專(zhuān)利名稱(chēng)：對(duì)于避雷的改進(jìn)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)于避雷的改進(jìn)，特別涉及對(duì)于避雷針(或者說(shuō)得更具體些，避雷針系統(tǒng)的空中端部分)的閃電俘獲效率的改進(jìn)。
背量技術(shù)本杰明·富蘭克林在1752年證實(shí)，電被吸引至削尖的金屬件。在1753年，他詳細(xì)地描述了包括尖頭桿的避雷針。在稍后的信中，以及在觀(guān)看了英國(guó)電學(xué)家的實(shí)踐之后，他觀(guān)察到尖端將產(chǎn)生電暈，通過(guò)將電流放入空氣，以緩慢的方式使空氣電離。然而，他還評(píng)論說(shuō)，用鈍的桿俘獲雷擊可能更有效。
自富蘭克林時(shí)代以來(lái)，有很多發(fā)明用來(lái)改進(jìn)原先的富蘭克林尖頭避雷針的俘獲能力。這些發(fā)明包括多點(diǎn)、放射性增強(qiáng)、以電池為動(dòng)力的火花發(fā)生器；風(fēng)力驅(qū)動(dòng)的高壓發(fā)生器；以及最近的多點(diǎn)空中端，這些空中端在雷暴雨下發(fā)生的天然電場(chǎng)存在時(shí)產(chǎn)生火花。這種多點(diǎn)空中端的一個(gè)例子已在美國(guó)專(zhuān)利4,480,146中揭示。
在科學(xué)方面，越來(lái)越多的人承認(rèn)，上述尖端電暈在其上方產(chǎn)生空間電荷。這種空間電荷介于雷云和接地點(diǎn)之間，其作用改變了在所述尖端觀(guān)察到的電場(chǎng)。在這一過(guò)程，作為主放電先導(dǎo)的漸近引下線(xiàn)必須更逼近接地點(diǎn)以觸發(fā)一上引攔阻放電。正是上、下放電空氣間隙的閉合最終完成了雷云至地地電氣通道。這一閉合造成了雷擊點(diǎn)。
近年來(lái)，從接地導(dǎo)體引起早期上引放電有兩個(gè)一般的概念。這兩個(gè)概念構(gòu)成了稱(chēng)之為早期流光放射(Early Streamer Emission，ESE)空中端的新技術(shù)的基礎(chǔ)。
一種ESE空中端采用脈沖布局以消除出現(xiàn)上引流光時(shí)觀(guān)察到的停頓。另一種，如在美國(guó)專(zhuān)利4,760,213(J.R.岡姆萊)中所揭示的，在存在靜電場(chǎng)時(shí)采用一種球面形狀以減小電暈。同樣的裝置在先導(dǎo)引下線(xiàn)引道的火花隙處產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。觸發(fā)脈沖產(chǎn)生自由電子電離和光致電離以幫助引上線(xiàn)的形成。
另一種技術(shù)試圖藉在“閃絡(luò)點(diǎn)(flashover point)”產(chǎn)生前中和雷云和特殊位置之間電荷差異以在該特殊位置防止雷擊。這樣一種“耗散系統(tǒng)”在美國(guó)專(zhuān)利5,043,527中有揭示(R.B.卡本特爾)。
在美國(guó)專(zhuān)利5,043,527的揭示中，有多個(gè)電暈產(chǎn)生點(diǎn)，并有一條能耗散在雷云中電荷的權(quán)利要求。該裝置設(shè)計(jì)成在時(shí)間上和在電流幅值上推遲上引放電或引上線(xiàn)的形成，或者靠在先導(dǎo)引線(xiàn)或引下線(xiàn)能形成之前耗散雷云來(lái)防止上引放電或引上線(xiàn)的形成。
第三種方法，稱(chēng)為延遲流光放射(Delayed Streamer Emision，DSE)概念，假設(shè)先導(dǎo)引線(xiàn)將形成，但試圖延遲來(lái)自大地端的響應(yīng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一改進(jìn)的避雷系統(tǒng)和方法。
