帶有利用沿絕緣體滑行放電激發裝置的避雷針的製作方法
2023-12-08 13:06:06
專利名稱：帶有利用沿絕緣體滑行放電激發裝置的避雷針的製作方法
技術領域：
本發明一般說來涉及防雷保護裝置，更具體地說，本發明涉及帶有激發裝置的新型避雷針，激發裝置利用沿絕緣體滑行放電。
本發明的具體有益的應用在於提供對建築物、民房、公寓大樓、工廠的防雷保護，一般來說對需要保護的任何地帶、任何人、任何裝置或任何設備提供防雷擊保護。
本發明的具體有益的應用還在於提供對置於導電的金屬裝置上的設備，例如無線電通訊天線的直接防雷保護。本發明通過加強保護電纜的有效性並改進鐵塔本身的雷擊俘獲率，加強了對鐵塔上高壓和中壓電纜的保護。
常規的富蘭克林棒或富蘭克林尖端型避雷針包括一根一端與地相連，而另一端是尖端的棒。
這樣的避雷針以下述方式工作。當雷雲形成時，地面上方的大氣電場增加到大約每米10千伏(10kv/m)。在富蘭克林棒的尖端產生電暈效應。接著，通過雷雲內部形成並跳向地面的下行先導開始雷擊。在雷雲先導向下移向大地的同時，由於電暈效應，富蘭克林棒尖端附近空氣繼續電離。當下行的先導到達離富蘭克林棒尖端上方大約100米高時，在該棒周圍寬闊範圍內所產生的電場至少超過每米幾百千伏數量級。由於電暈效應放電，使靠近尖端的局部突然產生上行先導即以一系列電離波為特徵的放電，該電離波被休止期或「無光期」間斷。這一現象也稱為「隨機電暈效應」。當電場更強時，上行先導開始無間斷傳播繼而與下行先導相遇。連續的上行先導發展越早，兩個相反的先導的匯合點離富蘭克林棒越遠。
富蘭克林棒型避雷針的主要缺點在於隨機電暈效應產生的起動期持續時間長。使連續的上行先導發展遲，因而這兩個先導匯合點離富蘭克林棒近。
技術上解決這一問題的辦法是在富蘭克林棒上安裝激發裝置，該激發裝置能夠有助於消除上行先導發展過程中的休止期或無光期，因而人為地減少連續上行先導發展所需的時間。
為了這一目的，文獻EP-O228984公開了一種空氣間隙避雷針，它包括一根與大地相連並外套一金屬空心殼的金屬棒。金屬棒一端與大地相連另一端為一尖端穿過空心殼的圓形開口暴露在外面。空心殼通過空氣與金屬棒絕緣，這一空氣間隙定義為空心殼上的圓形開口與金屬棒的尖端間的距離。更進一步，必須用高阻抗的絕緣電阻連接殼與中心棒。
這樣，當雷雲臨近上述避雷針且下行先導來到所述避雷針附近時，金屬殼充電達到一臨界電勢，高於該臨界電勢時，從殼上形成電火花通過空氣間隙傳到棒的尖端上。這一火花將金屬殼上的電荷排放掉。
這一避雷針上的電激發裝置動作是隨機的。在棒與金屬殼的間隙中形成的火花在時間和空間上隨機出現，並以「過早的方式」(prematuremanner)出現在棒的尖端。
文獻FR-2620581敘述了一個避雷針裝置，包括一根與地相連的空心棒，有一根電導體置於空心棒中並與棒絕緣，該導體突出在棒的一端外，連接到適合於集中大氣電勢以便在導體與棒間產生火花放電現象的複雜裝置上。
另外，文獻EP-0096655敘述了一個避雷針裝置，它包括一根與地相連的棒和一個導電組件，該組件的第一部分相對於棒徑向伸展，其終端為許多尖端，使之容易集中大氣電勢，第二部分形成沿一個彎曲的通路遠離第一部分伸向棒的電極，其位置與棒間的距離短，因此，在暴風雨天氣，所述電極與棒間產生放電。
最後，文獻FR-2043220公開了一種避雷針裝置，它包括一根與地相連的棒和一個β放射源，用靠近棒端部的位置傳送β輻射。
以上三種避雷針裝置複雜且運行狀況不令人滿意。
本發明提出了一種帶有電激發裝置的新型避雷針，試圖解決現有技術中的上述問題。
更具體地說，本發明提供了帶有放電激發裝置的避雷針，該避雷針包括具有一個自由端和一個接地端的一根中央電極;
一個絕緣材料製成的部件，包圍著中央電極，其外表面連續與中央電極自由端相接觸;
