專利名稱：雷閃防護(hù)裝置濕/干場敏感避雷針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及雷閃防護(hù)，特別涉及改進(jìn)的雷閃防護(hù)裝置。
背景技術(shù)：
眾所周知，大多數(shù)雷閃放電與主要帶有負(fù)電荷的云有關(guān)。如FaroukA. M. Rizk的 "Modeling of Lightning Incidence to Tall Structures Part I: Theory" (IEEE. Trans, on Power Delivery, Vo1.9, No. 1, January 1994, pp.162-171)以及Farouk A. M. Rizk的"Modeling of Lightning Incidence to Tall Structures Part II: Application" (IEEE Trans, on Power Delivery, Vol.9,No.1， January 1994, pp.172-193 )所闡釋，面臨兩大類雷擊來自極 高結(jié)構(gòu)的上行閃絡(luò)以及與負(fù)下行梯級先導(dǎo)相關(guān)聯(lián)的最為普遍的雷擊。負(fù)下 行梯級先導(dǎo)凈皮負(fù)空間電荷鞘(sheath)所圍繞，負(fù)空間電荷鞘在負(fù)先導(dǎo)接 近地面時，在任何接地物體上感應(yīng)正(鏡像)電荷。接地結(jié)構(gòu)越高以;s^ 是接近下行負(fù)先導(dǎo)路徑，接地結(jié)構(gòu)上的感應(yīng)電荷越大。
已經(jīng)知道，雷擊電流是在從中值為25-35kA的幾kA到幾百kA的寬 廣范圍內(nèi)變化的統(tǒng)計變量。結(jié)構(gòu)的吸引半徑一一即下行先導(dǎo)可被該結(jié)構(gòu)捕 獲的、該結(jié)構(gòu)周圍的最大徑向距離一一隨著與負(fù)空間電荷套(jacket)相 關(guān)聯(lián)的雷擊電流以及結(jié)構(gòu)高度而增大。
近些年來，基于對長氣隙擊穿物理現(xiàn)象的研究的i^艮，我們對不同地 面結(jié)構(gòu)^L閃電擊中的機(jī)制的理解得到顯著進(jìn)步。特別地，接地物體在雷擊 機(jī)制中扮演的角色已經(jīng)得到澄清。如Farouk A. M. Rizk的"Modeling of Transmission Line Exposure to Direct Lightning Strokes" (IEEE Trans, on Power Delivery, Vol.5, October 1990, ppl983-1997 )所詳述，建模已經(jīng)顯示， 吸引半徑包含兩部分由該結(jié)構(gòu)放射的正先導(dǎo)所跨的主要部分；構(gòu)成正負(fù)先導(dǎo)尖端(tips)之間最后一跳(finaljump)的較小部分。
靜電場分析顯示，任何接地結(jié)構(gòu)表面上的或附近的早期電場增強(qiáng)主要 由已經(jīng)由于云電荷和/或下行負(fù)先導(dǎo)已在接地結(jié)構(gòu)上感應(yīng)的正電荷導(dǎo)致，且 這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過由于云電荷和/或下行先導(dǎo)自身導(dǎo)致的背景場。取決于接地物體 的結(jié)構(gòu)特性，當(dāng)發(fā)生周圍空氣的電離時，達(dá)到由于感應(yīng)電荷而產(chǎn)生的起始 場，導(dǎo)致電暈放電和正流光(streamer)形成。取決于接地結(jié)構(gòu)的幾何形 狀和感應(yīng)正電荷的量，正流光的長度能增長到測量范圍內(nèi)。
