МОЛНИЕОТВОД Российский патент 2003 года по МПК H02G13/00 H02H9/06 

Изобретение относится к средствам 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.

Применяемый для этих целей молниеотвод [1] содержит генераторный электрод, боковые антенны-молниеприемники, разрядники, преобразователи энергии электрического поля, накопители энергии и центральный стержень заземления. Разрядник помещен в промежутке между центральным стержнем заземления и генераторным электродом. Аналогичные разрядники размещены в разрывах боковых антенн-молниеприемников. Первый вход преобразователя энергии подключен к генераторному электроду, второй вход - к центральному стержню заземления, а выходы соединены со входами накопителей энергии, выходы которых включены между центральным стержнем заземления и рабочими концами соответствующих боковых антенн.

Недостатком известного устройства является высокая сложность исполнения и, как следствие, недостаточная надежность при защите объектов от поражения молнией.

Известен также молниеотвод [2], содержащий центральный стержень-молниеприемник, центральный стержень заземления, боковые стержни и диэлектрический корпус с металлической крышкой, в которую вставлен центральный стержень-молниеприемник. Этот молниеотвод содержит также повышающие трансформаторы, изолирующие трансформаторы, многосекционный и генераторный разрядники, а также конденсатор, помещенный внутри корпуса. Боковые стержни закреплены на наружных стенках корпуса и соединены с одной из обкладок конденсатора и одним из выводов генераторного разрядника.

Недостатком этого устройства является необходимость подбора электромагнитных параметров для его срабатывания при приближении к защищаемому объекту лидера молнии определенного типа. Однако такая защита обеспечивается не во всех случаях и, следовательно, не всегда является достаточно надежной.

Наиболее близким к заявленному устройству, по мнению заявителей, по своему назначению и исполнению является устройство [3], которое содержит диэлектрический корпус с поперечной ребристостью, в диэлектрическую крышку которого вставлен центральный стержень молниеприемник, боковые стержни расположены на поверхности корпуса, а центральный стержень заземления вставлен в основание корпуса. В корпус помещены обкладки конденсаторов, соединенные с внутренними разрядниками. В корпус, кроме того, помещена резистивная цепь из последовательно соединенных резисторов.

Верхняя обкладка верхнего конденсатора соединена с центральным стержнем молниеприемником. Боковые стержни выполнены заодно с наружными разрядниками и вставлены в углубления ребристости корпуса. При этом они соединены с верхними обкладками конденсаторов и с внутренними генераторными разрядниками. Центральный стержень заземления вставлен в основание корпуса.

Недостатком устройства-прототипа является весьма ограниченный срок его службы и недостаточно высокая надежность, вытекающие из его конструкции.

Авторы изобретения направили свои усилия на усовершенствование конструкции устройства-прототипа. При этом крышка корпуса выполнена проводящей. Внутрь корпуса помещена вторая резистивная цепь, идентичная первой, причем резисторы обеих резистивных цепей имеют одинаковые номиналы, а число резисторов в обеих цепях одинаково. При этом первые выводы резисторов первой цепи подключены к верхним пластинам конденсаторов, а первые выводы резисторов второй цепи - к их нижним пластинам. Кроме того, в целях повышения срока службы молниеотвода корпус его заполнен диэлектриком, обладающим свойством самовосстановления его исходных свойств после срабатывания устройства.

Общими признаками заявляемого устройства и прототипа являются следующие:
- молниеотвод содержит диэлектрический корпус с поперечной ребристостью;
- в крышку корпуса вставлен центральный стержень молниеприемник;
- молниеотвод содержит боковые стержни;
- молниеотвод содержит центральный стержень заземления;
- в корпус помещены обкладки конденсаторов, соединенные с внутренними разрядниками;
- в корпус помещена резистивная цепь из последовательно соединенных резисторов;
- верхняя обкладка верхнего конденсатора соединена с центральным стержнем-молниеприемником;
- нижняя обкладка нижнего конденсатора соединена с центральным стержнем заземления.

Таким образом, отличительные признаки заявляемого устройства сводятся к следующим:
- крышка корпуса выполнена проводящей;
- боковые стержни вставлены в крышку корпуса;
- в корпус помещены две цепи последовательно соединенных резисторов, число которых и их номиналы в каждой цепи одинаковы;
- первые выводы резисторов первой резисторной цепи подключены к верхним обкладкам конденсаторов;
- первые выводы резисторов второй резисторной цепи подключены к нижним обкладкам конденсаторов;
- разрядники расположены на смежных обкладках соседних конденсаторов;
- обкладки конденсаторов помещены в заполняющую корпус диэлектрическую среду;
- верхняя обкладка верхнего конденсатора соединена с крышкой корпуса;
- нижняя обкладка нижнего конденсатора соединена с центральным стержнем заземления;
- диэлектрик, заполняющий корпус и зазоры между обкладками, способен к самовосстановлению исходных свойств после срабатывания устройства.

Предлагаемый молниеотвод представлен на чертеже. Он содержит диэлектрический корпус 1, закрытый сверху металлической крышкой 2. В крышку 2 вставлен центральный стержень-молниеприемник 3 и боковые стержни 4, а в нижнее отверстие корпуса 1 - центральный стержень заземления 5. Корпус 1 заполнен диэлектриком 6. В корпус 1 помещены металлические конденсаторные пластины 7, верхняя из которых 8 соединена с крышкой 2, а нижняя 9 - с центральным стержнем заземления 5. Разрядники 10 расположены на смежных пластинах 11 и 12 соседних конденсаторов 13 и 14. В корпус 1 также помещены две цепи 15 и 16 последовательно соединенных резисторов 17. При этом первые выводы 18 первой цепи 15 резисторов 17 подключены к верхним пластинам 19 конденсаторов 20, а первые выводы 21 второй цепи 16 резисторов 17 - к нижним пластинам 22 конденсаторов 20. Число резисторов 17 в обеих цепях 15 и 16, а также их номиналы одинаковы.