一個導電的外電極，覆蓋著所述絕緣部件的部分外表面，與中央電極自由端相連的絕緣部件外表面的非覆蓋部分在所述外電極與中央電極的自由端之間形成了一個絕緣材料橋。
在所述外電極放電期間，該橋適合於引導在適當的大氣條件下充電的可導電的外電極和中央電極自由端之間的電火花。
這樣，當來自雷雲中的下行先導接近本發明的避雷針時，通過靜電感應，可導電的外電極充電，直到其電勢達到一個臨界值。高於這一臨界值時，可導電的外電極和中央電極自由端之間就產生電火花，中央電極的自由端最好是尖端，因而能在中央電極的尖端附近建立等離子體。與分布於中央電極自由端附近的強電場相關的等離子體組成了上行先導發展的第一步，外電極的放電火花是劇烈的、強有利的，這是因為它沿絕緣部件的外表面滑行，更具體地，在外電極和中央電極的尖端之間的橋上滑行，該橋成了外層電極與中央電極自由端間電火花的跳板。
在本發明的避雷針中，激發火花的自傳播所需的電場值比上述現有技術的避雷針中的相應電場值小10倍。
更可取的是，本發明所述絕緣部件的外表面至少有一部分的形狀向外凸出，可導電的外層電極貼在外表面的所述凸出部分上。
應該說明，外電極沒有凸出部分更有利，凸出部分有助於在中央電極的自由端和外電極之間以外處形成寄生火花。絕緣部件和可導電的外電極的形狀和布置設計應使火花從所述外電極的邊緣，與到中央電極的自由端的絕緣材料跳板形橋的相鄰處形成，且從所述橋的上方傳到中央電極的自由端。
在本發明避雷針的最佳實施例中，絕緣部件為半球形，其外表面實際上向外凸出並支撐著可導電的外電極，沒被外電極覆蓋的部分外表面形成所述電極和中央電極間的橋，這一部分大體上是向裡凹進去的斜面。
另外，在上面指定的實施例中，所述外電極是空心的球面圓蓋。
在本發明的一個實施例中，外電極和/或中央電極是由銅或銅合金製成的。
在本發明的第二個實施例中，外電極和/或中央電極是由鐵或鐵合金製成的。
在本發明的第三個實施例中，外電極和/或中央電極是由鋁或鋁合金製成的。
在本發明的另一個實施例中，外電極是在絕緣部件的一小塊外表面上的金屬鍍層。
在本發明的一個實施例中，絕緣部件是由聚合物材料製成的絕緣體。
在本發明的另一個實施例中，絕緣部件是由陶瓷材料製成的絕緣體。
以下關於附圖的敘述涉及本發明的非限定性實施例，用來清楚地說明本發明組成部件及如何實現。在附圖中
圖1是本發明的避雷針的第一個實施例的垂直剖面圖;
圖2是本發明的避雷針的第二個實施例的垂直剖面圖;
圖3是本發明的避雷針的第三個實施例的垂直剖面圖;
圖4是本發明的避雷針的第四個實施例的垂直剖面圖;
圖5是本發明的避雷針的第五個實施例的垂直剖面圖;
圖6是表示一個常規的富蘭克林棒型避雷針在適於被雷擊的電氣條件下預放電電流隨時間變化的曲線;
圖7是表示一個具有空氣間隙的避雷針在與圖6相同的條件下，預放電電流隨時間變化的曲線;
圖8是表示本發明的避雷針在與圖6相同的電氣條件下，預放電電流隨時間變化的曲線。
予先說明，以上各圖中相同或相似的部分儘可能用同一參考符號標出，不再每一次都重複敘述。
圖1示出帶有利用滑動放電激發裝置的避雷針100，這一避雷針100包括一根垂直的金屬製成的中央電極110，該電極110有一個用於與大地相連的端112和另一個指向天空的尖自由端111。另外，避雷針100包括包圍中央電極110的絕緣部件121，它臨近中央電極110的自由端111，有圓形對稱外表面121a。避雷針還包括一個導電的外電極122，它覆蓋絕緣部件121的外表面121a中一部分。
更準確地說，絕緣部件121是一個固態絕緣體，在本例中，是半球狀的，它的外表面121a基本上是向外凸出的，其中一部分121′a是向裡凹進去的斜面，該斜面與所述的中央電極110的自由端111連續接觸，即沒有任何間隙。這一絕緣體最好由聚合物材料或者陶瓷材料，或者甚至這兩種材料重疊在一起製成。應該說明絕緣部件所用的絕緣材料最好有電阻率高、機械剛度強、抗溼和適應不同環境狀況等特性。