如Farouk A. M. Rizk的"A Model for Switching Impulse Leader Inception and Breakdown of Long Air-Gaps" (IEEE Trans, on Power Delivery, Vol.4， No. 1， January 1989， pp.596-606)以及Farouk A. M. Rizk 的 "Switching Impulse Strength of Air Insulation: Leader Inception Criterion" (IEEE Trans, on Power Delivery, Vol. 4, No. 4， October 1989， pp.2187-2195)中所詳述，如果正流光達(dá)到臨界大小，在到結(jié)構(gòu)的流光接 合處形成高導(dǎo)電莖(stem)，并由此形成正先導(dǎo)。與具有大約400-500kV/m 的平均梯度的正流光相反，先導(dǎo)梯度是先導(dǎo)電流和其存在的持續(xù)時間的函 數(shù)。對于1A的電流，先導(dǎo)梯度可能為30-50kV/m，也即正流光梯度的大 約十分之一，但是對于100A的數(shù)量級的先導(dǎo)電流，先導(dǎo)梯度可下降到 2-3kV/m那么低。這顯示，與正流光相反，正先導(dǎo)能夠行駛100m范圍內(nèi) 的距離，而不需要不切實(shí)際地高的電位。
重要的是，不是從地面結(jié)構(gòu)放射出的每個正先導(dǎo)將會完成軌道從而在 最后一跳中面對下行的負(fù)先導(dǎo)。隨著正先導(dǎo)從該結(jié)構(gòu)行進(jìn)得越來越遠(yuǎn)，其 動作將越來越多地受到例如先導(dǎo)尖端之前的電場、空間電位等參數(shù)的決定，
當(dāng)條件對于連續(xù)傳播不適合時，正先導(dǎo)停止，開始正流光/正先導(dǎo)過程的有 關(guān)接地結(jié)構(gòu)不被擊中。
被下行負(fù)雷閃擊中的物體是這樣的物體由于其感應(yīng)正電荷，其"成 功"地產(chǎn)生長的正流光，導(dǎo)致在增大的電場的區(qū)域內(nèi)行進(jìn)從而與逼近的下 行負(fù)雷閃先導(dǎo)相遇一一稱為"最后的一跳，，——的正先導(dǎo)的形成。最后一500-600kV/m時發(fā)生。因此，如果目的在于相對于被 隊護(hù)物體的對應(yīng)概率 使得對避雷針的雷擊概率最大化，倘若避雷針尖端的條件對于創(chuàng)造長的正 上升流光/先導(dǎo)來說是理想的話，則將具有很大好處。
雷閃防護(hù)實(shí)踐可被分為兩個大類。第一類是富蘭克林桿或是架空地 線一一其目的在于為雷擊電流給出到地的優(yōu)先路徑并因此防止可能的損 壞一一的變化。大多數(shù)情況下，這些系統(tǒng)不聲稱影響雷擊發(fā)生的概率。
應(yīng)當(dāng)注意，傳統(tǒng)避雷針的性能受到其對發(fā)生下行梯級先導(dǎo)之前的周圍 基本場(ground field)的反應(yīng)的影響。這樣的周圍基本場通常在晴好天氣 條件下具有大約100V/m的數(shù)量級，然而，由于雷閃之前的云電荷，可能 在2kV/m-20kV/m的范圍內(nèi)變化，如G. Simpson在"Atmospheric Electricity During Disturbed Weather ，， ( Geophysics Memories , Meteorological Office, London, No.84， 1949， ppl-51)中所闡釋。
與先導(dǎo)下行過程中后面的場變化相比隨時間變化相對較為緩慢的這些 電場可在雷雨中一直持續(xù)長達(dá)幾分鐘，如R. B. Anderson在"Measuring Techniques in Lightning" (R.H. Golde編，1977， Voll， Chapter 13， P.441)中所提到的那樣。然而，在連續(xù)雷閃放電之間，云電荷再生導(dǎo)致 10s數(shù)量級的緩慢周圍場持續(xù)時間。這由M. A. Uman和U. A. Rakov在"A Critical Review of Nonconventional Approaches to Lightning Protection" (American Meteorological Society, December 2002， pp 1809-1820 )中詳細(xì) 介紹。由上面可以明了，避雷針通常暴露于混合類型的壓力(stress),其 具有由于周圍基本場而導(dǎo)致的緩變分量，繼以由于下行先導(dǎo)引起的快得多 的分量。