МОЛНИЕОТВОД С УСКОРЕННОЙ ИОНИЗАЦИЕЙ ВОЗДУХА Российский патент 2008 года по МПК H02G13/00 

Целью настоящего изобретения является молниеотвод с ускоренной ионизацией воздуха, предназначенный для защиты строительных сооружений от атмосферных разрядов.

При определенных атмосферных условиях могут скапливаться облака, несущие отрицательный электрический заряд, направленный в сторону земли. В случае, когда такой заряд слишком велик и напряженность электрического поля превышает определенное пороговое значение, происходит полный электрический разряд или дуговой разряд. Первичный дуговой разряд вызывает ионизацию атомов воздуха в канале длиной 10-20 метров, которые в свою очередь ионизируют другие атомы, вызывая лавинную ионизацию, а по достижении земли - мгновенный разряд и поток положительных зарядов, скопившихся на земле, направленный к отрицательно заряженному облаку.

Молниеотводы различных конструкций применяют для управления электрическим разрядом и для регулирования потока заряда, направленного от облака к земле.

Широко известен молниеотвод Франклина простейшей конструкции, состоящий из металлического стержня, соединенного с землей и заостренного с одного конца. Острие стержня, помещенное в сильное электрическое поле, вызывает ионизацию воздуха в окружающем пространстве. Его принцип действия заключается в создании двух каналов, проводящих генерируемые ионы - отрицательного, от облака к земле и положительного, с некоторым запаздыванием, от острия молниеотвода в направлении облака, причем, чем выше они пересекаются, тем выше эффективность молниеотвода. Также было установлено, что эффективность молниеотвода тем выше, чем быстрее вокруг его острия произойдет ионизация, вызывающая образование второго, проводящего в направлении облака, канала, при этом существуют различные известные способы для увеличения указанной эффективности.

Один из этих способов заключается в ионизации воздуха с помощью радиоактивного источника, генерирующего свободные электрические заряды вокруг острия молниеотвода. Недостатком данного решения является тот факт, что в момент удара молнии радиоактивный элемент разрывается, вызывая радиоактивное загрязнение атмосферы.

Другой известный способ ускорения процесса ионизации воздуха заключается в ионизации воздуха с помощью заземленного пьезоэлектрического элемента, которым снабжены стержень молниеприемника и дополнительный электрический провод. Принцип действия этого молниеотвода заключается в преобразовании механического перемещения стержня молниеприемника под действием силы ветра в ионизирующую воздух низковольтную пульсацию, возникающую из-за того, что стержень молниеприемника оказывает давление на пьезоэлектрический элемент. Однако указанный молниеотвод выполняет свое назначение только при наличии ветра.

Также известен способ ускоренной ионизации с помощью электрической пульсации вокруг острия молниеотвода, изолированного от земли конденсатором и электронной системой. В этом способе острие молниеотвода электрически заряжается во время грозы и накопленный заряд аккумулируется в конденсаторе электрической системы, а затем преобразуется в высоковольтную пульсацию, увеличивающую электрический потенциал острия, что ускоряет ионизацию воздуха вокруг него, и в момент удара молнии происходит электрический разряд между конденсаторными электродами. Недостаток молниеотвода этого типа заключается в том, что конденсаторные электроды не соединены с металлическим элементом и, следовательно, в случае повреждения электронной системы указанный молниеотвод становится абсолютно бесполезным.

Также известен способ ускоренной ионизации воздуха вокруг острия главного электрода молниеотвода с помощью двух дополнительных электродов, расположенных ниже острия, причем электроды и острие соединены с землей через электронную систему, включающую в себя собирающие электроды. Эти электроды накапливают электрические заряды, преобразуемые электронной системой в высокое напряжение, подаваемое на боковые электроды, вызывающие ионизацию воздуха возле острия главного электрода. В этом способе ионизация воздуха происходит благодаря боковым электродам ниже главного электрода, что ограничивает эффективность данного молниеотвода.

Из патентного документа ЕР 0402552 также известен молниеотвод с ионизацией воздуха вокруг острия, состоящий из ионизационного электрода, последовательно соединенного через высоковольтную катушку с заземляющим электродом.

Ускоренная ионизация воздуха с одновременной защитой острия главного электрода от повреждения также была получена путем применения молниеотвода согласно польской патентной заявке Р-332387, состоящего из главного ионизационного электрода, имеющего разрядный электрод, соединенный последовательно с землей через катушку и магнето и по меньшей мере одного собирающего электрода, соединенного прямо с землей. В данном молниеотводе собирающий электрод расположен напротив и около разрядного электрода, причем магнето состоит из острия и расположенного напротив него плоского электрода. В этом решении электрическое поле от заряженного облака или от атмосферного разряда, нисходящее к земле, концентрируется на острие молниеотвода, которое играет роль собирающего электрода электрического поля, а затем электрический потенциал передается на острие магнето, вызывая ионизацию между ним и плоским электродом, что в свою очередь служит причиной роста потенциала на острие главного ионизационного электрода и вызывает ионизацию воздуха вокруг острия.

