CN205790944U - 压控感应场致等离子发射式避雷装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种压控感应场致等离子发射式避雷装置，包括从上至下依次连接的上层极化电极层、中层极化电极、等离子感应发射层和设备基座；其中，所述上层极化电极层包括相互连接的上层极化电极和上层压控单元，所述中层极化电极连接在所述上层压控单元上，所述等离子感应发射层包括分别与所述中层极化电极连接的下层压控单元、纳米电极上阴极间隙和纳米电极下阴极间隙，且该纳米电极上阴极间隙与纳米电极下阴极间隙结构相同，均包括由表面纳米材料处理的阴极棒和阳电极沟道结构；在所述基座的底部还设置有接地端。本实用新型原理新颖，设计巧妙，结构简单，易于生产，具有很高的实用价值和广阔的应用前景。

Description

压控感应场致等离子发射式避雷装置

技术领域

本实用新型涉及一种避雷装置，具体地说，是涉及一种压控感应场致等离子发射式避雷装置。

背景技术

在避雷技术领域中，多年来各类防雷标准中一直沿用富兰克林接闪器作为直击雷防护装置，其基本原理是用高于被保护物体的金属导体接闪雷电，并经过引下线和接地装置将雷电流泄放至大地。此种方法常常在被保护物近端引雷入地，由于瞬间电流过大，一般为200kA左右，产生的近端强电磁辐射、感应过电压、地电位反击等负面因素，对微电子设备及通信网络造成易受雷击危害的严重影响。

由于微电子设备的迅猛发展，设备对过电压保护的要求越来越高，富兰克林接闪器引雷的特点已经不能满足新的需要。前人在单针接闪器的基础上研制出了消散阵列多针消雷技术，利用金属针的尖端电晕放电产生等离子体消散雷云感应电荷，但由于产生的等离子体浓度不足，消散电流很小，约百微安级，因此容易造成消雷失败。

近年来，由于新的电源逆变元件的产生，前人又利用外接电源通过IGBT等元器件逆变的方式制造人造高压，并在介质阻挡电极中产生等离子体向外空间发散的方式消除直击雷，但由于设备需要外接电源、元器件在恶劣环境中使用寿命降低等因素，导致设备体积庞大、结构复杂、受外界环境影响大，不利于工程应用和推广。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种压控感应场致等离子发射式避雷装置，解决现有技术中普通避雷接闪器装置直接引雷入地，消散整列消雷器消散电流小，以及有源等离子避雷装置结构复杂、体积庞大、容易受外界环境影响的问题。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

压控感应场致等离子发射式避雷装置，包括从上至下依次连接的上层极化电极层、中层极化电极、等离子感应发射层和设备基座；其中，所述上层极化电极层包括相互连接的上层极化电极和上层压控单元，所述中层极化电极连接在所述上层压控单元上，所述等离子感应发射层包括分别与所述中层极化电极连接的下层压控单元、纳米电极上阴极间隙和纳米电极下阴极间隙，且该纳米电极上阴极间隙与纳米电极下阴极间隙结构相同，均包括由表面纳米材料处理的阴极棒和阳电极沟道结构；在所述基座的底部还设置有接地端。

进一步地，所述上层压控单元包括与所述上层极化电极连接的第一压控可变电阻器，和与该第一压控可变电阻器连接的第一密闭陶瓷放电管。

再进一步地，所述下层压控单元包括与所述中层极化电极连接的第二压控可变电阻器，和与该第二压控可变电阻器连接的第二密闭陶瓷放电管；该第二密闭陶瓷放电管与设备基座连接。

优选地，所述上层极化电极为椭球形。

优选地，所述中层极化电极为扁球状，且其外弧面均匀分布有消雷阵列式长、短多针尖端。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

