УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЫРАВНИВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ Российский патент 2019 года по МПК H05F3/04 

ОБЪЕКТ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение, как сформулировано в названии настоящего описания, относится к устройству для выравнивания переменного электрического поля, обладающему преимуществами и новыми признаками, являющимися усовершенствованием по отношению к известному уровню техники, которые далее будут объяснены более подробно.

В частности объектом настоящего изобретения является устройство, назначение которого состоит в защите людей, животных и установок на суше и на море от прямых атмосферных электрических разрядов и сведении к минимуму до допустимых пределов внешних наведенных перенапряжений, обусловленных ударами молнии на участках, расположенных вблизи защищаемых установок, для защиты которых посредством улавливающего электрода и приемного электрода, изолированных друг от друга, а также клапана расширения и сжатия, устройство выполняет компенсацию электрического поля в непосредственной близости к месту его установки во всех случаях изменения электрического поля, при этом напряженность электрического поля ниже предельного значения, при котором возможен пробой диэлектрической воздушной среды и, соответственно, соединение нисходящего разряда-лидера с потенциальным восходящим разрядом-лидером, формируемым в устройстве.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Область техники настоящего изобретения является частью промышленного сектора, связанного с производством оборудования и устройств для защиты от атмосферных электрических разрядов.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

По мнению научного сообщества, в настоящее время в отношении систем защиты от атмосферных разрядов, а именно пассивных систем молниезащиты Франклина, как правило, повсеместно приняты стандарты на существующие молниеотводы, и распространены различные их производители. Несмотря на это, следует помнить, что они представляют собой системы, как известно, состоящие главным образом из металлической мачты с молниеуловителем, выступающим над зданием. Такие системы молниезащиты присоединяют к электрическому заземлению посредством медного проводника, изготовленного с использованием металлических стержней, при этом они незамедлительно компенсируют электрическое поле, т.е. за микросекунды, чтобы в результате разность приближенных потенциалов между нисходящим разрядом-лидером и восходящим разрядом-лидером составляла около 500 кВ. Когда происходит удар молнии в молниеуловитель, на самом молниеуловителе и на защищаемом сооружении возникают различные электрические и электромагнитные явления, зависящие от силы удара молнии (которые никогда не могут быть известны заранее), они могут привести к разрушению защищаемой установки и/или к ущербу для людей или животных с непредсказуемыми последствиями.

К тому же специалисты в данной области неоднократно проводили оценку молниеотводов с ранней эмиссией стримера, делая вывод, что эти системы не доказывают свою эффективность в части притягивания молнии за меньшее время по сравнению с пассивной системой молниезащиты в основном из-за того факта, что дополнительная нагрузка, создаваемая ими на конце молниеуловителя за счет энергии, накапливаемой устройством с ранней эмиссией стримера, не влияет на так называемое расстояние воздействия.

Специалисты также провели оценку так называемых систем переноса заряда (CTS - Charge Transfer System), заключив, что нет никаких научных аргументов или экспериментального подтверждения в поддержку возможности предотвращения с помощью систем переноса заряда воздействия удара молнии на сооружение при заданных условиях. Заряд, излучаемый типовой системой в условиях грозы, пренебрежимо мал по сравнению с зарядом волновода или нисходящим разрядом-лидером. Регистрация воздействий в установках такого типа показывает, что в лучшем случае на них можно полагаться как на традиционные молниеотводы.