由于周圍基本場產(chǎn)生顯著空間電荷的避雷針將傾向于自我保護(hù)， 力口C.B.Moore、 G.D.Aulich、 W.Rison在"Measurements of Lightning Rod Responses to Nearby Strikes" ( Geophysical Research Letters, Vol.27 ， No.10, may 15, 2000, ppl487-1490)中提到的那樣，對響應(yīng)于下行梯 級先導(dǎo)的希望的流光/先導(dǎo)形成產(chǎn)生妨礙。這一論述通過混合電壓下長氣隙 上的高電壓試驗(yàn)得到證實(shí)，如N. Knudsen與F. Iliceto在"Flashover Tests
5on Large Air Gaps with DC voltage and with Switching Surges Superimposed on DC Voltage，，( IEEE Trans. ， Vol.PAS-89, May/June 1970， pp781-788)中所闡釋。
在這些試驗(yàn)中，由施加正開關(guān)脈沖之前的正DC電壓壓力產(chǎn)生的電暈 空間電荷導(dǎo)致先導(dǎo)初始電壓的增大，并對應(yīng)地導(dǎo)致長氣隙的復(fù)合擊穿電壓 的增大，如所提及的后一參考文獻(xiàn)所述。
另夕卜,々口 G. Carrara和L.Thione在"Switching Surge Strength of Large Air Gaps: A Physical Approach" (IEEE Transactions on Power Apparatus and systems, Vol.PAS-95, No.2， March/April 1976， pp 512-524 )中所提 到，長氣隙上的正開關(guān)脈沖擊穿測試和相關(guān)聯(lián)現(xiàn)象的建模已經(jīng)證實(shí)，對于 任何間隙長度，先導(dǎo)初始電壓不依賴于受到高壓的電極的曲率半徑，只要 其保持低于某個臨界值。對于低于某個臨界值的電極半徑，電暈初始電壓 低于先導(dǎo)初始電壓，故電暈方文電處在先導(dǎo)形成之前。另一方面，對于具有 等于或大于該臨界值的半徑的避雷針，電暈及先導(dǎo)初始電壓一致。
在Farouk A.M.Rizk的"Modeling of Transmission Line Exposure to Direct Lightning Strokes" (IEEE Trans, on Power Delivery, Vol.5， October 1990， ppl983國1997)以及Farouk A.M.Rizk的"A Model for Switching Impulse Leader Inception and Breakdown of Long Air畫Gaps，， (IEEE Trans, on Power Delivery, Vol.4， No.l， January 1989, pp596-606)中， 提出了一種對于正先導(dǎo)初始電壓對氣隙長度(或地平面上的避雷針)的依 賴性進(jìn)行公式化的方法。該文獻(xiàn)還提供了一種對于任何間隙長度或地平面 上避雷針的高度來確定臨界半徑值的方法。
富蘭克林桿的另一變化是早期流光發(fā)射器系統(tǒng)，如法國標(biāo)準(zhǔn)NFC 17-102 "Protection of Structures and Open Areas against Lightning Using Early Streamer Emission Terminals" (July 1995，英譯文)所述。這里的 構(gòu)思在于，據(jù)信，如果存在某種較早地初始化流光過程的手段，可使避雷 針更為有效。然而，對于成功的連接過程，具有充足大小的早期流光的初 始化一一即使當(dāng)其導(dǎo)致上行正先導(dǎo)的形成時一一不是保障。上行先導(dǎo)離開接地結(jié)構(gòu)后不久，其傳播將由通過下行梯級先導(dǎo)形成的周圍場條件控制， 而不是由接地結(jié)構(gòu)的初始條件控制。太早形成的上行先導(dǎo)將簡單地被吸收， 且不會導(dǎo)致由上行與下行先導(dǎo)之間的最后一跳終結(jié)的、成功的連接過程。