更進一步說，所述外凸外表面121a的一部分被金屬的空心球面圓蓋覆蓋，該球面圓蓋形成一個與絕緣體121的外表面121a的外凸形狀配合的可導電的外電極122。外電極122不覆蓋所述外表面121的斜面形部分121′a。所述外電極122包括一個圓形頂部開口122a，所述斜面形部分121′a通過所述開口122a暴露在外面，形成一絕緣材料橋，該橋處在外電極122的頂部圓形開口122a的圓形邊緣122′a和中心電極110的自由端111之間。外電極122可以由鐵、銅、或鋁、或鐵合金、銅合金、或鋁合金製成。在一個派生實施例中，外電極122由絕緣部件121被覆蓋的那部分外表面上直接形成的金屬鍍層構成。
在一個典型例子中，金屬的中央電極110的直徑大約為10mm至20mm，半球形絕緣部件121的最大直徑為25cm，絕緣材料橋121′a的長度在1mm至50mm範圍內。應該說明，外電極122可能具有幾個不同的厚度。它最好沒有凸出的部分，因為如下所述這會妨礙避雷針的正常運行。
圖2為圖1避雷針的第一個派生實施例。在這一派生例中，絕緣材料部件121是一旋轉體，它從中央電極110的底部向該電極的頂部直到尖端111處呈喇叭狀張開。絕緣部件121有一個圓形的頂端部分121″，其外表面向外凸出。這一頂端部分靠一個錐臺連接部分121′伸向尖端111處，121′的外表面121′a是向裡凹進的斜面。空心球狀圓蓋形的可導電的外層電極122部分覆蓋在絕緣部件121上面，貼在絕緣部件121的圓形部分121″上，因此，所述圓形部分121″的一部分外表面是外電極122和絕緣部件121間唯一的接觸表面。絕緣部件121的錐臺部分121′的外表面121′a沒有被外電極覆蓋，它處在所述外電極和中央電極110的尖端111之間。
在圖3示出的一個派生實施例中，外電極122以圓環面124包圍絕緣部件121。這一圓環有一連接環124a，它部分覆蓋於絕緣材料製成的部件121的圓形頂端部分121″的外表面。
在另一個派生實施例中，如圖4所示，外電極122是一球面帶環，它覆蓋於絕緣部件121的圓形頂端部分121″的一部分外表面。這一球面帶環通過導線131連到固定於絕緣部件121的金屬球130上。更準確地，絕緣部件121帶有徑向伸出的臂，金屬球130安裝在每一根臂的端部。
圖5為圖1避雷針的另一個派生實施例，它更適用於安裝在水平導體上，例如電線的防護用鋼絲繩或者網狀籠的水平導體上，這在這一派生例中，絕緣部件121在外電極122的下面延伸出一通常為矩形塊的絕緣部分123，這一延伸部分123可以附加到絕緣部件121上，也可以與絕緣部件121合成一個整體。另外，如圖5所示，絕緣延伸部分123有一個水平通道140，用於安放與豎直的中央電極110相垂直的水平導體。可以看到，水平通道140與外電極122的距離為d，這大約是外電極122的邊緣122′a和中央電極110的尖端111間距離的兩倍。中央電極110通過連接裝置150(在這一例中為一金屬薄片)連接到置於通道140內的導體上。導體本身與地相連。
從另一派生例(沒示出)中可以看到，可以設想電極的端部112伸到通道140內，裝於所述通道內的水平導體與垂直的電極相接。另外，也可以看到，絕緣體延伸部分123的外表面沒有被外層電極覆蓋。
以下敘述圖1中示出的避雷針的運行。
當下行先導接近圖1所示帶有激發裝置的避雷針時，外部電場增強使可導電的外電極122充電，直到達到一臨界電勢。高於該電勢時，在所述外電極122的開口122a的圓形邊緣處形成電火花，火花滑過絕緣材料橋121′a到達金屬的中央電極110的尖端111處。
這一火花可能在中央電極110的尖端111附近形成等離子體，而該等離子體(它與存在於中央電極110的尖端111附近的強電場有關)產生的上行先導移動以與下行先導相遇。當兩種相反方向的先導相遇時，在雲與大地之間就建立起一個導電通道，這樣雷電流通過金屬的中央電極流入大地。
