МОЛНИЕОТВОД Российский патент 1998 года по МПК H01T9/00 H02H9/06 

Изобретение относится к устройствам 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 [1,2]
Известные в настоящее время средства молниезащиты можно подразделить на две группы [2] защитительные (стержневые, тросовые, броневые системы молниеотводов) и предупредительные (молниеотводы Мельсонса, молниеотводы, основанные на ионном и лазерном излучении [3]).

Наиболее широко используется защитительная система молниезащиты. Она проста, не требует специального технического обслуживания и сравнительно надежно защищает объект от поражения "отрицательными" молниями, т.е. молниями, лидер которых образован отрицательными зарядами.

Так, известны стержневые молниеотводы [4] 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, т.е. 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 размерам 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 с источником радиоактивного излучения. Эти 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, т. к. радиоактивное излучение способствует повышению проводимости между землей и облаком подобно системе Мельсонса и ограничивает накопление электрического заряда облаком.

Наиболее близким к заявляемому устройству является стержневой молниеотвод с источником радиоактивного излучения [2] разработанный фирмой Helita (США) в 1932 г. Его центральный вертикальный стержень соединен с помощью проволоки с заземляющим электродом. В верхней части стержня расположен фарфоровый изолятор, покрытый нерастворимой солью радия. Выше него 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 заряда облаком.

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" типа молний, так и для "положительного" типа молний в месте установки молниеотвода вблизи защищаемого объекта.

Соответственно этому технический результат, достигаемый при реализации заявляемого устройства и установка 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 стержень-молниеприемник, центральный стержень заземления, боковые стержни и корпус, таким образом, что центральный стержень молниеприемник соединен с началом первой из последовательно включенных вторичных обмоток повышающих трансформаторов, помещенных внутри многосекционного разрядника, и с первой его секцией, при этом конец последней из вторичных обмоток повышающих трансформаторов соединен с последней секцией многосекционного разрядника, с первым полюсом генераторного разрядника, со стержнем заземления и с первым концом первичной обмотки изолирующего трансформатора, второй конец которой через конденсатор связан со вторым полюсом генераторного разрядника и с основанием боковых стержней, а вторичная обмотка изолирующего трансформатора и первичные обмотки повышающих трансформаторов соединены параллельно.

Отличительными признаками заявляемого устройства по сравнению с ближайшими аналогами являются следующие:
а) повышающие трансформаторы;
б) изолирующий трансформатор;
в) многосекционный разрядник;
г) генераторный разрядник;
д) конденсатор;
е) центральный стержень-молниеприемник соединен с началом первой из последовательно включенных вторичных обмоток повышающих трансформаторов;
ж) стержень-молниеприемник соединен с первой секцией многосекционного разрядника;
з) повышающий трансформатор помещен внутри многосекционного разрядника;
и) конец последней из вторичных обмоток повышающих трансформаторов подсоединен к последней секции многосекционного разрядника;
к) первый конец первичной обмотки изолирующего трансформатора присоединен к последней секции многосекционного разрядника;
л) конец последней из вторичных обмоток повышающих трансформаторов соединен с первым полюсом генераторного разрядника;
м) конец последней из вторичных обмоток повышающих трансформаторов соединен со стержнем заземления;
н) конец последней из вторичных обмоток повышающих трансформаторов соединен с первым концом первичной обмотки изолирующего трансформатора;
о) второй конец первичной обмотки изолирующего трансформатора через конденсатор связан со вторым полюсом генераторного разрядника;
п) второй конец первичной обмотки изолирующего трансформатора через тот же конденсатор связан с основанием боковых стержней;
р) вторичная обмотка изолирующего трансформатора и первичные обмотки повышающих трансформаторов соединены параллельно.

Боковые стержни, первичная обмотка изолирующего трансформатора, генераторный разрядник и конденсатор в совокупности образуют релаксационный генератор, возбуждаемый полем атмосферного электричества.

Стержень-молниеприемник служит для замыкания разряда молнии на землю.

Корпус предназначен для защиты внутренних элементов устройства от атмосферных воздействий.

Боковые стержни (генераторные электроды) служат для обеспечения работы релаксационного генератора от поля атмосферного электричества.

Многосекционный разрядник предназначен для защиты релаксационного генератора и трансформаторов от воздействия тока молнии.

Повышающие трансформаторы служат для формирования на стержне-молниеприемнике импульса высокого напряжения (U_m ≈1000 кВ).

