CN205195259U - 电力、电子设备雷电预警防护装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电力、电子设备雷电预警防护装置，包括避雷器、电流传感器、磁天线、信号处理器，电流传感器安装于高处易于遭受雷击的引雷导体上并用于感应测量引雷导体上的电流，磁天线安装于电流传感器附近，电流传感器的信号输出端和磁天线的信号输出端分别与信号处理器的信号输入端连接，信号处理器的预警信号输出端与避雷器的控制信号输入端连接。本实用新型通过电流传感器、磁天线监测闪电发展过程中，在电力及电子设备附近的引雷导体如避雷针上由于上行先导产生的电流和磁场，以及由雷暴云产生的下行梯级先导产生的脉冲磁场，并通过信号处理器对信号进行处理后向避雷器输出控制信号，通过避雷器及时完成接地保护，更加可靠。

Description

电力、电子设备雷电预警防护装置

技术领域

本实用新型涉及一种雷电监控设备，尤其涉及一种电力、电子设备雷电预警防护装置。

背景技术

为了避免雷电损坏设备，通信、电力、交通等各行业的电力及电子设备都需要进行雷电防护。当前对电力及电子设备的雷电防护，首先按照相关国家/行业标准建设避雷设施(如：避雷针(器)，接地网等)，然后按照不同的防护区域在设备的电源、信号等线路中加装浪涌保护器进行保护。

上述浪涌保护器的工作原理是：当雷电流进入电源或信号线后，通过高灵敏度的浪涌保护器将线路接地，使雷电流通过接地系统流入大地；更具体来说，是当闪电电流脉冲进入线路以后通过气体放电管、压敏电阻等针对出现的瞬时高压，导通接地线路对地放电，从而达到保护后续设备的目的。由于闪电脉冲电流的上升沿都是微秒量级，因此，要求该类装置针对不同类型的脉冲必须在纳秒量级的时间内动作，完成对地放电，所以对浪涌保护器的灵敏度要求极高，增加了制造难度。另外，由于该类浪涌保护器都是针对一些特定的雷电流波形设计如：8/20微秒等，对于信号线而言，如果是通过天线耦合入信号线的电流，该类浪涌保护器的保护作用难以达到预期效果。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种能提前检测雷电并进行预警和防护的电力、电子设备雷电预警防护装置。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种电力、电子设备雷电预警防护装置，包括避雷器，还包括电流传感器、磁天线、信号处理器，所述电流传感器安装于高处易于遭受雷击的引雷导体上并用于感应测量所述引雷导体上的电流，所述磁天线安装于距离所述电流传感器的水平距离小于100m的范围内，所述电流传感器的信号输出端和所述磁天线的信号输出端分别与所述信号处理器的信号输入端连接，所述信号处理器的预警信号输出端与所述避雷器的控制信号输入端连接。

上述结构中，电流传感器用于感应测量所述引雷导体上的电流，能够采集到在引雷导体上始发的上行先导的电流脉冲信号；磁天线用于采集由雷暴云中始发并向地面发展的下行梯级先导的磁场脉冲信号；信号处理器用于对信号进行滤波去噪和计算判断处理，并在满足条件时向避雷器发送预警信号，采用常规的信号处理器即可实现。

具体地，所述引雷导体为避雷针，所述电流传感器套装于所述引雷导体外，所述电流传感器为线圈或同轴分流器，所述避雷器包括交流输入端的电源避雷器和信号输入端的信号避雷器，所述电源避雷器的控制信号输入端和所述信号避雷器的控制信号输入端分别与所述信号处理器的预警信号输出端连接。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型通过电流传感器、磁天线监测闪电发展过程中，在电力及电子设备附近的引雷导体如避雷针上由于上行先导产生的电流和磁场，以及由雷暴云产生的下行梯级先导产生的脉冲磁场，并通过信号处理器对信号进行处理后向避雷器输出控制信号，通过避雷器及时完成接地保护，更加可靠；通过本实用新型可在闪电袭击地面数十～数百微秒前发出预警，而无需纳秒量级的高灵敏度器件即可使相关接地保护端即避雷器完成接地保护动作，不再是雷电流已经入侵系统电路后再根据电压等电参数判断进行保护，使得对电力及电子设备的保护更有保障，同时，当闪电袭击了被保护设备附近(未直接袭击设备本身)，由于相关保护端已经接地，则亦可避免由于雷电电磁脉冲对相关线路耦合对设备造成的损害；本预警防护装置无需针对不同的雷电流波形进行设计再防护，可以针对任何雷电流波形，因此相比传统防雷设备更具普遍意义。