Принимая во внимание эти исследования и научные оценки, а также учитывая, что заряды, генерируемые как в облаке, так и на земле, не ограничены, и ни при каких обстоятельствах не представляется возможным сгенерировать пространственный заряд, достаточно большой для того, чтобы скомпенсировать электрическое поле вблизи сооружения, в частности, потому что величина генерируемого заряда гораздо больше, чем компенсируемый пространственный заряд, являющийся, следовательно, пренебрежимо малым. Становится ясно, что единственный способ предотвратить удар молнии в сооружение - это не допустить образования восходящего разряда-лидера в системе молниезащиты, для чего необходимо обеспечить непрерывное снижение напряженности электрического поля, связанного с молниеотводом, во время грозы, при этом электрическое поле в любом случае будет постоянно изменяться, и устройство, предлагаемое в настоящем изобретении, основано на достижении этого результата.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Устройство для выравнивания переменного электрического поля, предлагаемое в настоящем изобретении, следовательно, основано на недопущении вышеуказанного явления, и учитывает то, что в любом случае устройство будет ограничено работой в реальных условиях, зависящих от скорости формирования возможного удара молнии, иными словами, от скорости роста напряженности электрического поля и достижения ею предельного значения, зависящего от скорости образования токов утечки, с появлением перемежающихся и/или последовательных изменений электрического поля в его рабочей среде. Предлагаемое устройство обеспечивает компенсацию электрического поля в непосредственной близости к месту установки устройства, тем самым предотвращая в данной окружающей среде достижение предела напряженности электрического поля.

Эта компенсация электрического поля ни при каких обстоятельствах не зависит от количества существующих зарядов в окружающей среде, так как они не ограничены, и нет возможности добиться высокой степени деионизации на защищаемом сооружении и/или в непосредственной близости к месту установки системы молниезащиты, а также совершенно невозможно препятствовать формированию удара молнии в грозовой системе, однако то, чего можно достичь, так это компенсации электрического поля в окружающей среде, обеспечивающей снижение предельного значения напряженности. В результате времени, которое необходимо для генерирования достаточного потенциала для образования восходящего разряда-лидера, не достаточно, что предотвращает воздействие удара молнии на защищаемое сооружение. Следовательно, устройство для выравнивания переменного электрического поля в настоящем изобретении препятствует формированию восходящих разрядов-лидеров как на самом устройстве, так и на защищаемом сооружении.

Поэтому в соответствии с определенным способом в настоящем изобретении предложено устройство, предназначенное для компенсации электрического поля, существующего в непосредственной близости к месту установки устройства, каждый раз, когда поле подвергается небольшому изменению, посредством смещения напряженности электрического поля в указанной области ниже предельного значения, которое может привести к пробою диэлектрической воздушной среды и, следовательно, к соединению формируемого нисходящего разряда-лидера с восходящим разрядом-лидером, потенциально генерируемым в устройстве.

За счет такой компенсации, которая будет постоянной, последовательной и/или непрерывной, зависящей от изменений поля, существующего в данной области, устройство в настоящем изобретении предотвращает формирование восходящего разряда-лидера. Таким образом, потенциальные электрические и электромагнитные воздействия на защищаемые сооружения, а также людей и/или животных, находящихся в зонах защиты, значительно минимизируются.

С этой целью устройство образовано из верхнего пассивного улавливающего элемента, функционирующего в качестве улавливающего электрода, нижнего пассивного улавливающего элемента, функционирующего в качестве приемного электрода, и изоляционного элемента, устанавливаемого между ними двумя, при этом он имеет геометрическую форму, покрывающую нижнюю часть приемного электрода, для создания защитной изоляции, подходящей для предотвращения воздействия молнии на указанный нижний элемент в том случае, если в данном приемном элементе существует потенциальная возможность образования восходящего разряда-лидера, поскольку изоляционный элемент не обладает способностью проводить с достаточной скоростью утечку тока из системы, содержащей устройство из трех вышеописанных элементов.

Важно отметить, что указанное расположение и геометрическая форма изоляционного элемента, покрывающего нижний пассивный улавливающий элемент вплоть до его нижнего основания, имеют существенное значение для правильного функционирования устройства.

Кроме того, в устройстве, предлагаемом в настоящем изобретении, предусмотрена установка в нижнем основании нижнего пассивного улавливающего элемента клапана расширения и сжатия, служащего для протекания тока и/или поглощения внешних наведенных перенапряжений.