Было установлено, что эффективность работы молниеотвода в значительной степени зависит от уровня ионизационного тока, т.е. потока электрического заряда, начинающегося на острие главного электрода, поскольку генерируемые ионы являются источником лавинообразной реакции, сопровождающей электрический пробой воздуха.

Целью настоящего изобретения является разработка простой и надежной конструкции молниеотвода, позволяющей ускорить ионизацию воздуха вокруг его острия с одновременным значительным увеличением эффективности его работы.

Сущность конструктивного решения молниеотвода согласно изобретению заключается в том, что высоковольтная катушка расположена внутри металлического усиливающего электрода, верхний торец которого имеет заглушку и последовательно соединен с острием главного ионизирующего электрода, причем пространство между указанной катушкой и усиливающим электродом заполнено твердым диэлектриком, предпочтительно полиуретановой смолой. Диаметр усиливающего электрода равен от 1,3 до 5,0 диаметров высоковольтной катушки. Усиливающий электрод предпочтительно изготовлен из металла, в частности из стального листа. Также предпочтительно усиливающий электрод изготовлен в виде металлического покрытия. Также предпочтительно усиливающий электрод имеет диаметр в пределах от 20 мм до 100 мм, более предпочтительно 50 мм; длину - в пределах от 50 мм до 1000 мм, предпочтительно 350 мм, а толщину - в пределах от 0,2 мм до 50 мм, предпочтительно 2 мм.

Направленный снизу верх поток ионизированного воздуха ослабевает, создавая потенциал для облегчения пробоя между нисходящим фронтом грозового/атмосферного разряда.

В свою очередь высокое давление является барьером для резких скачков тока, вызывая грозовой разряд, идущий от внешнего электрода к заземляющему электроду в обход сердцевины молниеотвода, в результате катушка и магнето защищены от повреждения.

Цель настоящего изобретения будет раскрыта детальнее на примерах его осуществления, показанных на чертежах, где Фиг.1 - схематичный чертеж молниеотвода с ускоренной ионизацией воздуха, а Фиг.2 - схематичный чертеж модифицированного варианта исполнения этого молниеотвода.

Молниеотвод с ускоренной ионизацией воздуха, представленный на Фиг.1, состоит из главного ионизационного электрода 1 с острием 2, последовательно соединенным через усиливающий электрод 3 с высоковольтной катушкой 4 и с магнето, острие 5 которого расположено напротив плоского электрода, соединенного с заземляющим электродом 8 через внешний электрод 7, причем верхний участок внешнего электрода 7 расположен напротив главного ионизационного электрода 1 и пространство между главным ионизационным электродом 1, внешним электродом 7, заземляющим электродом 8 и внутри усиливающего электрода 3 заполнено твердым диэлектриком 9, предпочтительно полиуретановой смолой.

Усиливающий электрод 3 образован тонким металлическим покрытием, нанесенным напылением на пластиковую трубку 10, закрытую со стороны главного ионизационного электрода 1 заглушкой 11 и имеющую отверстие, расположенное выше магнето 5. Усиливающий электрод 3 с длиной 100 мм и диаметром 50 мм имеет металлическое покрытие толщиной 0,2 мм, нанесенное напылением на пластиковую трубку 10, причем усиливающие электроды с длинами 50 мм и 500 мм и диаметрами 20 мм и 100 мм применялись в других вариантах осуществления настоящего изобретения.

Во втором варианте осуществления настоящего изобретения, представленном на Фиг.2, молниеотвод состоит из ионизирующего воздух острия 2, последовательно соединенного через цилиндрический усиливающий электрод 3 с высоковольтной катушкой 4 и с острием 5 магнето, расположенным напротив плоского электрода 6, соединенного с заземляющим электродом 8, причем плоский электрод 6 расположен возле отверстия цилиндрического усиливающего электрода 3. В этом случае усиливающий электрод 3 изготовлен из металлической трубки толщиной 2 мм, длиной 350 мм и диаметром 75 мм, имеющей заглушку с одной стороны, причем в других вариантах осуществления настоящего изобретения применяли усиливающие электроды толщиной 1,0 мм, длиной 100 мм и диаметром 25 мм, или толщиной 5 мм, длиной 500 мм и диаметром 75 мм, или толщиной 50 мм, длиной 100 мм и диаметром 100 мм.