附图说明

图1-1是一次自然闪电中雷电负梯级先导接近地面且闪电回击发生之前由于铁塔上始发上行先导而在铁塔上测量得到的电流脉冲；

图1-2是图1-1中“A”的放大图；

图1-3是图1-1中“B”的放大图；

图2是本实用新型所述电力、电子设备雷电预警防护装置应用时的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

首先，为了便于理解本发明的创新思路和原理，下面结合附图对雷电现象进行详细说明：

通常而言，对电力、电子设备造成危害和损坏的主要是云地闪(发生在云体与地面之间的大气放电现象，称为云地闪)，云地闪分为下行负地闪、下行正地闪、上行负地闪和上行正地闪四种类型。通常情况下的云对地放电过程都是将云内负电荷输送到地面的负极性放电(即下行负地闪)，正地闪过程相对较少出现。对于低于100m的这类地面物体通常忽略上行闪电，认为只遭受下行闪电的袭击[VladimirA.Rakov,2003.Lightningphysicsandeffects.]。

这里以下行负地闪(事实上本专利也可应用于其他类型的雷电预警)与地物作用过程为例进行阐述。实验研究表明产生于云内体分布电荷的下行闪电以称之为梯级先导的梯级发展形式由云内向地面传播。随着梯级先导到达地面，地面电场也随之稳定增大，位于该背景电场中的地物尖端电场会由于电场的增强而数次达到由梯级先导产生的背景电场强度幅值的数十倍。当地物尖端电场达到约3.0×10⁶V/m的临界值时，其尖端将开始出现电子雪崩。随着背景电场的增大，尖端的本地电场也随之增大，导致电子雪崩头部的带电粒子数增加。当粒子数达到约10⁸到10⁹时，电子雪崩将转化为流光放电[Gallimberti，1972；Bazelyanetal.，1977]。如果流光里的电荷量超过约1μC，则流光通道将会被加热导致先导的产生[Gallimberti，1972]。这个过程称之为流光到先导的转变，这种由梯级先导形成的活跃电场激发而形成的先导，称之为连接先导(即上行先导，当与下行梯级先导发生连接形成云地闪时，则将该上行先导称之为连接先导)。一旦上述过程开始，连接先导便开始向着下行梯级先导发展。连接先导的发展取决于尖端上产生的流光，与每个流光产生的相关联电荷依赖于背景电场和连接先导通道的电位梯度。对于正先导而言，该值大约等于40-60μC/m。无论是下行梯级先导还是上行连接先导的发展都依赖于流光爆发来产生足够的电荷加热部分先导。当正先导与负先导接近时，两个先导头部之间的平均电位梯度持续增大，当其达到500kV/m时，最后连接所需条件都满足时，则最后连接也即刻发生，这一条件称为最后一跳的条件。一旦连接完成，梯级先导电荷的瞬时中和将导致回击的发生。而回击产生的电流正是传统浪涌保护器的防护对象。

以SilverioVisacro在JournalofGeophysicalResearch期刊上发表的以铁塔为对象的电流观测数据为例，如图1-1～图1-3所示，这3幅图揭示了在负梯级先导接近地面时，闪电回击发生之前，铁塔上电子向下移动产生的电流脉冲，即方框A和B标识的区域，这即为流向塔顶的正电流脉冲，这也对应着上行连接先导的放电。

因此，由上述闪电的发生发展原理以及相关观测结果可见，当闪电回击发生前，地面物体的尖端上会出现放电现象最终形成上行先导，而这一过程可以通过地面物体上的电流变化监测到，当出现如图1-1～图1-3所示的电流脉冲时，则认为闪电将在不到1ms的时间内发生。本专利正是针对监测这一现象以及下行梯级先导产生的磁场脉冲现象进行预警，使得电力、电子设备相关接地保护端，提前数十～数百微秒完成接地保护，从而完成对相关设备的保护。

