МОЛНИЕОТВОД Российский патент 1997 года по МПК H02H9/04 

Изобретение относится к устройствам для защиты от повреждений объектов различного назначения при интенсивном воздействии атмосферного электричества, в частности, к средствам молниезащиты промышленных зданий и сооружений, а также электроэнергетического оборудования, находящегося на открытом воздухе.

Попадание молнии в промышленный объект вызывает протекание высоких значений токов (10-400 кА), что неминуемо приводит к авариям, которые в современных условиях связаны либо с повреждением дорогостоящего оборудования, либо с возникновением пожаров, близких по размерам к экологическим катастрофам [1]
Известные в настоящее время средства молниезащиты можно подразделить на две группы [1] защитительные (стержневые, тросовые, броневые системы молниеотводов) и предупредительные (молниеотводы Мельсанса, молниеотводы, основанные на ионном и лазерном излучении [2]
Наиболее широко используется защитительная система молниезащиты. Она проста, не требует специального технического обслуживания и сравнительно надежно защищает объект при воздействии "отрицательной" молнии, то есть молнии, лидер которой образован преимущественно отрицательными зарядами.

Так, известны стержневые молниеотводы [3] содержащие стальную опору и металлический стержень, соединенный с помощью стальной проволоки с заземленными электродами. Недостатком стержневых молниеотводов является снижение их защитительной функции при воздействии "положительной" молнии, то есть молнии, лидер которой образован преимущественно положительными зарядами.

Абсолютно надежны, в плане молниезащиты, броневые системы молниеотводов, но они по своим технико-экономическим показателям применяются только для защиты небольших по размеру объектов.

Средства предупредительной молниезащиты в целом более эффективны по сравнению с защитительными средствами (особенно современные, использующие лазерную искру), поскольку устраняют условия для развития молнии. Общим их недостатком является конструктивная сложность и высокая стоимость.

Однако существуют системы молниезащиты, которые можно отнести как к первой, так и ко второй группе. К таким системам относятся молниеотводы, использующие радиоактивное излучение. Такие молниеотводы можно считать защитительными, так как радиоактивное излучение на вершине молниеприемника способствует инициированию встречного лидера молнии, что повышает эффективность защиты. Эти молниеотводы можно также отнести к предупредительным системам, так как радиоактивное излучение способствует повышению проводимости между землей и облаком, подобно системе Мельсанса, и ограничивает накопление электрического заряда облаком.

Наиболее близким к заявляемому устройству является стержневой молниеотвод с источником радиоактивного излучения [1] разработанный фирмой Helita (США) в 1932 году. Его центральный вертикальный стержень соединен с помощью проволоки с заземляющим электродом. В верхней части стержня расположен фарфоровый изолятор, покрытый нерастворимой солью радия. Выше его помещен металлический диск, укрепленный на изолирующей подставке, соединенной с боковыми антеннами с остриями.

Металлический диск находится под потенциалом слоя атмосферы и несет положительный заряд, существенно превышающий величину нулевого потенциала заземляющего стержня, что позволяет ускорять заряженные частицы, образованные ионизирующим излучением. Таким образом, между облаком и землей создаются проводящие пути и устраняются условия для накопления облаком заряда.

Очевидно, что широкомасштабное применение радиоактивных веществ в устройстве является его существенным недостатком.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в обеспечении надежной молниезащиты объектов различного назначения путем инициирования встречного лидера как для "отрицательного", так и для "положительного" типа молний в месте установки молниеприемника вблизи защищаемого объекта. Соответственно этому технический результат, достигаемый при реализации заявляемого устройства и установки его на промышленных зданиях и сооружениях, а также на открытом электроэнергетическом оборудовании, состоит в обеспечении их сохранности даже в зонах повышенной грозоопасности.

Поставленная задача решается выполнением молниеотвода, содержащего центральный заземленный вертикальный стержень и расположенные симметрично относительно него боковые антеннымолниеприемники, генераторный электрод, разрядники, преобразователь энергии электрического поля и накопители энергии, причем вход преобразователя энергии включен между генераторным электродом и центральным заземленным стержнем, а выход преобразователя соединен со входами накопителей энергии, выходы которых находятся между заземленным стержнем и рабочими концами соответствующих боковых антенн.

При этом в качестве преобразователя энергии используется статический генератор, возбуждаемым полем атмосферного электричества, а в качестве накопителей энергии используются накопители индуктивного или емкостного типа.

Отличительными признаками по сравнению с ближайшим аналогом являются следующие: а) генераторный электрод; б) разрядники; в) преобразователь энергии; г) накопители энергии; д) генераторный электрод расположен соосно центральным заземленным стержнем; разрядники расположены в промежутках между генераторным электродом и заземленным стержнем и в разрыве боковых антенн; ж) вход преобразователя энергии включен между генераторным электродом и центральным заземленным стержнем; з) выход преобразователя энергии соединен со входами накопителей энергии; и) выходы накопителей энергии включены между заземленным стержнем и рабочими концами боковых антенн; к) в качестве преобразователя энергии используется статический генератор, возбуждаемый полем атмосферного электричества; л) в качестве накопителей энергии используются накопители индуктивного и емкостного типа.