Применение усиливающего электрода 3 позволяет аккумулировать больший электрический заряд, индуцированный электрическим полем атмосферного разряда и создающий систему распределенной емкости между указанным электродом и высоковольтной катушкой, в которой возникает электрический ток, т.е. ионизационный ток для системы генерации ионов.

Контрольно-тестовым способом были определены оптимальные размеры усиливающего электрода 3, при этом было установлено, что увеличение диаметра электрода ведет к росту аккумулируемого электрического заряда, в то время как увеличение расстояния между высоковольтной катушкой 4 и усиливающим электродом 3 уменьшает емкость, причем увеличение диаметра указанной катушки ухудшает ее эффективность.

Таким образом, оптимальными являются условия, когда диаметр усиливающего электрода 3 равен от 1,3 до 5,0 диаметров высоковольтной катушки 4. При диаметре катушки 30 мм оптимальный диаметр усиливающего электрода 3 равен 50 мм. В свою очередь, если сопротивление ветру будет увеличено, оптимальная длина усиливающего электрода 3 должна равняться 350 мм.

В варианте исполнения молниеотвода, представленном на Фиг.1, наличие потока постоянного тока по всей длине высоковольтной катушки (4) не так ярко выражено, как ее электрический потенциал, то же самое относится к усиливающему электроду 3, и в случае ослабления тока, протекающего через указанную катушку, происходит падение напряжения по всей ее длине и возникает результирующая разность потенциалов между наружными участками обмотки указанной катушки и усиливающим электродом 3. Потом происходит разряд конденсаторов распределенной емкости, т.е. обеспечение электрической энергией в виде дополнительного тока в высоковольтной катушке (4), имеющего форму гармонических высокочастотных колебаний тока.

Таким образом, возникающие новые высокие гармонические высокочастотные колебания тока генерируют дополнительные скачки напряжения, увеличивающие ионизацию вокруг острия 2 главного ионизационного электрода 1.

Ионизационный ток, полученный в результате такого решения, возрастает в несколько раз, а эффективность молниеотвода возрастает почти вдвое.

В свою очередь, в варианте исполнения молниеотвода, представленном на Фиг.2, усиливающий электрод 3 используют для передачи тока электрического разряда к заземляющему электроду 8, соответствующему внешнему электроду 7, представленному в варианте исполнения на Фиг.1. В этом случае усиливающий электрод 3 нужно изготавливать из металла, более толстого по сравнению с первым вариантом, где можно обойтись только тонким металлическим покрытием.

Изобретение относится к области электротехники. Техническим результатом является упрощение конструкции, повышение надежности и увеличение эффективности работы. Молниеотвод с ускоренной ионизацией воздуха вокруг его острия состоит из главного ионизационного электрода, соединенного последовательно через высоковольтную катушку и магнето с заземляющим электродом. Высоковольтная катушка (4) расположена внутри металлического усиливающего электрода (3), закрытый верхний торец которого соединен с острием (2) главного ионизационного электрода (1). Пространство между усиливающим электродом (3) и высоковольтной катушкой (4) заполнено твердым диэлектриком (9). Усиливающий электрод (3) изготовлен из металла, предпочтительно из листовой стали или в виде металлического листового покрытия. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Молниеотвод с ускоренной ионизацией воздуха вокруг его острия, состоящий из главного ионизационного электрода, соединенного последовательно через высоковольтную катушку и магнето с заземляющим электродом, отличающийся тем, что высоковольтная катушка (4) расположена внутри металлического усиливающего электрода (3), верхний торец которого, имеющий заглушку, соединен с острием (2) главного ионизационного электрода (1).2. Молниеотвод по п.1, отличающийся тем, что пространство между усиливающим электродом (3) и высоковольтной катушкой (4) заполнено твердым диэлектриком (9).3. Молниеотвод по п.2, отличающийся тем, что твердый диэлектрик предпочтительно является полиуретановой смолой.4. Молниеотвод по п.1, отличающийся тем, что диаметр усиливающего электрода (3) равен от 1,3 до 5,0 диаметров высоковольтной катушки (4).5. Молниеотвод по п.1, отличающийся тем, что усиливающий электрод (3) изготовлен из металла, предпочтительно из стального листа.6. Молниеотвод по п.1, отличающийся тем, что усиливающий электрод выполнен в виде металлического листового покрытия.7. Молниеотвод по п.1, отличающийся тем, что усиливающий электрод (3) имеет диаметр в пределах от 20 до 100 мм, предпочтительно 50 мм.8. Молниеотвод по п.1, отличающийся тем, что усиливающий электрод (3) имеет длину в пределах от 50 до 1000 мм, предпочтительно 350 мм.9. Молниеотвод по п.1, отличающийся тем, что усиливающий электрод (3) имеет толщину в пределах от 0,2 до 50 мм, предпочтительно 2 мм.