美國專利No.6,320，119 (Gumley)介紹的富蘭克W 的另一變化試圖 通過^f吏用具有充足大小的彎曲導(dǎo)電平面來限制電暈放電的量以限制電暈活 動性、直到裝置所暴露的場足夠觸發(fā)流光/先導(dǎo)傳播。然而，這樣的方法沒 有考慮由通常與雷閃相關(guān)聯(lián)的蟲、昆蟲以及水滴對這樣的彎曲導(dǎo)電平面的 沾染物的影響。這些沾染物將大彎曲導(dǎo)電表面的電暈初始電壓降低為接近 普通避雷針的電暈初始電壓，因此，如果這樣的裝置僅僅是被打濕或被沾 染，將在典型的周圍基本場下產(chǎn)生電暈，這將使具有大曲率半徑表面的目 的落空。
另 一大類雷閃防護(hù)實(shí)踐可4皮稱為"耗散系統(tǒng)"，如美國專利No.5，043，527 (Carpenter )、美國專利No.4,910，636( Sadler等人)、美國專利No.4，605，814 (Gillem)所述。這些系統(tǒng)使用線或桿的端尖或點(diǎn)來產(chǎn)生空間電荷。關(guān)于 設(shè)想這些裝置如何起作用，存在幾種相反的論述，其具有很少的科學(xué)1^ 或幾乎沒有科學(xué)基礎(chǔ)。某些耗散系統(tǒng)建議者聲稱，空間電荷的產(chǎn)生能抵消 云的負(fù)電荷，并由此消除雷閃，這是不現(xiàn)實(shí)的任務(wù)。其他的耗散系統(tǒng)建議 者聲稱，從被保護(hù)結(jié)構(gòu)的離子耗散將通過將其順風(fēng)吹動來減少累積的電荷， 并減少或使荷電云和被保護(hù)結(jié)構(gòu)之間的電位差最小化。
當(dāng)然，這些宣稱在物理學(xué)上是無效的，因?yàn)榻拥亟Y(jié)構(gòu)上的感應(yīng)(鏡像) 電荷為束縛電荷，只要下行先導(dǎo)或云的感應(yīng)電荷保持，其將保持在原位， 不能耗散到周圍的空氣中。另夕卜，金屬不能放射正離子是^/^p的科學(xué)事實(shí)。 相反，正空間電荷通過電離過程形成，其導(dǎo)致電子被電極(結(jié)構(gòu))收集并 注入地面，而將正離子空間電荷留在周圍的空氣中。另外，改變云與接地 物體之間的電位必然意味著改變云電位的不現(xiàn)實(shí)任務(wù)，這是因?yàn)?，接地結(jié) 構(gòu)根據(jù)定義總是保持在地電位，除非其被雷閃擊中。
因此，希望提供一種比已知現(xiàn)有技術(shù)裝置更為高效的改進(jìn)的雷閃防護(hù) 裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的涉及在不同大氣條件下對電暈初始和先導(dǎo)初始的控制。
相應(yīng)地，本發(fā)明的目的為
-提供一種避雷針，在雷閃先導(dǎo)下行過程中，其在上行先導(dǎo)初始要求保 持不變的情況下限制與雷雨相關(guān)聯(lián)的周圍基本場下的電暈放電量。
畫提供一種避雷針，其電暈初始電壓基本上對來自污染、昆蟲、蟲子或 水滴的沾染物不敏感。
根據(jù)本發(fā)明的目的，提供了一種雷閃防護(hù)裝置，其包含
接地的富蘭克林桿；以及
導(dǎo)電裝置，其被附著到該桿，并限定在其周圍具有預(yù)定大小的預(yù)定總 體形狀。導(dǎo)電裝置的形狀和大小被設(shè)計為4吏得對于連續(xù)上行先導(dǎo)初始空 間電位低于最大周圍基本場空間電位的高于地面的給定位置，在干與濕的 條件下，防護(hù)裝置的電暈初始空間電位與連續(xù)上行先導(dǎo)初始空間電位一致， 同時，對于連續(xù)先導(dǎo)初始空間電位超過最大周圍基本場空間電位的另 一 高 于地面的給定位置，防護(hù)裝置的電暈初始空間電位高于最大周圍基本場空 間電位且低于連續(xù)上行先導(dǎo)初始空間電位，裝置的電暈初始空間電位基本 上對由于沾染物引起的表面前突不敏感。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，導(dǎo)電裝置具有多個金屬環(huán)，每個環(huán)以分隔開的關(guān)
系結(jié)合到富蘭克^f。更為優(yōu)選的是，每個環(huán)具有預(yù)定的大直徑和預(yù)定的
