閃電防護設備以及相應的方法技術

本發明專利技術涉及一種閃電防護設備以及相應的方法，尤其可應用于包括捕獲電極的避雷導體，該捕獲電極使得閃電電流被放電到大地。該設備包括捕獲電極(1)，該捕獲電極(1)被配置為捕獲閃電電流并將該閃電電流放電到大地，該捕獲電極(1)接地并具有一個自由端(1a)；用以改變所述該自由端的電行為的改變部件(2、3)，該改變部件(2、3)被配置為使得在所述自由端附近的局部電場的放大系數發生變化；所述設備還包括用于測量環境電場和/或環境電場隨時間的變化的測量部件(4)以及用于觸發所述改變部件的觸發部件。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術的主題是ー種。本專利技術尤其可應用于包括被稱為“單桿(Single rod)”的捕獲電極的避雷導體型的設備，該捕獲電極使得閃電電流被放電到大地。
技術介紹
由Benjamin Franklin在十八世紀專利技術的避雷導體形成針對閃電的基本的主要防護，其基本原理在于向使得能量被導向大地的主放電提供優先通路。 可是減小為單桿的最簡單的避雷導體不能對在暴風雨期間出現的所有現象進行充分管理。因此，會發生避雷導體沒有正確地執行其功能的現象。閃電實際上是ー種具有強破環能力和高強度的放電。目前這種自然現象仍難以預測。為了直面這種情形，已知的閃電防護系統尤其尋求以受控的方式將放電導向大地，以避免對エ業設施和人口聚集地區產生損害。因此，避雷導體仍是這些閃電防護系統中的基礎性元件之一。避雷導體型的設備實際上是已知的，其例如布置在某些建筑物的頂部上，其目的在于捕獲閃電，以使得閃電能夠被疏導并排放到大地，并防止其隨機擊打。在基礎版本的避雷導體中，避雷導體由金屬桅桿或捕獲電極組成，金屬桅桿或捕獲電極的端部可以是尖鋭的(尖端的)或圓形的，并且布置在高處。這種捕獲電極經由導電電纜與大地相連接。不同類型的改良型避雷導體已經得到開發，其功效得到提高。這種避雷導體更為細致地考慮到如在下文中所闡述的閃電自然現象。在睛天吋，由于位于50km等級高度的正電荷，故而在地殼表面和平坦地區上能夠測量到100到150V/m等級的垂直電場(根據慣例標定為正的)。當暴風雨正在形成時，云將被充電，在其上部為正，在其下部為負。有時，正電荷容器被大量負電荷包圍。從全球來看，暴風云因此形成真正的偶極子，相反符號的電荷在一起產生強電場。當電場達到界限梯度(有時稱為擊穿梯度)時，發生放電。如果這種放電發生在同一云層的內部層之間，則使用術語“云內閃電”，而如果這種放電發生在不同云層的多個層之間，則使用術語“云間閃電”。更準確地說，由帶電云層和地面組成的系統(帶電云層和地面通過空氣層隔開數百米到數千米)充當巨型電容器的角色，在該巨型電容器中空氣擔當電介質的角色。與閃電相關聯的物理現象與電容器的退降(degradation)過程完全類似。例如，參照圖IA和圖1B，在由理想表面10、11組成的電容器中，電場線12垂直地從帶正電的表面10離開，并同樣垂直地進入帶負電的表面11 (見圖1A)。表面的不平整使得電場線12的集中效應(見圖1B)。這種局部電場強化現象被稱為尖端效應(point effect)。從某個閾值開始，在凸凹不平的表面(asperity) 13附近的電場的強烈振幅使得在電介質中存在的分子的電離。這種電離現象依次引起稱為電暈效應或電暈發光的發光。在電離期間釋放的帶電微粒通過電場沿著カ線被加速，并通過碰撞其它分子結束。這種碰撞引起新的電離，在新的電離期間，新的帶電微粒被釋放，并遵循相同的加速和碰撞過程。最終結果被稱為電子雪崩，電子雪崩表現為通過電容器板極之間的空間而傳導的電流。這種雪崩通過由電場產生的能量進行供給。這種現象組成介電材料的退降過程或擊穿過程的開始，介電材料在電子雪崩發生處變為導體。 如果這樣建立的導電通路管理連接電容器的兩板極，則通過尋求再平衡兩板級的電荷，建立比電子雪崩的電流強烈很多的電流。通過類比，并參照圖2A到2C，在大氣范圍內，閃電是這樣ー種現象通過閃電，電介質(空氣層)被退降，并建立將暴風云15的放電導向大地的導電通路14(見圖2A、2B、2C)。在溫帶氣候地區中，最常見類型的閃電始于從云層到地面遞減的負放電14a，通常稱為下行先導閃電(leader) 14a(見圖2A)。當接近碰撞區域時，這種先導閃電14a使得電場突然増大。這種增大使得在不平整的地面上出現電暈效應。接著產生稱為上行先導閃電14b的不同的電子雪崩電流(圖2B)。這些電流向下行先導閃電14a傳導。