МОЛНИЕОТВОД Российский патент 2002 года по МПК H02G13/00 

Изобретение относится к устройствам защиты от повреждения 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 токов высоких значений (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]: пассивные (стержневые, тросовые, броневые системы молниеотводов) и активные (молниеотводы, основанные на ионном и лазерном излучении [3]).

Наиболее широко используется пассивная 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 объектам.

Средства активной молниезащиты в целом более эффективны по сравнению с пассивными средствами (особенно современные, использующие лазерную искру), поскольку устраняют условия для развития молнии.

Общим их недостатком является конструктивная сложность и высокая стоимость.

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 пассивными, так как радиоактивное излучение на вершине молниеприемника способствует инициированию встречного лидера молнии, что повышает эффективность защиты. Эти молниеотводы можно отнести к активной группе, т.к. радиоактивное излучение способствует повышению проводимости между землей и облаком, подобно системе Мельсонса, и ограничивает накопление электрического заряда облаком.

Так, фирмой Helita (США) в 1932 г. разработана конструкция молниеотвода с источником радиоактивного излучения [2]. 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 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 для молнии и устраняются условия для накопления заряда облаком.

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

Наиболее близким к заявляемому устройству является активный молниеотвод с повышающими трансформаторами, релаксационным генератором и защитным многосекционным разрядником [5]. Его центральный стержень-молниеприемник вставлен в проводящую крышку диэлектрического корпуса и соединен с началом первой из последовательно включенных вторичных обмоток повышающих трансформаторов. Все повышающие трансформаторы помещены внутри многосекционного разрядника. Конец последней из вторичных обмоток повышающих трансформаторов соединен с последней секцией защитного разрядника, с первым полюсом генераторного разрядника, со стержнем заземления и с первым концом первичной обмотки изолирующего трансформатора. Второй конец первичной обмотки изолирующего трансформатора через конденсатор связан со вторым полюсом генераторного разрядника и с основанием боковых стержней, находящихся на внешней поверхности корпуса. Вторичная обмотка изолирующего трансформатора и первичные обмотки повышающих трансформаторов соединены параллельно. Конденсатор, генераторный разрядник, изолирующий трансформатор и защитный разрядник расположены внутри корпуса. Боковые стержни, первичная обмотка изолирующего трансформатора, генераторный разрядник и конденсатор образуют релаксационный генератор, возбуждаемый полем атмосферного электричества.

Под действием поля атмосферного электричества боковые стержни поляризуются. Между ними и стержнем заземления возникает разность потенциалов, что вызывает зарядку конденсатора. При достижении лидера молнии высоты ориентировки срабатывает релаксационный генератор. Импульс напряжения релаксационного генератора с помощью повышающих трансформаторов преобразуется в импульс высокого напряжения на стержне-молниеприемнике. Это вызывает формирование встречного лидера со стержня-молниеприемника и ориентировку молнии на молниеотвод мимо защищаемого объекта.

Такая конструкция позволяет обеспечить молниезащиту объектов различного назначения путем инициирования встречного лидера как для "отрицательного" так и "положительного" типа молний.

Однако последующие расчеты показали, а практика подтвердила, что максимальное напряжение защитного импульса, генерируемое молниеотводом-прототипом, не превышает 200 кВ, что является недостаточным для обеспечения надежной защиты объектов различного назначения от пробоя молнией.

Поэтому задача, на решение которой направлено заявляемое устройство, состоит в обеспечении надежной молниезащиты объектов различного назначения за счет повышения защитного напряжения, генерируемого устройством в импульсе.

В соответствии с поставленной задачей технический результат, достигаемый при установке заявляемого молниеотвода на промышленных зданиях и сооружениях, а также на открытом электрооборудовании, состоит в обеспечении их сохранности даже в зонах повышенной грозоопасности.

Поставленная задача авторами изобретения решена путем создания молниеотвода, содержащего центральный стержень-молниеприемник, центральный стержень заземления, многосекционный защитный разрядник, генераторный разрядник и диэлектрический корпус, в котором корпус имеет снаружи поперечную ребристость, секции наружного многосекционного защитного разрядника посажены на боковые стержни и выступают за пределы поперечной ребристости корпуса, внутри корпуса расположены накопительные блоки, каждый из которых образован цепочкой из последовательно включенных накопительного конденсатора и генераторного разрядника, определяющей последовательное соединение блоков между собой, при параллельном подключении к ней зарядного резистора в каждом блоке, при этом верхний накопительный блок в точке соединения генераторного разрядника и зарядного резистора электрически связан с нижней обкладкой формирующего конденсатора, верхняя обкладка которого соединена с центральным стержнем-молниеприемником и верхними боковыми стержнями, а точки соединения генераторных разрядников и верхних обкладок накопительных конденсаторов накопительных блоков связаны с соответствующими последующими боковыми стержнями, причем нижняя обкладка накопительного конденсатора нижнего накопительного блока подключена к центральному стержню заземления и к нижней секции наружного многосекционного разрядника.