小直徑，并與其他的一起被布置為用于將總體形狀限定為球形或橢球形。 在進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施例中，對于最大周圍場Egm以及富蘭克;N^f高于
地面的有效高度h的最大空間電位Ugm=Egm'h或者由111(:=^^定義的連
h
續(xù)正先導(dǎo)初始電位Uk, (kV， m)，最大電場滿足Ed(r)=2300[l+~^]，
(2r)。"
(kV/m， m)，其中，Eci為電暈初始場，r為環(huán)的小半徑。
通過參照附圖閱讀下面對優(yōu)選實(shí)施例的非限制性介紹，將會更好地理
8解本發(fā)明及其多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。


圖1為根據(jù)本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施例安裝在地面上的雷閃防護(hù)裝置的側(cè)視
圖2為根據(jù)本發(fā)明另一優(yōu)選實(shí)施例安裝在被保護(hù)結(jié)構(gòu)頂部的雷閃防護(hù)
裝置的側(cè)視圖3為圖1和2所示雷閃防護(hù)裝置的頂^L圖。
盡管將結(jié)合示例性實(shí)施例介紹本發(fā)明，將會明了，其不是為了將本發(fā) 明的范圍限制到這樣的實(shí)施例。相反，其旨在覆蓋能被包括為由所附權(quán)利 要求限定的所有的替代方式、修改和等價方式。
具體實(shí)施例方式
在下面的介紹中，為附圖中類似的特征給予類似的參考標(biāo)號，為了凸 顯這些特征，在某些附圖中沒有對某些元件進(jìn)行標(biāo)號，如果其已經(jīng)在前面 的附圖中識別出的話。
本發(fā)明涉及雷閃防護(hù)裝置，也被稱為避雷針，其滿足下面被視為對最 優(yōu)設(shè)計所必需的條件
1. 避雷針，在任何位置，不在梯級先導(dǎo)下行之前由于暴露于由周圍基 本場的任何實(shí)際值引起的空間電位而^電暈。如將在下面示出的，可對 于不超過特定限制ho的高于地面或高于龐大接地結(jié)構(gòu)的有效高度h滿足這 一要求。這一要求將保證正上行先導(dǎo)初始將會獨(dú)立于緩變周圍場，并將因 此防止避雷針的任何自我保護(hù)傾向。
2. 對于超出上面所建立限制的有效避雷針高度，將要求在高于地平面 或高于接地結(jié)構(gòu)的避雷針位置上由于空間電位的避雷針電極的電暈初始電 壓與先導(dǎo)初始電壓一致。這一要求將保證沒有電暈空間電荷產(chǎn)生，否則其 將導(dǎo)致雷閃防護(hù)裝置自我保護(hù)免于雷擊并限制其吸引距離。
3. 雷閃防護(hù)裝置將基本上對由于下雨導(dǎo)致的水滴以及由于沾染物造成的其他前突一_其傾向于嚴(yán)重減小大的平滑電極上的電暈初始場一一不 敏感。這一要求是重要的，因?yàn)槔组W通常與下雨相關(guān)聯(lián)，且小的導(dǎo)電前突 在實(shí)際場M下不能避免。
有效高度將如下確定
1. 對于高于平坦地平面的避雷針,有效高度h將為避雷針的物理高度。
2. 對于高于平坦地平面的細(xì)長結(jié)構(gòu)頂上的避雷針，有效高度h將為避 雷針與細(xì)長結(jié)構(gòu)的物理長度之和。
3. 對于屋頂尺寸比避雷針長度大得多的龐大結(jié)構(gòu)，有效高度將為避雷 針的物理長度，與上面的(1)中的相同。
4. 對于不包括在上面的拓樸，對于計算先導(dǎo)初始空間電位和最大周圍 基本場的空間電位的有效高度通過場計算確定。這些計算在Farouk A. M. Rizk的"Modeling of Lightning Incidence to Tall Structures Part I: Theory" (IEEE Trans, on Power Delivery, Vol.9， No. 1， January 1994， ppl62-171)以及Farouk A. M. Rizk的"Switching Impulse Strength of Air Insulation: Leader Inception Criterion" (IEEE Trans, on Power Delivery, Vol.4, No. 4， October 1989, pp2187-2195 )中介紹。