（1）本实用新型中的避雷设备置于被保护物外部雷云电场强感应点，既利用了多针电极结构场致电子发射先驱放电产生的微小电流溢出衰减场强，避免了雷云电场直接击穿放电在上层电极上产生雷击大电流的风险，又通过极化电极的场致等离子发射产生的大量等离子体，向外部空间膨胀扩散溢出，在外界雷云电场的作用下带电粒子分层中和雷云上行先导激发电场，衰减和消除上行先导，在被保护物区域屏蔽雷云电场，大大减少了传统避雷针将直击雷电流引入地下对保护物内设备造成各种过电压危害的概率。

（2）本实用新型不需要外接电源，通过设备自行感应雷云电场提供设备所需能量；外型结构简捷、可靠、重量轻，配有基座安装法兰，方便施工人员施工。

（3）本实用新型中的避雷装置在工程应用中需要可靠接地，但由于设备原理不是通过引雷入地实现防雷，对设备地网的接地电阻要求较低，可以利用建筑物自然接地体实现设备有效接地。

（4）本实用新型中的避雷装置，在雷云电场的作用下向外界空气中大量溢出等离子体，高能等离子体的膨胀特性使得其具有很大的表面积，并在避雷装置周围发散，有利于避免雷云对被保护物体绕击的发生。

（5）本实用新型中的避雷装置，不采用引雷入地实现防雷，特别适合于高山通信基站、雷达站、通信台、广播电视发射台等高土壤电阻率区域建筑物和微电子设备的雷电防护需求。

（6）本实用新型中的避雷装置，通过压控单元控制各极化电极间隙两端的电压，从而与电极间隙配合，形成稳定的场致等离子发射环境，产生高浓度等离子体。

附图说明

图1为本实用新型的系统框图。

图2为本实用新型中纳米电极上阴极间隙与纳米电极下阴极间隙的结构简图。

1-阴极棒，2-绝缘垫块，3-阳电极沟道结构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明，本实用新型的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1所示，本实用新型公开的压控感应场致等离子发射式避雷装置，包括从上至下依次连接的上层极化电极层、中层极化电极、等离子感应发射层和设备基座；其中，所述上层极化电极层包括相互连接的上层极化电极和上层压控单元，所述中层极化电极连接在所述上层压控单元上，所述等离子感应发射层包括分别与所述中层极化电极连接的下层压控单元、纳米电极上阴极间隙和纳米电极下阴极间隙，且该纳米电极上阴极间隙与纳米电极下阴极间隙结构相同，均包括由表面纳米材料处理的阴极棒和阳电极沟道结构；在所述基座的底部还设置有接地端。从图2中可以看出，绝缘垫块均匀地间隙分布于阴极棒的周向上，通过相邻绝缘垫块和阴极棒配合，便形成了多个阳电极沟道结构。

进一步地，所述上层压控单元包括与所述上层极化电极连接的第一压控可变电阻器，和与该第一压控可变电阻器连接的第一密闭陶瓷放电管。

再进一步地，所述下层压控单元包括与所述中层极化电极连接的第二压控可变电阻器，和与该第二压控可变电阻器连接的第二密闭陶瓷放电管；该第二密闭放电装置与设备基座连接。

本实用新型整体安装于被保护物体的上空无遮挡的开放式空间中。当被保护物体上空由于空气强对流产生的气体带负电荷与地面形成的电场达到相应的电场强度值（约20kV/m）时，在外电场的作用下上层极化电极、中层极化电极、纳米电极上阴极间隙都分别感应出上正下负的电荷，中层极化电极和纳米电极上阴极间隙通过良导体连通其感应电荷分别向两端转移，且上层极化电极、中层极化电极、纳米电极上阴极间隙各电极间隙之间是上、下串联的结构设计，正、负电极间通过第一压控单元和第二压控单元将极间电位差限制在可控范围，当外界雷云电场突然增大时各间隙电极之间的电位差可控。同理当雷云气体带正电荷时，在外电场作用下，上层极化电极、中层极化电极和纳米电极下阴极间隙各电极间隙之间感应出电位差，并通过第一压控单元和第二压控单元限制极间电位差。中层极化电极、纳米电极上阴极间隙、纳米电极下阴极间隙、设备基座之间设计的纳米材料电极间隙，在外电场的作用下感应出电位差，由于间隙电极之间的电场比外界雷云电场放大数百倍（以雷云外电场20kV/m为例），感应在间隙电极之间的电场达到纳米材料场致发射开启电场约10³kV/m水平，纳米材料电极内电子突破势垒向极外发射与空间中气体分子碰撞，从而使表面气体分子等离子体化；高能等离子体团有向外表面膨胀的特性，通过特殊的电极沟道向外界溢出，并在外界雷云电场的作用下与上、中层场致电子发射的电荷产生复合，发散上层极化电极的雷云感应电荷、降低空间电场强度，抑制上行雷电先导，从而屏蔽和消除雷云对避雷装置的电压击穿放电，对避雷装置保护范围内的物体实现直击雷防护的要求。