При этом изобретение характеризуется следующей совокупностью отличительных признаков:
а) диэлектрический корпус имеет снаружи поперечную ребристость;
б) секции наружного многосекционного защитного разрядника посажены на боковые стержни и выступают за пределы поперечной ребристости корпуса;
в) накопительные блоки расположены внутри корпуса;
г) каждый из накопительных блоков образован цепочкой из последовательно включенных накопительного конденсатора и генераторного разрядника, определяющей последовательное соединение блоков между собой, при параллельном подключении к ней зарядного резистора в каждом блоке;
д) верхний накопительный блок в точке соединения генераторного разрядника и зарядного резистора электрически связан с нижней обкладкой формирующего конденсатора;
ж) верхняя обкладка формирующего конденсатора соединена с центральным стержнем-молниеприемником и верхними боковыми стержнями;
е) точки соединения генераторных разрядников и верхних обкладок накопительных конденсаторов накопительных блоков связаны с соответствующими последующими боковыми стержнями;
ж) нижняя обкладка накопительного конденсатора нижнего накопительного блока подключена к центральному стержню заземления и к нижней секции наружного многосекционного разрядника.

При этом следует отметить, что диэлектрический корпус молниеотвода предназначен для защиты внутренних элементов устройства от атмосферных воздействий и для обеспечения их изоляции. Поперечная ребристость его поверхности способствует повышению напряжения разряда по поверхности вследствие увеличения пути протекания разряда.

Центральный стержень-молниеприемник "притягивает" лидер молнии к молниеотводу и служит для замыкания разряда молнии через секции внешнего многосекционного защитного разрядника и центральный стержень заземления на землю.

Многосекционный разрядник предназначен для защиты от разрушения электрических соединений и элементов устройства от воздействия тока молнии.

Боковые стержни предназначены для зарядки накопительных конденсаторов накопительных блоков от атмосферного электричества.

Накопительные блоки создают импульс высокого напряжения, способствуя образованию встречного лидера на стержне-молниеприемнике непосредственно перед ударом молнии.

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

Предлагаемый молниеотвод показан на чертеже.

В крышку 1 диэлектрического корпуса 2, имеющего внешнюю поперечную ребристость, через центральное верхнее отверстие вставлен центральный стержень-молниеприемник 3, а через центральное отверстие в основании 4 корпуса 2 - центральный стержень заземления 5. В корпус 2 вставлены и закреплены боковые стержни 6, на которые насажены секции 7 наружного многосекционного защитного разрядника 8. Внутрь корпуса 2 помещены накопительные блоки 9. Каждый накопительный блок 9 образован цепочкой из последовательно включенного накопительного конденсатора 10 и генераторного разрядника 11, определяющих последовательное соединение блоков 9 между собой, при параллельном подключении к ним зарядного резистора 12 в каждом блоке 9. Верхний накопительный блок 9 в точке соединения генераторного разрядника 11 и зарядного резистора 12 электрически связан с нижней обкладкой формирующего конденсатора 13. Верхняя обкладка формирующего конденсатора 13 соединена с центральным стержнем-молниеприемником 3 и верхними боковыми стержнями 6. Точки соединения генераторных разрядников 11 и верхних обкладок накопительных конденсаторов 10 накопительных блоков 9 связаны с соответствующими последующими боковыми стержнями 6. Нижняя обкладка накопительного конденсатора 10 нижнего накопительного блока 9 подключена к центральному стержню заземления 5 и к нижней секции 14 наружного многосекционного разрядника 8.

Молниеотвод работает следующим образом.