現(xiàn)在參照圖1至3，示出了根據(jù)本發(fā)明一般原理的雷閃防護(hù)裝置10。 在圖1中，雷閃防護(hù)裝置10安裝在地面12上，在圖2中，安裝在#皮保護(hù) 結(jié)構(gòu)14的頂部。如圖所示，根據(jù)本發(fā)明的雷閃防護(hù)裝置10具有接地的富 蘭克林桿16和附著到桿16并限定了在其周圍預(yù)定大小的預(yù)定總體形狀20 的導(dǎo)電裝置18。如閱讀本說明書將會更清楚理解的那樣，特別對導(dǎo)電裝置 18的形狀和尺寸進(jìn)行設(shè)置，使得對于連續(xù)上行先導(dǎo)初始空間電位低于最 大周圍基本場空間電位的高于地面的給定位置，在干濕條件下，防護(hù)裝置 的電暈初始空間電位與連續(xù)上行先導(dǎo)初始空間電位一致，而對于連續(xù)先導(dǎo) 初始空間電位超過最大周圍基本場空間電位的另 一高于地面的給定位置， 防護(hù)裝置的電暈初始空間電位高于最大周圍基本場空間電位并低于連續(xù)上 行先導(dǎo)初始空間電位。有利的是，裝置的電暈初始空間電位基本上對由于 來自例如污染、昆蟲、蟲子、水滴的沾染物引起的表面前突不敏感。當(dāng)然，傳統(tǒng)的下行導(dǎo)體和接地系統(tǒng)保持不變，以滿足NFPA標(biāo)準(zhǔn)780的要求。
在所示出的優(yōu)選實(shí)施例中，導(dǎo)電裝置18有利地具有多個金屬環(huán)22， 其適當(dāng)?shù)匮刂鴹U16間隔開，優(yōu)選為彼此單獨(dú)地^皮各自電氣結(jié)合到富蘭克林 桿16并圍繞富蘭克林桿16。如圖所示，各個環(huán)22具有預(yù)先確定的大直 徑一一其對應(yīng)于總體半徑一一并^皮布置為用于將總體形狀20限定為圍繞 富蘭克林桿16的球形。在未示出的替代性實(shí)施例中，還可設(shè)想將環(huán)22安 裝為構(gòu)成圍繞桿16的橢球形。下面參照圖1給出多種M的定義r為環(huán) 的小半徑，R為最寬的環(huán)的外包半徑，n為環(huán)的數(shù)量，h為中間環(huán)高于地面 的高度。
才艮據(jù)本發(fā)明以及在上面一般介紹的雷閃防護(hù)裝置特別設(shè)計為滿足下面 的條件
考慮具有有效高度h的避雷針并考慮最大周圍基本場沿著避雷針高度 或長度的平均值等于Egm。緩慢的周圍基本場所產(chǎn)生的對應(yīng)的最大空間電 位為
Ugm=Egm'h ( 1 )
對于具有高于平坦地平面的中等高度的避雷針的Egm的典型值可為
20kV/m， 如G. Simpson在"Atmospheric Electricity During Disturbed Weather" ( Geophysics Memoirs, Meteorological Office, London, No. 84， 1949， ppl-51)中所示。另夕卜，如Farouk A.M. Rizk的"A Model for Switching Impulse Leader Inception and Breakdown of Long Air-Gaps" (IEEE Trans, on Power Delivery, Vol. 4, No. 1， January 1989, pp.596-606)以及Farouk A.M. Rizk的"Switching Impulse Strength of Air Insulation: Leader Inception Criterion" (IEEE Trans, on Power Delivery, Vol. 4， No. 4， October 1989, pp.2187-2195)所述，對于具有高于地面的有 效高度h的避雷針，正連續(xù)先導(dǎo)初始空間電位可祐束示為
Ulc=Jf^ (kV,m) (2)， h
為了確定上面提到的有限有效高度，我們使(l) (2)相等<formula>formula see original document page 12</formula>
這產(chǎn)生
h0=1556/Egm-3.89 (m， kV/m) (4)
Egm—般依賴于周圍的拓樸。如上所述，對于安裝在平坦地面上的避
雷針，Egm可被取為20kV/m,由此產(chǎn)生對于此特定情況的74m的h。。