Совокупность признаков а) л) обеспечивает получение технического результата во всех случаях. Признаки к) и л) характеризуют изобретение в его частном исполнении.

Генераторный электрод служит для обеспечения работы преобразователя энергии, например, релаксационного генератора, от поля атмосферного электричества.

Разрядники служат для защиты преобразователя и накопителей энергии от разрушения при ударе молнии.

Преобразователь энергии предназначен для преобразования случайно изменяющейся напряженности электрического поля атмосферы в регулярный сигнал,поступающий в накопители энергии.

Накопители энергии предназначены для сосредоточения энергии и повышения потенциала антенн-молниеприемников.

Предлагаемый молниеотвод показан на чертеже.

Молниеотвод содержит центральный вертикальный заземленный стержень 1 и расположенные симметрично него боковые антенны-молниеприемники 2, генераторный электрод 3, разрядники 4, преобразователь энергии электрического поля 5 и накопитель электрической энергии 6.

Разрядник 4 помещен в промежуток между центральным заземленным стержнем 1 и расположенным соосно с ним генераторным электродом 3, Аналогичные разрядники 4 размещены в разрывах боковых антенн-молниеприемников, причем первый вход преобразователя энергии 5 подключен к генераторному электроду 3, второй вход преобразователя 5 подключен к центральному заземленному стержню 1, а выходы преобразователя 5 соединены со входами накопителей энергии 6, выходы которых включены между заземленным стержнем 1 и рабочими концами соответствующих боковых антенн-молниеприемников 2.

Молниеотвод работает следующим образом. Генераторный электрод 3, находясь в поле атмосферного электричества, поляризуется, и между ним и заземленным стержнем 1 возникает разность потенциалов, которая приводит в действие преобразователь энергии 5 (например, релаксационный генератор). Преобразователь 5 работает в связи с накопителями энергии 6 (например, с умножителями напряжения).

Таким образом, потенциал антенн-молниеприемников 2 возрастает значительно быстрее в присутствии электрического поля, чем потенциал обычного заземленного стержня.

Повышение напряжения до определенного критического значения, опасного для изоляции устройства, приводит в действие разрядники 4.

Разрядники 4 защищают также устройство от разрушения при ударе молнии. Замыкание разрядных промежутков превращает предлагаемый молниеотвод в обычный стержневой, но уже в условиях, когда встречный лидер инициирован с электродов антенн 2 за счет их более высокого потенциала [4]
В результате осуществляется эффективное ориентирование разряда молнии на молниеприемники мимо защищаемого объекта.

Таким образом, в сравнении с ближайшим известным аналогом, предлагаемое устройство является более эффективным, обеспечивает большую безопасность в работе и может быть реализовано при помощи широко доступных технических средств, что в свою очередь делает его экономически более выгодным.

Использование: в устройствах для защиты от повреждения объектов различного назначения при интенсивном воздействии атмосферного электричества, в частности в средствах молниезащиты. Сущность изобретения: молниеотвод содержит центральный вертикальный заземленный стержень и расположенные симметрично относительно него боковые антенны-молниеприемники, генераторный электрод, разрядники, преобразователь энергии и накопители энергии. Разрядник помещен в промежуток между центральным заземленным стержнем и расположенным соосно с ним генераторным электродом, аналогичные разрядники размещены в разрывах боковых антенн-молниеприемников. Входы преобразователя энергии подключены к генераторному электроду и к центральному заземленному стержню, его выходы соединены со входами накопителей энергии, которые подключены к заземленным стержням и рабочим концам соответствующих антенн-молниеприемников. 2 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Молниеотвод, содержащий центральный вертикальный заземленный стержень и расположенные симметрично относительно него боковые антенны-молниеприемники, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен генераторным электродом, разрядниками, преобразователем энергии электрического поля и накопителями энергии, при этом в промежутки между центральным заземленным стержнем и расположенным соосно с ними генераторным электродом помещен разрядник, аналогичные разрядники размещены в разрывах боковых антенн-молниеприемников, причем первый вход преобразователя энергии подключен к генераторному электроду, второй вход преобразователя подключен к центральному заземленному стержню, а выходы преобразователя соединены с входами накопителей энергии, выходы которых включены между заземленным стержнем и рабочими концами соответствующих боковых антенн. 2. Молниеотвод по п.1, отличающийся тем, что в качестве преобразователя энергии использован статический генератор, возбуждаемый полем атмосферного электричества. 3. Молниеотвод по п. 1, отличающийся тем, что в качестве накопителей энергии использованы накопители индуктивного или емкостного типа.