Боковые стержни 6 и стержень-молниеприемник 3, находясь в поле атмосферного электричества, поляризуются, и между ними и стержнем заземления 5 возникает разность потенциалов. Накопительные конденсаторы 10 через зарядные резисторы 12 начинают заряжаться до напряжения, величина которого задается ближе всего расположенным к центральному стержню заземления генераторным разрядником 11. При пробое этого генераторного разрядника пробиваются остальные генераторные разрядники 11, накопительные конденсаторы 10 соединяются последовательно, их напряжения складываются и суммарное напряжение оказывается приложенным к центральному стержню-молниеприемнику 3.

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 защитный разрядник 8 пробивается, замыкая основной электрический заряд на "землю" и защищая устройство от разрушения.

С целью устранения ложных срабатываний генераторных разрядников 11 из-за разбросов их пробивных напряжений искровые промежутки последующих разрядников 11 устанавливаются с небольшим превышением их пробивных напряжений по отношению к разряднику, ближе всего расположенному к центральному стержню заземления 5.

В результате того, что на центральный стержень-молниеприемник 3, из-за возможности использования большого количества накопительных блоков 9, можно подать значительно больший по величине импульс высокого напряжения, устройство значительно уменьшает вероятность попадания молнии в зону защиты молниеотвода. Вынесение защитного многосекционного разрядника 8 на поверхность корпуса практически исключает возможность разрушения электрических соединений и элементов устройства.

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

Источники информации
1. Uman M. A. The Lightning Discharge. Academic Press., Inc., 1987, p. 188.

2. Стекольников И.С. Молния. Изд. АН СССР, М., 1940, с.327.

3. Базуткин В.В., Ларионов В.А., Пинталь Ю.С. Техника высоких напряжений. Изоляция и перенапряжения в электрических системах. М.: Энергоатомиздат, 1986, с.463.

4. БСЭ, 3 изд., т.16. М.: Советская энциклопедия, 1974.

5. Патент Российской Федерации 2101819, М. кл. Н 01 Т 9/00, Н 02 Н 9/06 от 24.04.96 (прототип).

Изобретение относится к устройству 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. Молниеотвод содержит центральный стержень-молниеприемник, центральный стержень заземления, боковые стержни, многосекционный защитный разрядник, генераторный разрядник и диэлектрический корпус. Корпус молниеотвода имеет снаружи поперечную ребристость. Секции наружного защитного многосекционного разрядника посажены на боковые стержни и выступают за пределы поперечной ребристости корпуса. Внутри корпуса расположены накопительные блоки. Каждый из этих блоков образован цепочкой из последовательно включенных накопительного конденсатора и генераторного разрядника, определяющей последовательное соединение блоков между собой, при параллельном подключении к ней зарядного резистора в каждом блоке. Верхний накопительный блок в точке соединения генераторного разрядника и зарядного резистора электрически связан с нижней обкладкой формирующего конденсатора. Верхняя обкладка формирующего конденсатора соединена с центральным стержнем-молниеприемником и верхними боковыми стержнями. Точки соединения генераторных разрядников и верхних обкладок накопительных конденсаторов накопительных блоков связаны с соответствующими последующими боковыми стержнями. Нижняя обкладка накопительного конденсатора нижнего накопительного блока подключена к центральному стержню заземления и к нижней секции наружного многосекционного разрядника. Технический результат - повышение надежности молниезащиты. 1 ил.

Молниеотвод, содержащий центральный стержень-молниеприемник, центральный стержень заземления, боковые стержни, наружный многосекционный защитный разрядник, генераторный разрядник и диэлектрический корпус, отличающийся тем, что диэлектрический корпус имеет снаружи поперечную ребристость, секции наружного многосекционного защитного разрядника посажены на боковые стержни и выступают за пределы поперечной ребристости диэлектрического корпуса, внутри диэлектрического корпуса расположены накопительные блоки, каждый из которых образован цепочкой из последовательно включенных накопительного конденсатора и генераторного разрядника при последовательном соединении блоков между собой и параллельном подключении к упомянутой цепочке зарядного резистора в каждом блоке, при этом верхний накопительный блок в точке соединения генераторного разрядника и зарядного резистора электрически связан с нижней обкладкой формирующего конденсатора, верхняя обкладка которого соединена с центральным стержнем-молниеприемником и верхними боковыми стержнями, а точки соединения генераторных разрядников и верхних обкладок накопительных конденсаторов накопительных блоков связаны с соответствующими последующими боковыми стержнями, причем нижняя обкладка накопительного конденсатора нижнего накопительного блока подключена к центральному стержню заземления и к нижней секции наружного многосекционного защитного разрядника.