接著，對于!Kh。，由于周圍基本場的最大空間電位Ugm將低于正連續(xù) 先導(dǎo)初始空間電位U,c。在此有效高度范圍內(nèi)，將防止避雷針的任何自我保 護(hù)傾向，如果在空間電位Ugm下避雷針表面上任何點(diǎn)的電場等于或低于電
暈初始場Ed的話。對于避雷針高度和空間電位一一即周圍基本場一一的任
何值，避雷針表面上任何點(diǎn)的電場可通過數(shù)字場計算技術(shù)一一例如電荷仿
真，i口 H. Singer, H. Steinbigler和P.Weiss在"A Charge Simulation Method for the Calculation of High Voltage Fields" (IEEE Transactions ， Vol.PAS-93， No.5， Sept/Oct. 1974， pp 1660-1668)中所公開的——來確 定。上面介紹的導(dǎo)電裝置優(yōu)選布置的幾何參數(shù)r、 R、 n將被選擇為使得 Ugm時的最大施加場等于"The Electric Strength of Air Gap Insulation" (K.Ragallar所編"Surges in High Voltage Networks" , 1979， pp 165-205 ) 中表示的電暈初始場Eci:
Eci=2300[l+~^^1 (kV/m， m) (5)
其中，r為導(dǎo)電裝置的環(huán)的小半徑。應(yīng)當(dāng)注意，由于表面M度引起 的Ed的輕微減小能在上面對Egm的選擇中間接計及。
對于具有h〉ho的高于平坦地面的避雷針，式(2)所表達(dá)的對應(yīng)于連 續(xù)先導(dǎo)初始電壓的空間電位將實(shí)際上以大約1500kV恒定。在這個高度范 圍內(nèi)，上面介紹的優(yōu)選導(dǎo)電裝置的參數(shù)r、 R、 n將被選擇為使得在此空間 電位上，結(jié)果得到的場將滿足上面的(5)的電暈初始場Eci。
優(yōu)選為，實(shí)際上，將僅僅使用有限數(shù)量的避雷針尺寸，其覆蓋例如低 于200kV、從200kV到400kV、從400kV到600kV等的設(shè)計空間電位的梯級。
對于避雷針電極的實(shí)際高度，上面的(1)和(2)的評估顯示，依賴 于有效避雷針高度，設(shè)計空間電位在200-1500kV大概范圍內(nèi)變化。避雷 針電極的設(shè)計參數(shù)顯示，總體半徑R在10-100cm的范圍內(nèi)變化。管狀導(dǎo) 體半徑r在0.5到2.5cm的范圍內(nèi)變化。管狀環(huán)的數(shù)量n能在6到12的范 圍內(nèi)選擇，沿著球形邊緣合適地間隔開。所建議的避雷針電極形狀對下雨 的不敏感性已經(jīng)通過長氣隙上的正開關(guān)脈沖測試得到證實(shí)，如本發(fā)明的發(fā) 明人之一在F.A.M.Rizk的"Influence of Rain on Switching Impulse Sparkover Voltage of Large-Electrode Air Gaps" (IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol. PAS-95， No.4，July/August 1976, pp 1394-1402 )中所述。對于具有75cm總體半徑R的管狀環(huán)球形電極，1.25cm 的環(huán)半徑r和n=8的環(huán)數(shù)量，在干條件下，2.5m間隙的正開關(guān)脈沖50% 火花電壓等于987kV，而在滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)60的人工降雨時，其等于982kV。 這顯示，下雨實(shí)際上對擊穿沒有影響，相應(yīng)地，對本發(fā)明的雷閃防護(hù)裝置 的正先導(dǎo)初始電壓沒有影響。對于具有完全覆蓋的lm直徑平滑球形電極 的同樣的間隙，對應(yīng)的擊穿電壓從干條件下的1481kV下降到下雨時的 897kV,如上面提到的后一文獻(xiàn)所述。
在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)中對本發(fā)明雷閃防護(hù)裝置的予人印象的性能的物理闡釋 相信為