Соответственно, этот клапан выполнен таким образом, что он расширяется, когда имеет место ток утечки, и сбрасывает перенапряжение, возникающее в этом процессе. И после того, как устройство молниезащиты, состоящее из верхнего пассивного улавливающего элемента, или улавливающего электрода, нижнего пассивного улавливающего элемента, или приемного электрода, и изоляционного элемента, на некоторое время завершило компенсацию поля, клапан сжимается и прекращает свое действие.

Следовательно, этот клапан является основным элементом устройства, поскольку без него устройство молниезащиты могло бы быть разрушено при протекании любого процесса компенсации поля.

Если перенапряжение, возникающее внутри устройства молниезащиты, потенциально может привести к превышению его рабочего предела, приблизительно составляющего порядка 200 кА, и, следовательно, устройство может быть разрушено, клапан расширения и сжатия также функционирует как предохранительный клапан и выскакивает со своего места, предотвращая разрушение устройства под действием перенапряжения. Логично, что при возникновении такой ситуации устройство прекратит свою работу до тех пор, пока клапан не будет возвращен на место.

Также стоит упомянуть о том, что устройство молниезащиты устанавливают на крепежной мачте, имеющей соединение с землей и служащей исключительно в качестве анкерного элемента для правильного размещения устройства на защищаемом сооружении.

В свою очередь, установка будет осуществляться путем вертикального расположения устройства предпочтительно на расстоянии по меньшей мере 80 см от наивысшей точки сооружения. Могут защищаться как отдельные сооружения, так и целые участки, для чего должна предусматриваться установка нескольких устройств, служащих для защиты по всему периметру, в зависимости от радиуса покрытия устройств, при этом их соединяют с системой заземления и прикрепляют к общему заземлению, функционирующему в качестве конечной точки, куда в конечном итоге могут стекать различные утечки тока.

Также в зависимости от типа защищаемого сооружения и/или участка и их уровня риска, устройство может иметь различные конструкции, а при его изготовлении могут использоваться различные виды материалов.

Таким образом, верхний пассивный улавливающий элемент и нижний пассивный улавливающий элемент с внешней стороны могут иметь различные геометрические формы, которые будут зависеть от требований к защите сооружений.

И наконец, следует отметить, что для правильного функционирования предлагаемого устройства для выравнивания расстояние между верхним пассивным улавливающим элементом и нижним пассивным улавливающим элементом будет зависеть от коэффициента проводимости материалов указанных элементов и от промежуточного изоляционного элемента, именно эта взаимосвязь будет являться основной для обеспечения эффективности работы устройства.

Следовательно, устройство для выравнивания переменного электрического поля имеет инновационную конструкцию с неизвестными до настоящего времени особенностями, предназначенными для той цели, ради которой разработано устройство, а его практическая полезность дает достаточные основания для получения испрашиваемого исключительного права на использование патента.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дополнение к приведенному описанию изобретения, а также для того, чтобы помочь лучше понять характерные признаки изобретения, прилагается настоящая описательная часть, представляющая собой неотъемлемую часть описания изобретения, где с помощью чертежей, используемых для иллюстрации, но не ограничиваясь ими, представлено следующее:

на Фиг. 1 показан схематичный вид в вертикальной проекции характерного варианта реализации устройства для выравнивания переменного электрического поля, являющегося объектом изобретения, где видна общая внешняя конструкция и основные части и элементы, составляющие ее, также с помощью пунктирных линий показан контур нижнего пассивного улавливающего элемента, показывающий, что он накрыт сверху и скрыт под изоляционным элементом; и

на Фиг. 2 показан вид в вертикальном разрезе того же примера устройства, предлагаемого в изобретении, который изображен на Фиг. 1, где можно увидеть конструкцию и расположение ее частей внутри.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

С учетом описанных чертежей и в соответствии с используемой нумерацией здесь представлен характерный предпочтительный вариант реализации устройства для выравнивания переменного поля настоящего изобретения, содержащий части и элементы, обозначенные и подробно описанные ниже, который не следует считать ограничивающим.