如图2所示，本发明所述电力、电子设备雷电预警防护装置包括避雷器、电流传感器8、磁天线9、信号处理器7，所述避雷器包括交流输入端的电源避雷器1和信号输入端的信号避雷器4，电流传感器8安装于高处易于遭受雷击的引雷导体10上并用于感应测量引雷导体10上的电流，磁天线9安装于距离电流传感器8的水平距离小于100m的范围内，电流传感器8的信号输出端和磁天线9的信号输出端分别与信号处理器7的信号输入端连接，信号处理器7的预警信号输出端分别与信号避雷器4的控制信号输入端与电源避雷器1的控制信号输入端连接；在本例中，电流传感器8为线圈或同轴分流器，也可以为能够测量引雷导体10上电流的其它设备，套装于引雷导体10外，能够采集到始发于其上的上行先导产生的电流脉冲信号；磁天线9用于采集由雷暴云向下发展的下行梯级先导产生的的磁场脉冲信号；引雷导体10为避雷针。

图2中还示出了接地卡5、接地柱2、基站发信台3和基站塔6，这些都是常规的部件和设施，在此不再赘述。

下面结合图2对本预警防护装置的工作原理和预警防护方法进行具体说明，需要说明的是，下述预警防护方法是优选的方法，但并非本装置的必选和唯一方法，在本装置公开的前提下，可以选择更为常规的方法来实现信号采集后的处理，只是其效果会差一些，所以，下述方法只是为了说明本装置运行的最佳过程，不是保护对象。

本实用新型所述电力、电子设备雷电预警防护装置采用的预警防护方法，包括以下步骤：

(1)信号处理器7采集电流传感器8的雷电流脉冲信号并进行如下条件判断：

①雷电流脉冲信号宽度是否为10-100微秒？

②雷电流脉冲信号频谱能量是否集中分布于0～300KHz，且频谱特征表现为随着频率上升能量递减？

③是否连续两次及以上出现满足上述条件①、②的雷电流脉冲信号？

(2)信号处理器7采集磁天线9的磁场脉冲信号，先通过积分电路，完成磁场脉冲信号的积分运算，再进行如下条件判断：

A、磁场脉冲信号的时宽是否不超过1微秒？

B、是否连续两次以上出现满足上述条件A的雷电流脉冲信号？

(3)在信号处理器7采集的电流传感器8的雷电流脉冲信号同时满足上述条件①、②、③，且信号处理器采集7的磁天线9的磁场脉冲信号同时满足上述条件A、B的条件下，信号处理器向避雷器发出预警信号，由信号避雷器4与电源避雷器1完成接地保护，电源避雷器1在1～2秒后自动变为高阻状态，恢复正常供电，信号避雷器4在1～2秒后自动变为高阻状态，恢复信号传输，然后继续重复上述步骤(1)、(2)、(3)；如果没有同时满足上述条件①、②、③、A、B，则重复上述步骤(1)、(2)、(3)。

通过上述优选的方法，针对在闪电可能袭击电力、电子设备前数十～数百微秒进行预警，使得相关电源及信号线接地保护装置提前接地，从而对包括通过天线耦合入信号线的闪电电流进行更具保障性的防护。

上述实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本实用新型专利的权利保护范围内。

Claims (2)

1.一种电力、电子设备雷电预警防护装置，包括避雷器，其特征在于：还包括电流传感器、磁天线、信号处理器，所述电流传感器安装于高处易于遭受雷击的引雷导体上并用于感应测量所述引雷导体上的电流，所述磁天线安装于距离所述电流传感器的水平距离小于100m的范围内，所述电流传感器的信号输出端和所述磁天线的信号输出端分别与所述信号处理器的信号输入端连接，所述信号处理器的预警信号输出端与所述避雷器的控制信号输入端连接。

2.根据权利要求1所述的电力、电子设备雷电预警防护装置，其特征在于：所述引雷导体为避雷针，所述电流传感器套装于所述引雷导体外，所述电流传感器为线圈或同轴分流器，所述避雷器包括交流输入端的电源避雷器和信号输入端的信号避雷器，所述电源避雷器的控制信号输入端和所述信号避雷器的控制信号输入端分别与所述信号处理器的预警信号输出端连接。