-與滿球形表面相比，未覆蓋的管狀環(huán)球體收集少得多的沉淀物。 -水滴傾向于在電場減小的連續(xù)環(huán)之間在環(huán)形管的下表面上收集。 -由于與同樣直徑的平滑球的相比要小得多的管半徑，水滴或沾染物引
起的場擾動變得小得多。
應(yīng)當(dāng)提到，根據(jù)本發(fā)明，可對任何標(biāo)準(zhǔn)富蘭克林桿通過將之封裝在一
組具有變化尺寸并單獨(dú)結(jié)合到桿的金屬環(huán)中以形成本發(fā)明的雷閃防護(hù)裝置
來有利地進(jìn)行修改。
還應(yīng)提到，在附圖中，環(huán)被示為水平定向，但它們可以其它方向定向，
例如作為非限制性實(shí)例的豎直定向。然而，如果環(huán),皮豎直定向，可能不能
13很好地工作，因?yàn)樵诔睗駮r，水滴可能不能在電場像環(huán)被水平定向那樣減 小的地方形成，但區(qū)別很小。
本發(fā)明所屬領(lǐng)域技術(shù)人員將會容易地明了 ,根據(jù)本發(fā)明的雷閃防護(hù)裝 置可用于任何當(dāng)前使用避雷針的地方。
盡管已經(jīng)詳細(xì)介紹以及在附圖中示出了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，將會明 了，本發(fā)明不限于這些具體實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可 作出多種修改和變化。
權(quán)利要求
1.一種雷閃防護(hù)裝置，其包含接地的富蘭克林桿；以及導(dǎo)電裝置，其被附著到所述桿，并限定在其周圍預(yù)定大小的預(yù)定總體形狀，導(dǎo)電裝置的形狀和大小被設(shè)計為對于連續(xù)上行先導(dǎo)初始空間電位低于最大周圍基本場空間電位的高于地面的給定位置，在干與濕的條件下，防護(hù)裝置的電暈初始空間電位與連續(xù)上行先導(dǎo)初始空間電位一致，而對于連續(xù)先導(dǎo)初始空間電位超過最大周圍基本場空間電位的另一高于地面的給定位置，防護(hù)裝置的電暈初始空間電位高于最大周圍基本場空間電位且低于連續(xù)上行先導(dǎo)初始空間電位，防護(hù)裝置的電暈初始空間電位實(shí)質(zhì)上對由于沾染物引起的表面前突不敏感。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l的雷閃防護(hù)裝置，其中，所述導(dǎo)電裝置包含沿著所 述桿間隔開的多個金屬環(huán)，各個環(huán)被結(jié)合到所述富蘭克林桿。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2的雷閃防護(hù)裝置，其中，各個所述環(huán)具有預(yù)定的大 直徑和預(yù)定的小直徑，并被布置為將總體形狀限定為球形。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2的雷閃防護(hù)裝置，其中，各個所述環(huán)具有預(yù)定的大 直徑和預(yù)定的小直徑，并被布置為將總體形狀限定為橢球形。
5. 才艮據(jù)權(quán)利要求2的雷閃防護(hù)裝置，其中，所述富蘭克林桿實(shí)質(zhì)上豎 直延伸，且各個所述環(huán)實(shí)質(zhì)上圍繞所述桿水平延伸。
全文摘要
一種雷閃防護(hù)裝置，其具有接地的富蘭克林桿和附著到桿并限定其周圍預(yù)定大小的預(yù)定總體形狀的導(dǎo)電裝置。雷閃防護(hù)裝置特別被設(shè)計為限制與雷雨相關(guān)聯(lián)的周圍基本場下的電暈放電量，同時，上行先導(dǎo)初始要求在雷閃先導(dǎo)下行過程中保持不變。雷閃防護(hù)裝置具有基本上對來自污染、昆蟲、蟲子或水滴的沾染物不敏感的電暈初始電壓。
文檔編號H05F3/02GK101611655SQ200780043482
公開日2009年12月23日 申請日期2007年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月24日
發(fā)明者法魯克·A·M·里茲克, 阿姆魯·里茲克 申請人:法魯克·A·M·里茲克;阿姆魯·里茲克