Конденсаторы 20 служат для накопления электрической энергии, а также выполняют в молниеотводе защитные функции многосекционного разрядника. Резисторные цепи 15 и 16 служат для зарядки конденсаторов 20. Центральный стержень-молниеприемник 3, боковые стержни 4, конденсаторы 20 и резисторные цепи 15 и 16 образуют генератор импульсного напряжения, возбуждаемый полем атмосферного электричества, а центральный стержень заземления служит для "стекания" зарядов на "землю".

Молниеотвод работает следующим образом.

На лидерной фазе развития молнии стержень-молниеприемник 3 и боковые электроды 4 поляризуются до возникновения на них коронного разряда. Ток коронного разряда заряжает конденсаторы 20 до напряжения, устанавливаемого разрядным промежутком на разрядниках 10. При этом зарядная цепь устройства такова, что все конденсаторы 20 заряжаются практически одновременно и в момент зарядки соединены параллельно. Разрядный промежуток самого нижнего разрядника 10 выбирается меньше остальных с тем, чтобы обеспечить пробой именно в этом месте. В момент приближения лидера молнии к молниеотводу напряженность электрического поля возрастает, что приводит в действие самый нижний разрядник 10. Искровой разряд соединяет последовательно два самых нижних конденсатора 20, в результате чего на последующем разряднике 10 напряжение скачком возрастает до удвоенного пробивного напряжения. Процесс этот развивается лавинообразно, и практически мгновенно (в считанные единицы микросекунд) все конденсаторы 20 соединяются последовательно, а на стержне-молниеприемнике 3 появляется импульс высокого напряжения, параметры которого зависят от емкости конденсаторов 20 и величины зарядных сопротивлений резисторов 17. Процесс сопровождается значительным возрастанием напряженности электрического поля на стержне-молниеприемнике 3 и возникновением на нем встречного лидера. В этот момент ток через резисторы 17 резко возрастает (до единиц ампер), при этом между пластинами конденсаторов 20 пробивное напряжение достигает критического значения, и все диэлектрические промежутки замыкаются искровым разрядом. Все резисторы 17 оказываются "закороченными" на время разряда молнии. Поскольку эти промежутки заполнены самовосстанавливающимся диэлектриком (например, воздухом), то по окончании разряда все его свойства возвращаются к исходным значениям, и работоспособность устройства восстанавливается.

Электромагнитные параметры устройства подбираются таким образом, что оно срабатывает при приближении лидера молнии к высоте ориентировки (150-200 метров) в фазе с его воздействием.

Импульс высокого напряжения инициирует встречный лидер. Все диэлектрические промежутки конденсаторов пробиваются, замыкая разряд молнии на "землю". Тем самым осуществляется защита от поражения молнией наружных объектов.

Таким образом, в сравнении с ближайшим аналогом предлагаемое устройство является более эффективным и реализуемым с помощью доступных технических средств.

Источники информации
1. Патент РФ 2090968, заявл. 15.05.95 (аналог).

2. Патент РФ 2101819, заявл. 12.05.96 (аналог).

3. Заявка 2001100224/09 от 03.01.2001 (решение о выдаче патента на изобретение от 05 февраля 2002) - прототип.

Изобретение относится к средствам защиты от повреждения объектов различного назначения при интенсивном воздействии атмосферного электричества. Молниеотвод содержит центральный стержень-молниеприемник, центральный стержень заземления, боковые стержни, диэлектрический корпус с металлической крышкой, в которую вставлены центральный стержень-молниеприемник и боковые стержни, а также с нижним отверстием, в которое вставлен центральный стержень заземления. В корпус помещены обкладки конденсаторов в виде металлических пластин и две последовательные цепи резисторов. Верхняя пластина верхнего конденсатора соединена с крышкой корпуса. Нижняя пластина нижнего конденсатора связана с центральным стержнем заземления. Разрядники расположены на смежных пластинах соседних конденсаторов. Первые выводы резисторов первой цепи подключены к верхним пластинам конденсаторов. Первые выводы резисторов второй цепи подсоединены к нижним пластинам конденсаторов. Число и номиналы резисторов в обеих цепях одинаковы. Корпус заполнен диэлектриком, обладающим способностью к самовосстановлению исходных свойств после срабатывания устройства. Технический результат заключается в повышении срока службы и увеличении эффективности устройства. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Молниеотвод, содержащий диэлектрический корпус с поперечной ребристостью, в крышку которого вставлены центральный стержень-молниеприемник и боковые стержни, а центральный стержень заземления вставлен в основание корпуса, при этом в корпус помещены обкладки конденсаторов, соединенные с внутренними разрядниками, а также по меньшей мере одна резистивная цепь из последовательно соединенных резисторов, причем верхняя обкладка верхнего конденсатора соединена с центральным стержнем-молниеприемником, нижняя обкладка нижнего конденсатора - с центральным стержнем заземления, отличающийся тем, что крышка выполнена проводящей, боковые стержни вставлены в нее, в корпус помещены две цепи последовательно соединенных резисторов, число которых и их номиналы в каждой цепи одинаковы, при этом первые выводы резисторов первой цепи подключены к верхним обкладкам конденсаторов, первые выводы резисторов второй цепи подключены к их нижним обкладкам, а разрядники расположены на смежных обкладках соседних конденсаторов. 2. Молниеотвод по п.1, отличающийся тем, что корпус и зазоры между обкладками заполнены диэлектриком, способным к самовосстановлению исходных свойств после срабатывания устройства.