因此，本發(fā)明的一個(gè)主要形式是對(duì)于一建造物或場(chǎng)所提供一種避雷系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括一位于所述建造物上或在所述場(chǎng)所的ESE空中端，其中至少有一個(gè)DSE部件放在所述建造物上或放在所述場(chǎng)所，離開(kāi)所述ESE空中端適當(dāng)?shù)木嚯x，由此來(lái)擴(kuò)展所述ESE空中端的保護(hù)半徑。
本發(fā)明的另一個(gè)主要形式是提供一種避雷方法，其中，把一個(gè)或多個(gè)ESE空中端與多個(gè)DSE部件適當(dāng)加以安排，以保護(hù)將雷擊引至所述一個(gè)或數(shù)個(gè)ESE空中端的建造物或場(chǎng)所。
本發(fā)明的又一主要形式是為一建造物或場(chǎng)所提供一種避雷系統(tǒng)，其中，相應(yīng)于各自正或負(fù)的引上線(xiàn)時(shí)間優(yōu)勢(shì)，把多個(gè)無(wú)源避雷終端裝置在所述建造物或所述場(chǎng)所作適當(dāng)組合，以擴(kuò)展一次收集器的吸引半徑。
本發(fā)明的又一形式是提供DSE部件，其中，DSE部件包括多個(gè)提供電暈形成點(diǎn)的向上散開(kāi)的尖頂，而該部件的串聯(lián)阻抗防止假雷電引上線(xiàn)的出現(xiàn)及其造成的傳播。
附圖概述下面將結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明，其中

圖1是用以確定一建造物上的通常的富蘭克林避雷針的吸引半徑的略圖；圖2是類(lèi)似于圖1的略圖，以ESE空中端來(lái)代替富蘭克林避雷針；圖3是類(lèi)似于圖1和圖2的略圖，按照本發(fā)明，將ESE和DSE兩種空中端安裝就位；圖4是按照本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的DSE陣列的側(cè)視圖；圖5是適于安裝在建造物護(hù)墻上的一DSE部件的透視圖；圖6是另一種圖5部件的透視圖。
本發(fā)明的最佳實(shí)施方式圖1示出確定在建造物12上的通常的富蘭克林避雷針10的吸引半徑的一種布局。我們必須首先決定產(chǎn)生一個(gè)代表引發(fā)距離的半徑D(雷擊距離)的球面S1所需的防護(hù)程度。這一距離由在引下線(xiàn)上的電荷來(lái)設(shè)置。它是在開(kāi)始建立引上線(xiàn)時(shí)由引下線(xiàn)的頭部至地電勢(shì)點(diǎn)(earth point)的距離。
引下線(xiàn)電荷也與接著發(fā)生的雷擊的峰值放電電流相關(guān)。有許多研究者已對(duì)后者進(jìn)行了測(cè)量，現(xiàn)在已能統(tǒng)計(jì)地對(duì)高于一給定的峰值電流以上所有放電作防護(hù)。例如，首次雷擊放電中的93％超過(guò)10kA，它與約3庫(kù)侖的引線(xiàn)電荷相關(guān)聯(lián)。
然而，盡管富蘭克林避雷針可能建立引上線(xiàn)并進(jìn)行傳播，對(duì)富蘭克林避雷針10畫(huà)一按比例的球面S1并不能保證避雷針不被雷擊。競(jìng)爭(zhēng)來(lái)自建造物上的其他點(diǎn)?？梢援?huà)出一等概率L軌跡，其中富蘭克林避雷針和其他的結(jié)構(gòu)突出物具有同樣的概率發(fā)起一引上線(xiàn)。現(xiàn)在參照澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS1768-1991，在此等概率軌跡內(nèi)部是收集體積V。