优选地，所述上层极化电极为椭球形；所述中层极化电极为扁球状，且其外弧面均匀分布有消雷阵列式长、短多针尖端。中层极化电极上的消雷阵列式长、短多针尖端的功能在于：在雷云电场作用下形成类尖端电晕放电的场致电子发射。

上层压控单元和下层压控单元，其特性为静态电阻超过10G欧姆，类似于绝缘体。当电极两端外加强电场时，其可以通过自身特性限制两电极之间的电压，在可控范围内与装置各间隙形成配合，保证上层间隙形成稳定的场致电子发射，下层间隙形成稳定的场致等离子发射。

本文中所述的相关技术术语解释：

纳米电极上阴极间隙和纳米电极下阴极间隙：由纳米材料制作而成的阴极电极棒和阳电极沟道组成间隙，由于大气雷云存在正极性和负极性，整个设备中存在两个这种电极间隙，为了便于区别，本文将之分别命名为纳米电极上阴极间隙和纳米电极下阴极间隙。

压控可变电阻器：具有电压控制功能的可变电阻器，本文中第一压控可变电阻器和第二压控可变电阻器均为相同的产品，但由于应用环境不同，因此具体电压不同。

密闭陶瓷放电管：密闭的陶瓷放电管，密闭方式不限，这属于常规技术，本文不作限定。

消雷阵列式长、短多针尖端：分布在中层极化电极的各个方向上，由多个长短不一的针状结构组成。现有的避雷装置上一般都有这个设备，属于现有技术，在此不再赘述。

本实用新型原理新颖，设计巧妙，结构简单，易于生产，具有很高的实用价值和广阔的应用前景。

上述实施例仅为本实用新型的优选实施例，并非对本实用新型保护范围的限制，但凡采用本实用新型的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.压控感应场致等离子发射式避雷装置，其特征在于，包括从上至下依次连接的上层极化电极层、中层极化电极、等离子感应发射层和设备基座；其中，所述上层极化电极层包括相互连接的上层极化电极和上层压控单元，所述中层极化电极连接在所述上层压控单元上，所述等离子感应发射层包括分别与所述中层极化电极连接的下层压控单元、纳米电极上阴极间隙和纳米电极下阴极间隙，且该纳米电极上阴极间隙与纳米电极下阴极间隙结构相同，均包括由表面纳米材料处理的阴极棒和阳电极沟道结构；在所述基座的底部还设置有接地端。

2.根据权利要求1所述的压控感应场致等离子发射式避雷装置，其特征在于，所述上层压控单元包括与所述上层极化电极连接的第一压控可变电阻器，和与该第一压控可变电阻器连接的第一密闭陶瓷放电管。

3.根据权利要求1所述的压控感应场致等离子发射式避雷装置，其特征在于，所述下层压控单元包括与所述中层极化电极连接的第二压控可变电阻器，和与该第二压控可变电阻器连接的第二密闭陶瓷放电管；该第二密闭陶瓷放电管与设备基座连接。

4.根据权利要求1所述的压控感应场致等离子发射式避雷装置，其特征在于，所述上层极化电极为椭球形。

5.根据权利要求1所述的压控感应场致等离子发射式避雷装置，其特征在于，所述中层极化电极为扁球状，且其外弧面均匀分布有消雷阵列式长、短多针尖端。