倾向于在次放电器44或94中迅速充电和放电。相反，如果该电流不倾向于随外部条件而增大，则电容器充电不迅速，且放电作用不频繁。

辅助放电器96连接在与第一实施例的螺杆7相同的螺杆57与管55的内表面之间。在这种情况下，主放电器53由套管6的外表面56 c和处于管子55中的辅助放电器96构成，即防止外部污染。辅助放电器96可以为气体放电器或者任何其他类型放电器。使之有可能避免在雷击时侵蚀元件52和55的金属部分52 c和55 c。最后，可以测量避雷器的老化作用，并且在其维护框架内对其进行定期监控。

根据本发明未示出的有利方面，可以给辅助放电器96增加一发信号系统。

电路4和54中的放电器44和94可以为气体放电器或者任何其他类型放电器。

由于这两种实施方式中主放电器3或53的结构，后者没有相对导电元件2或52或支承管5或55沿径向伸出，结果不构成污垢或湿气等的积聚区域，减小其起动电压，这相对已知设备形成了相当大的进步。该优点特别归因于将控制与监控电路设计成可集成在相应支承管中这一事实。

可以将所描述的两种实施方式结合在一起。具体来说，如从图6可以看出，可以使用具有尖端1型元件52型的带凸缘元件，促进电流I通过限制与控制电路增大时上升先导的形成。

第一种实施方式的避雷器还可以包括一放电器96类型的辅助放电器。

Claims (10)

1.带有起动装置的避雷器，包括一适合于发射形成一上升先导的电晕放电的导电体，所述导电体通过一主放电器(火花隙振荡器)接地，其特征在于通过用于限制并控制所述导电体(1，2；51，52)中辉光放电电流(I)流动的电路(4；54)，所述导电体还与所述主放电器(3；53)平行地接地。

2.根据权利要求1所述的避雷器，其特征在于所述电路(4；54)包括放电装置(43，44；93，94)，在周围静电场的强度低于预定阈值时有效地释放所述辉光放电电流(I)。

3.根据权利要求1或2所述的避雷器，其特征在于所述电路(4，54)包括串联在一起的一电感(41；91)和一由一电容器(43；93)和一次放电器(44；94)并联构成的组件(42；92)。

4.根据权利要求1到3其中之一所述的避雷器，其特征在于所述电路(4；54)集成在一导电支承(5；55)中，导电支承的外截面( d)基本上等于所述导电体(1，2；51，52)的最大外截面，所述支承在所述主放电器(3；53)与地面之间形成电连接。

5.根据权利要求4所述的避雷器，其特征在于所述电路(4；54)相对所述支承(5；55)电绝缘。

6.根据权利要求4或5所述的避雷器，其特征在于所述主放电器(3；53)包括一至少部分插入所述导电体(1，2；51，52)与所述导电支承(5；55)之间的绝缘套管(6；56)。

7.根据权利要求4到6其中之一所述的避雷器，其特征在于所述主放电器(3；53)还包括一包含在所述导电体(1，2；51，52)或所述支承(5；55)中的辅助放电器(96)。

8.根据权利要求1到7其中之一所述的避雷器，其特征在于所述导电体(1，2；51，52)具有至少一个用于根据雷击路径明显地促进电晕放电的元件(1；52g)。

9.根据权利要求7所述的避雷器，其特征在于所述元件明显地包括由外围凸缘(52 d)构成，且由所述导电体(51，52)外半径表面(52 f)中形成的凹槽(52 e)分隔开的边缘(52g)。

10.用于根据前述权利要求之一控制带有起动装置的避雷器的导电体(1，2；51，52)中辉光放电电流流动的方法，其特征在于包括以下步骤：

-只要雷击未到来使所述辉光放电电流(I)最小，并且

-允许所述电流恰恰在这种雷击之前增大。

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