這提供了防護(hù)半徑RP，在圖1中，該半徑(RP1)沒(méi)有延伸至建造物的所有部分，因而是不適當(dāng)?shù)摹?br> 在圖2中，示出了ESE14的作用。圖中我們看到包含了Δ1項(xiàng)，它是由ESE作用而得的距離優(yōu)勢(shì)。在通常情形下，從達(dá)到臨界的電場(chǎng)強(qiáng)度的時(shí)刻到引上線(xiàn)實(shí)際升空和傳播的時(shí)刻之間有一時(shí)延。減小這一時(shí)延可表示為增加引發(fā)距離。Δ1由ESE空中端14的時(shí)間優(yōu)勢(shì)乘以引上線(xiàn)的傳播速度得出，以得到一距離優(yōu)勢(shì)。對(duì)于建筑物仍然保持引發(fā)距離D的常規(guī)點(diǎn)，沒(méi)有Δ1。
Δ1的作用是把球面半徑增加至代表引發(fā)距離的球面S2的半徑。還要注意，其他的結(jié)構(gòu)點(diǎn)未變，使上述作用更合適。因而防護(hù)半徑RP要比圖1中的防護(hù)半徑增加(見(jiàn)圖2中的RP2)。一ESE空中端在增加吸引能力方面的作用可由圖2清楚地看出，收集體積增加，見(jiàn)圖2中的IV。
在圖3中，示出按照本發(fā)明的一種做法，其中外結(jié)構(gòu)點(diǎn)16可以不具有引發(fā)距離D。點(diǎn)16設(shè)計(jì)得產(chǎn)生電暈并實(shí)際上延遲對(duì)引上線(xiàn)的引發(fā)。具體地說(shuō)，對(duì)于外結(jié)構(gòu)點(diǎn)提供DSE裝置，這些裝置適當(dāng)加以配置，用以擴(kuò)展防護(hù)區(qū)域，這在下面將會(huì)明白。這樣，點(diǎn)16的引發(fā)距離將是D—Δ1。圖3示出，這樣的一延時(shí)藉進(jìn)一步增加RP值而實(shí)際上增加了ESE空中端的俘獲能力。這樣，RP3(圖3)比RP2(圖2)和RP1(圖1)都要大。
在本發(fā)明中，我們用電幾何模型(electrogeometric model)來(lái)解釋由ESE和DSE空中端的作用組合帶來(lái)的好處，并揭示一具有DSE特征的空中端結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。
在已經(jīng)提到的4,760,213號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中已經(jīng)詳細(xì)描述了ESE空中端，并將該專(zhuān)利的揭示包括在此作為參考。在這樣一個(gè)ESE空中端中，預(yù)放電電暈的減少以及觸發(fā)電弧的存在對(duì)早升空能力有貢獻(xiàn)。這一能力也能在其他ESE裝置中獲得。
如所述，DSE概念與在4,760,213號(hào)美國(guó)專(zhuān)利中揭示的是相對(duì)立的?，F(xiàn)在的目的是由設(shè)計(jì)尋找一些結(jié)構(gòu)點(diǎn)，這些點(diǎn)可與ESE空中端相配套，并對(duì)這些點(diǎn)提供延遲產(chǎn)生引上線(xiàn)的裝置。這些裝置是多點(diǎn)金屬系統(tǒng)，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)得可在這些系統(tǒng)的上方立刻產(chǎn)生空間電荷。本發(fā)明中采用的裝置不是用來(lái)俘獲放電而只是用來(lái)推遲引線(xiàn)的產(chǎn)生，從而俘獲優(yōu)先級(jí)由ESE空中端決定。其他類(lèi)型的DSE裝置也可用在本發(fā)明的系統(tǒng)中。
圖4示出按照本發(fā)明的多個(gè)部件18，用這些部件來(lái)延遲上引線(xiàn)引發(fā)，并符合本發(fā)明的系統(tǒng)的DSE標(biāo)準(zhǔn)。