當下行先導閃電14a和上行先導閃電14b之一接觸時，將建立導電通路14，該導電通路14使得云層15向地面放電(圖2C)。一旦電場的電流強度下降，余下的上行先導閃電14b將消退。避雷導體因此基于尖端效應的原理。避雷導體利于在下行先導閃電接近時形成上行先導閃電。此外，這種避雷導體通常被布置在高處，以使得來自避雷導體的上行先導閃電相對來自較低高度的不平整處的任何其它上行先導閃電具有優勢。因此，通過將避雷導體放置在高處來尋求使從避雷導體離開的上行先導閃電與下行先導閃電建立接觸并產生導電通路的最大可能。一旦建立導電通路，該導電通路使得能夠經過避雷導體和導電電纜將閃電放電導向大地。由此引起的問題之ー在于作準備，以便能夠將電暈效應轉換為從避雷導體的捕獲電極產生的上行先導閃電。已知，由電暈效應累積的正空間電荷會局部地降低靠近避雷導體的捕獲電極的自由端的電場。還知曉，只要由正離子建立的電場沒有將環境場(ambient field)減弱到超出某個閾值，與電暈效應相關聯的電子雪崩就會持續。因此，需要環境場的最小值，以獲知正的上行先導閃電的發展。這個最小值有時被稱為“穩定場”。還確定在捕獲電極的自由端附近的電場的強度會根據該端的幾何結構變化。例如，在具有尖鋭自由端的捕獲電極附近的電場強度大于在具有圓形自由端的捕獲電極附近的電場強度。類似地，和具有圓形自由端的捕獲電極的情況相比，在具有尖鋭自由端的捕獲電極附近的電場強度當遠離捕獲電極的端部時會更快地下降。還確定，和當該自由端具有尖端時相比，當該 自由端為圓形時在捕獲電極的自由端附近所產生的正離子具有更長的壽命。因此可以看出，就電暈效應而言,捕獲電極的自由端的電子行為和該端的幾何結構相關地變化。這就是存在包含具有不同幾何結構的自由端的捕獲電極(尤其是，具有相對尖銳的自由端的并因此具有相對較小的曲率半徑的捕獲電極，或者具有更圓的端部的并因此具有相對較大的曲率半徑的捕獲電極)的不同種類的避雷導體的原因。實際上，曲率半徑一定要能夠使得引發電暈效應盡快地發生，并還能夠使得該電暈效應持續足夠長的時間以便環境電場進行演變直至形成穩定場。因此已經確定存在臨界曲率半徑。實際上，在該臨界曲率半徑以下，本系統被稱為脈沖系統。在該脈沖系統中，所廣生的正離子局部地降低了妨礙和電暈效應有關的電離的電場。在一定時間以后，離子會消失從而使得電場重獲能量并且電離過程繼續。即使由于在捕獲電極的端部空間電荷會周期性地消失故而所述脈沖系統沒有遇到困難，可是由于電離過程被周期性地中斷并且不能夠發展成上行先導閃電所以所述脈沖系統也是更低效的。臨界曲率半徑被認為對應于其中由電暈效應引起的非常重要的電離將會產生上行先導閃電的情形。由于穩定場隨著曲率半徑的増加而增加，所以大于臨界曲率半徑的曲率半徑是無益的。因此，大于臨界曲率半徑吋，穩定場可能會變得過大而無法形成。因此，和具有圓端的并因此具有相對較大的曲率半徑的捕獲電極相比，具有尖端的并因此具有相對較小的曲率半徑的捕獲電極使得電離更早地開始。另ー方面，和具有圓端的捕獲電極相比，具有尖端的捕獲電極維持電離更短的時間。因此，如果電場在一段短時間內劇烈變化，則和具有圓端的捕獲電極相比，具有尖端的捕獲電極將會效率更高。另ー方面，如果電場變化小，則和當捕獲電極具有圓端時相比，當捕獲電極具有尖端吋，電暈效應會更早地中斷。因此，在這種情況下，即使和當捕獲電本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種閃電防護設備，該設備包括捕獲電極(1)，該捕獲電極(1)被配置為捕獲閃電電流以將該閃電電流放電到大地，該捕獲電極(1)接地并具有自由端(1a)，所述設備包括用于改變所述自由端(1a)的電行為的改變部件(2、3)，該改變部件(2、3)被配置為至少使得在所述自由端(1a)附近的局部電場的放大系數發生變化，所述設備的特征在于還包括：測量部件(4)，該測量部件(4)用于測量環境電場和/或所述環境電場隨時間的變化，該測量部件(4)連接到用于改變所述自由端(1a)的電行為的所述改變部件(2、3)；以及觸發部件，該觸發部件按照由所述測量部件(4)所獲得的所述環境電場和/或所述環境電場隨時間的變化的值的函數來觸發所述改變部件(2、3)。

【技術特征摘要】
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【專利技術屬性】
技術研發人員：O·阿爾孔切爾，B·勒福特，
申請(專利權)人：易敵雷公司，
類型：發明
國別省市：