Изолирующий трансформатор предназначен для повышения изоляции между вторичной обмоткой повышающего трансформатора и "землей".

Генераторный разрядник и конденсатор обеспечивают работу релаксационного генератора в заданном режиме.

Центральный стержень заземления служит для крепления устройства и надежного электрического соединения устройства с "землей".

Предлагаемый молниеотвод показан на чертеже.

Многосекционный разрядник 1, генераторный разрядник 2, конденсатор 3, а также частично стержень-молниеприемник 4 и стержень заземления 5 помещены в корпус 6 с проводящей крышкой 7, являющейся первой секцией разрядника 1, в которую вставлен стержень-молниеприемник 4. Внутри многосекционного разрядника 1 размещены повышающие трансформаторы 8. При этом вторичные обмотки повышающих трансформаторов 8 соединены между собой последовательно, а их первичные обмотки параллельно. Начало вторичной обмотки первого из повышающих трансформаторов 8 присоединено к стержню-молниеприемнику 4. Конец вторичной обмотки последнего из повышающих трансформаторов 8 присоединен к последней секции многосекционного разрядника 1, к первому концу первичной обмотки изолирующего трансформатора 9, к стержню заземления 5 и к первому полюсу генераторного разрядника 2. Второй полюс генераторного разрядника 2 подключен через конденсатор 3 к той же первичной обмотке изолирующего трансформатора 9 и непосредственно к основанию 10, на котором закреплены боковые стержни 11. Вторичная обмотка изолирующего трансформатора 9 соединена параллельно с первичными обмотками повышающих трансформаторов 8.

Молниеотвод работает следующим образом.

Боковые стержни 11, находясь в поле атмосферного электричества, поляризуются и между ними и стержнем заземления 5 возникает разность потенциалов. При этом конденсатор 3 начинает заряжаться до напряжения, которое устанавливается генераторным разрядником 2. Срабатывание генераторного разрядника 2 приводит в действие релаксационный генератор, состоящий из конденсатора 3, боковых стержней 11, первичной обмотки изолирующего трансформатора 9 и генераторного разрядника 2. Импульс напряжения релаксационного генератора трансформируется при помощи повышающих трансформаторов 8 в импульс высокого напряжения на стержне 4. Таким образом при попадании молнии в стержень молниеприемника 4 пробой разрядника 6 начинается с первой секции многосекционного разрядника 1, т.е. с крышки 7.

Электромагнитные параметры устройства подбираются таким образом, что оно срабатывает при приближении лидера молнии к высоте ориентировки (150-200 м) в фазе с его воздействием. Импульс высокого напряжения инициирует встречный лидер. Многосекционный разрядник 1 пробивается, замыкая основной электрический заряд на "землю" и защищая устройство от разрушения.

В результате осуществляется эффективное ориентирование разряда молнии на молниеотвод 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: молниеотвод содержит центральный стержень-молниеприемник, вставленный в проводящую крышку диэлектрического корпуса, центральный стержень заземления, боковые стержни, многосекционный генераторный разрядник, повышающий и изолирующий трансформаторы, конденсатор и корпус. Стержень-молниеприемник соединен с началом первой из последовательно включенных вторичных обмоток повышающих трансформаторов. Конец последней из вторичных обмоток повышающих трансформаторов подсоединен к последней секции многосекционного разрядника, к ней же присоединено начало первичной обмотки изолирующего трансформатора, стержень заземления и один из полюсов генераторного разрядника. Второй полюс этого разрядника связан непосредственно с основанием боковых стержней и через конденсатор с концом первичной обмотки изолирующего трансформатора. Вторичная обмотка последнего и первичные обмотки повышающих трансформаторов соединены параллельно. Повышающий трансформатор размещен внутри многосекционного разрядника. 1 ил.

Молниеотвод, содержащий центральный стержень-молниеприемник, центральный стержень заземления, боковые стержни и корпус, отличающийся тем, что центральный стержень-молниеприемник соединен с началом первой из последовательно включенных вторичных обмоток повышающих трансформаторов, помещенных внутри многосекционного разрядника, и с первой его секцией, при этом конец последней из вторичных обмоток повышающих трансформаторов соединен с последней секцией многосекционного разрядника, с первым полюсом генераторного разрядника, со стержнем заземления и с первым концом первичной обмотки изолирующего трансформатора, второй конец которой через конденсатор связан с вторым полюсом генераторного разрядника и с основанием боковых стержней, а вторичная обмотка изолирующего трансформатора и первичные обмотки повышающих трансформаторов соединены параллельно.