這些部件利用下述物理性質(zhì)的組合1.有一系列產(chǎn)生充足的電暈/空間電荷的尖端。
2.有一允許插入控制阻抗的絕緣塊。
3.有一限制進(jìn)入引線(xiàn)通道的電流，因而延遲引線(xiàn)形成和傳播的串聯(lián)阻抗。
在圖4中示出了一多點(diǎn)布局的例，它適用于建造物上的長(zhǎng)護(hù)胸墻。
每個(gè)部件18包括三個(gè)或更多個(gè)尖頂20，這些尖頂最好用不銹鋼制作，每個(gè)尖頂有一尖銳的梢部。
梢部較佳的間隔約為250毫米，相鄰部件18的梢部相隔約250毫米。
一絕緣部分22，包括一高釉陶瓷絕緣子，支撐著尖頂20。內(nèi)電阻器24位于絕緣子22內(nèi)，以限制引上線(xiàn)傳播的電流。
用一塊接地板26來(lái)支承部件18。板26由不銹鋼制成，并采用螺栓28或其他固定裝置將板固定在建造物12的護(hù)墻上。
圖4組件的總長(zhǎng)度最好約為2米，在板26上方的高度約500毫米。
圖5和圖6示出大體按照?qǐng)D4的兩個(gè)DSE帶。
圖5示出裝在護(hù)墻32上的一DSE帶。圖6示出另一種設(shè)計(jì)34，其內(nèi)有一電阻24。
圖4至圖6的相當(dāng)簡(jiǎn)單的部件以下述方式工作。當(dāng)存在高電場(chǎng)時(shí)，由多個(gè)點(diǎn)組合起來(lái)以消除電暈電流。例如，如果阻抗是一串聯(lián)電阻器，即使它的值在1兆歐的數(shù)量級(jí)，它也將不禁止這一動(dòng)作。在電場(chǎng)為5千伏/米時(shí)，每個(gè)點(diǎn)可放出5微安，而如果有30個(gè)點(diǎn)，則總的排放量約為150微安。與在雷云與地之間出現(xiàn)的100兆伏相比，跨于1兆歐兩端的電壓降僅為150伏。因此電阻器對(duì)電暈的產(chǎn)生沒(méi)有影響，而最終的空間電荷將由于漸近引下線(xiàn)而遮蔽觀(guān)察到的電場(chǎng)。于是這一引下線(xiàn)將必須更逼近，以引發(fā)引上線(xiàn)。
如果一引下線(xiàn)確實(shí)逼近組件中的一個(gè)部件，就會(huì)試圖用大于10安培的電流產(chǎn)生引上線(xiàn)。該引上線(xiàn)將需要接近100安的振蕩電流以進(jìn)行傳播。在引發(fā)狀態(tài)，需要10安培電流，例如用一個(gè)1兆歐的電阻器作阻抗將下跌10兆伏或總電勢(shì)的10％。上述電阻器的作用是雙重的。首先，空間電荷意味著引下線(xiàn)需要更逼近，以引發(fā)傳播。其次，由于在串聯(lián)阻抗中的大電壓降而推遲了傳播。
高電壓實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)證實(shí)，高的源阻抗嚴(yán)格阻止引上線(xiàn)的引發(fā)和傳播。因此，對(duì)具有ESE性能的鄰近空中端，利用所得優(yōu)勢(shì)，可以使引上線(xiàn)的引發(fā)產(chǎn)生“延遲”。把上述DSE帶(圖4至圖6)放在位于ESE空中端的防護(hù)半徑之外的所有建造物頂部外緣上，從而如本說(shuō)明書(shū)前面所述的那樣擴(kuò)展防護(hù)半徑。
在本發(fā)明中，現(xiàn)有的ESE空中端的時(shí)間和傳播性能的組合與為DSE設(shè)計(jì)的新裝置相組合。這一組合將增強(qiáng)前者的吸引能力，并減小雷電旁路一次吸引器而擊損遠(yuǎn)角和護(hù)墻的危險(xiǎn)。還以確定整個(gè)雷電吸引系統(tǒng)真實(shí)防護(hù)區(qū)域的方式，用兩種空中端概念的時(shí)間優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)，描述了一個(gè)電幾何模型。