應該說明，橋121′a用於引導外電極122和中央電極110之間的放電火花，因此該火花比現有技術中採用空氣間隙的其它避雷針中的火花要強有力的多。
此外，激發火花傳播所要求的電場比採用空氣間隙的避雷針所要求的電場小10倍。
更進一步說，外電極122沒有凸出部分，這使有利地避免了在所述外電極的圓形邊緣122′a外其它地方形成寄生電火花。
圖6、7和8涉及放在相同的電氣和雷電條件下的三個不同的避雷針，它們分別是一個常規的富蘭克林棒(沒示出)，一個帶有空氣間隙的避雷針(沒示出)，和一個帶有本發明的激發裝置的避雷針，實驗曲線是各個避雷針尖端處預放電電流隨時間的變化。
更準確地，所有三個避雷針都利用一個模擬雷電條件的試驗步驟在試驗室中進行了試驗。這就是說，建立了模擬雷雲中電荷的分布而產生的背景電場，且建立了表示由下行先導接近大地附近感應出的脈動電場。這兩個電場疊加施加到一塊放在被試避雷針上方的板上(圖中沒示出)。背景場由在大地與該板間10kv/m到20kv/m數量級的直流電場表示，脈動場由馬克斯脈衝發生器產生，該發生器發出具有在200微秒至1000微秒範圍內的長上沿時間的驅動波。
在上述條件下，觀察到每一避雷針尖端的預放電電流隨時間的變化直到形成上升的放電並從避雷針的尖端向頂板傳播。
當採用常規的富蘭克林棒時，如圖6所示，曲線示出從t＝0和t＝250微秒施加脈衝電壓預放電電流隨時間的變化關係，隨機脈衝A相應於起動上升的放電不成功的衝擊，放電在接近250微秒的時刻離開富蘭克林棒的尖端，然後從尖端傳向板。
對具有空氣間隙的避雷針，如圖7所示，上升的放電在250微秒到300微秒範圍內從尖端擴散，這比常規的富蘭克林棒(見圖6)遲。從圖6中，可以看到記錄下了A型隨機脈衝，這三個可觀察到的細小的B型脈衝相應於空氣間隙的起動，前兩個相應於空氣間隙的過早運行，用於起動上升的放電太早。
可是，如圖8所示，用本發明的帶有激發裝置的避雷針，該激發裝置利用沿絕緣體的滑行放電(如圖1所示)，放電發生得比較早，在150微秒和200微秒之間，以較大的細小脈衝C為標誌在160微秒處激發裝置的點火使上升的放電立即起動。對這種避雷針的統計研究表明，與富蘭克林棒型避雷針或上述具有空氣間隙的避雷針相比較，上升的放電的預期觸發是規律的、可靠的。
比較圖6和圖8，可以看出，由於預先激發，使用於俘獲將要發展的放電所需的時間大大減少，本發明避雷針的俘獲放電比置於相同雷電條件下的通常的富蘭克林型避雷針的俘獲放電發生的早。這樣本發明的避雷針可能觸發俘獲放電的起動電場強度比通常富蘭克林型棒的起動電場要低得多。
應該看到，在上述的各圖中示出的各個實施例能夠相互結合。
更進一步，本發明並不局限於上述和示出的實施例，本技術領域中的技術人員能夠按本發明的精神進行其主件的變化。
例如，可以設想絕緣部件有一個小平面的外表面，其部分被外層電極覆蓋。這樣一個絕緣部件也可以包括實際上為錐臺型的頂端部分，它延伸小平面部分到中央電極的頂端。
權利要求
1.具有放電激發裝置的避雷針(100)，用於提供防雷保護，該避雷針包括有一個自由端(111)和接地端(112)的一根中央電極110；包圍在中央電極(110)周圍，由絕緣材料製成的部件(121)，它的外表面(121a)持續與中央電極(110)的自由端(111)接觸；覆蓋一部分絕緣部件(121)的所述外表面(121a)的可導電的外電極(122)，所述外表面(121a)的非覆蓋部分(121′a)連接到中央電極的自由端(111)，在所述外電極(122)和中央電極(110)的自由端(111)之間構成了一絕緣材料橋，在所述外電極(122)放電期間，該橋用於在合適的大氣條件下充電的可導電外電極(122)和中央電極(110)的自由端(111)之間引導電火花。