權(quán)利要求
1.一種用于建造物或場(chǎng)所，包括位于所述建造物或所述場(chǎng)所的ESE空中端的避雷系統(tǒng)，其特征在于，至少有一個(gè)DSE部件位于所述建造物或所述場(chǎng)所上，與所述ESE空中端相距合適，由此擴(kuò)展所述ESE空中端的防護(hù)半徑。
2.如權(quán)利要求1所述的避雷系統(tǒng)，其特征在于，多個(gè)DSE部件圍繞一ESE空中端以適當(dāng)?shù)木嚯x隔開(kāi)，以促使發(fā)生在所述系統(tǒng)附近的雷擊擊中所述ESE空中端。
3.如權(quán)利要求2所述的避雷系統(tǒng)，其特征在于，所述ESE空中端與所述DSE部件是無(wú)源裝置。
4.如權(quán)利要求3所述的避雷系統(tǒng)，其特征在于，每個(gè)所述DSE部件包含多個(gè)電暈形成點(diǎn)和一個(gè)串聯(lián)阻抗，以阻止雷電引上線(xiàn)的引發(fā)和其后的傳播，一DSE部件內(nèi)電暈形成點(diǎn)之間的間隔大體上相等，并且相鄰部件和相鄰點(diǎn)之間的間隔也大體上相等。
5.如權(quán)利要求4所述的避雷系統(tǒng)，其特征在于，把所述DSE部件以相隔一定距離的方式安裝在狹長(zhǎng)的基座帶或角形帶上，以裝在要避雷的建造物的護(hù)墻上，所述基座帶構(gòu)成一接地板。
6.一種避雷的方法，其特征在于，用一個(gè)或多個(gè)ESE空中端再與多個(gè)DSE部件加以適當(dāng)組合，用把雷擊引至所述一個(gè)或多個(gè)ESE空中端的辦法來(lái)保護(hù)一建造物或場(chǎng)所。
7.一種用于建造物或場(chǎng)所的避雷系統(tǒng)，其特征在于，把具有各自的正或負(fù)上引時(shí)間優(yōu)勢(shì)的多個(gè)無(wú)源避雷終端裝置在所述建造物或場(chǎng)所處適當(dāng)組合，以擴(kuò)展一次收集器的吸引半徑。
8.一種DSE部件，其特征在于，它包括多個(gè)向上散開(kāi)的尖頂(這些尖頂提供電暈形成點(diǎn))和一串聯(lián)阻抗，以阻止雷電引上線(xiàn)的引發(fā)和其后的傳播。
9.如權(quán)利要求8所述的DSE部件，其特征在于，所述尖頂在它們的頂端有尖銳的梢部，這些梢部大體上互相等距地配置，并安裝在一絕緣子上，所述串聯(lián)阻抗器容納在絕緣子中，并與所述尖頂相連。
10.如權(quán)利要求9的一系列DSE部件構(gòu)成的DSE裝置，其特征在于，所述一系列部件按一定間隔固定在狹長(zhǎng)的接地板上，由此每個(gè)部件的串聯(lián)阻抗電氣連接至所述接地板，而相鄰部件的相鄰尖頂?shù)纳也恐g的間隔大體上等于每個(gè)部件的相鄰梢部之間的間隔。
全文摘要
一種避雷系統(tǒng)，其中包括一早期流光放射(ESE)空中端(14)和多個(gè)延遲流光放射(DSE)部件(18)。DSE部件以合適的間隔圍繞ESE空中端，由此使所述ESE空中端的防護(hù)半徑擴(kuò)展而將雷電引至所述ESE空中端。DSE部件(18)有多個(gè)朝上散開(kāi)的帶尖梢部的尖頂(20)、一個(gè)絕緣子(22)以及一個(gè)構(gòu)成所述尖頂和接地板(26)之間的串聯(lián)阻抗的內(nèi)部電阻器(24)。在接地板上裝有一系列DSE部件以提供一DSE裝置。
文檔編號(hào)H05F3/04GK1116885SQ94191036
公開(kāi)日1996年2月14日 申請(qǐng)日期1994年1月31日 優(yōu)先權(quán)日1993年1月29日
發(fā)明者約翰·理查德·岡姆萊, 斯蒂芬·約翰·岡姆萊 申請(qǐng)人:國(guó)際保護(hù)咨詢(xún)控股公司