2.根據權利要求1的避雷針，其特徵在於絕緣部件(121)的所述外表面(121a)至少有一部分形狀基本上是向外凸出的，且可導電的外電極(122)貼在外表面(121a)的所述凸出部分。
3.根據權利要求1或2的避雷針，其特徵在於絕緣部件121是半球形，其外表面(121a)基本上向外凸出且支撐著可導電的外電極(122)，且外表面(121a)的沒被外電極(122)所覆蓋的部分(121′a)形成所述電極和中央電極(110)之間的橋，它是一基本上對內凹進的斜面。
4.根據權利要求3的避雷針，其特徵在於絕緣部件(121)是一個最大直徑大約25釐米的半球，並且絕緣材料橋的長度在1毫米至50毫米範圍內。
5.根據權利要求1或2的避雷針，其特徵在於絕緣部件(121)的形狀是從中央電極(110)向上呈喇叭狀，並包括具有向外凸出並支撐可導電的外電極(122)的外表面的圓形頂端部分(121″)，還包括外電極(122)與中央電極的自由端(111)之間的連接部分，該連接部分是錐臺形的。
6.根據權利要求1到5的任何一個權利要求的避雷針，其特徵在於所述外電極(122)是空心球狀圓蓋形的。
7.根據權利要求5的避雷針，其特徵在於外電極(122)是球面帶環(123)覆蓋絕緣部件(121)的圓形頂端部分(121″)的一部分外表面，並與安裝於絕緣部件(121)的金屬球(130)有電氣聯接。
8.根據權利要求5的避雷針，其特徵在於外電極(122)以圓環面(124)包圍絕緣部件(121)，這一圓環有一連接環(124a)，它部分覆蓋於絕緣材料製成的部件(121)的圓形頂端部分(121″)的外表面(121a)上。
9.根據權利要求1到8的任何一權利要求的避雷針，其特徵在於絕緣材料部件(121)以絕緣部分(123)的形式延伸在外電極(122)的下面，該延伸部分(123)包括一水平通道(140)用於安放水平導體，並且它包括中央電極(110)和放於所述通道(140)內的水平導體間的連接裝置(150)。
10.根據權利要求1至9的任何一權利要求的避雷針，其特徵在於其外電極(122)由銅或銅合金製成。
11.根據權利要求1到9的任何一權利要求的避雷針，其特徵在於外電極(122)由鐵或鐵合金製成。
12.根據權利要求1到9的任何一權利要求的避雷針，其特徵在於外電極(122)由鋁或鋁合金製成。
13.根據權利要求1到9的任何一權利要求的避雷針，其特徵在於外電極(122)是在絕緣部件(121)的一部分外表面(121a)上形成的金屬鍍層。
14.根據權利要求1到13的任何一權利要求的避雷針，其特徵在於中央電極(110)是由鐵或鐵合金製成。
15.根據權利要求1到13的任何一權利要求的避雷針，其特徵在於中央電極(110)是由銅或銅合金製成。
16.根據權利要求1到13的任何一權利要求的避雷針，其特徵在於中央電極(110)是由鋁或鋁合金製成。
17.根據權利要求1到16的任何一權利要求的避雷針，其特徵在於絕緣部件(121)是由聚合物材料形成的絕緣體製成。
18.根據權利要求1到16的任何一權利要求的避雷針，其特徵在於絕緣部件(121)是由陶瓷材料形成的絕緣體製成。
全文摘要
帶有激發裝置的避雷針，包括具有一個自由端和一個接地端的中央電極和一個包圍中央電極的絕緣部件，該絕緣部件的外表面與電極自由端連接接觸。還包括一個可導電的外電極，該外電極覆蓋絕緣部件的部分外表面，絕緣部件外表面接觸中央電極自由端的非覆蓋部分形成外電極和中央電極自由端之間的絕緣橋，在外電極放電期間，絕緣橋的外表面部分的作用是引導在合適的大氣條件下充電的外電極和中央電極的自由端之間的電火花。
文檔編號H02G13/00GK1090433SQ9311402
公開日1994年8月3日 申請日期1993年10月27日 優先權日1992年10月28日
發明者尼古拉斯·弗瑞特, 格瑞德·伯根 申請人:赫裡塔公司