Таким образом, как видно из приведенных чертежей, раскрываемое устройство (1) изготовлено в виде полой конструкции, содержащей верхний пассивный улавливающий элемент (2), служащий в качестве улавливающего электрода, и нижний пассивный улавливающий элемент (3), служащий в качестве приемного электрода, при этом оба элемента (2, 3) могут иметь различные геометрические формы с наружной стороны, например, полусферическую, как в показанном примере; и электрический изоляционный элемент (4), расположенный между верхним (2) и нижним (3) элементами, обеспечивающий их разнесение друг от друга на расстояние (d), зависящее от коэффициента проводимости материалов, входящих в состав элементов, при этом геометрическая форма изоляционного элемента такова, что помимо внутреннего разделения двух элементов, он закрывает снаружи нижний элемент (3) подобно юбке до уровня его нижнего основания, предотвращая таким образом воздействие удара молнии на нижний элемент (3), который потенциально может привести формированию восходящего разряда-лидера.

Кроме того, предпочтительно в нижнем основании нижнего пассивного улавливающего элемента (3), служащего в качестве приемника, устройство имеет клапан (5) расширения и сжатия, соединяющий внешнюю сторону полой конструкции с ее внутренней стороной, расширяющийся в фазах прохождения тока и/или поглощения внешних наведенных перенапряжений и сжимающийся в конце процесса компенсации поля.

Кроме того, этот клапан (5) также является предохранительным клапаном, выскакивающим со своего места в том случае, если перенапряжение, генерируемое внутри полой конструкции, образующей верхний улавливающий элемент (2), нижний приемный элемент (3) и изоляционный элемент (4), превышает свой рабочий предел.

В дополнение к этому, данную конструкцию устанавливают, соединяя ее с крепежной мачтой (6), имеющей соединение (7) с заземлением, чтобы закрепить ее на защищаемом сооружении.

С учетом вышесказанного устройство осуществляет компенсацию электрического поля, существующего в непосредственной близости от места его установки каждый раз, когда электрическое поле подвергается изменению, как правило, обусловленному ударом молнии, смещая напряженность электрического поля ниже предельного значения, которое может вызвать пробой диэлектрической воздушной среды и, следовательно, привести к соединению генерируемого нисходящего разряда-лидера с потенциальным восходящим разрядом-лидером, генерируемым в устройстве.

После полного раскрытия сущности настоящего изобретения, а также способа его практического применения считается, что для любого специалиста в данной области техники нет необходимости подробно разбирать объяснение сути изобретения, чтобы понять объем и преимущества, которые оно дает, при этом утверждается, что по своей сущности изобретение можно применять на практике в других вариантах реализации, детально отличающихся от тех, что приведены в качестве примера, и которые также входят в объем испрашиваемой защиты при условии, что основной принцип изобретения не будет переделан, изменен или модифицирован.

Изобретение относится к области электротехники. Технический результат – предотвращение образования восходящего разряда-лидера. Устройство для выравнивания переменного электрического поля, выполненное в виде полой конструкции с геометрическими формами, которые могут различаться с внешней стороны, содержит верхний пассивный улавливающий элемент (2), служащий в качестве улавливающего электрода, нижний пассивный улавливающий элемент (3), служащий в качестве приемного электрода, и изоляционный элемент (4), обеспечивающий разнесение электродов друг от друга на расстояние (d), зависящее от коэффициента проводимости материалов, также покрывающий снаружи нижний элемент (3) подобно юбке вплоть до его нижнего основания, предотвращая возникновение восходящего разряда-лидера, вызванного воздействием удара молнии на нижний элемент (3); также в устройстве предусмотрен клапан (5) расширения и сжатия, соединяющий внешнюю сторону полой конструкции с ее внутренней стороной, расширяющийся в фазах прохождения тока и/или поглощения внешних наведенных перенапряжений и сжимающийся в конце процесса компенсации поля. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для выравнивания переменного электрического поля, содержащее проводящие улавливающие элементы, разделенные электрическим изолятором, встроенным в мачту (6) с заземлением (7),

характеризующееся тем, что

оно состоит из полой конструкции, содержащей:

верхний пассивный улавливающий элемент (2), функционирующий в качестве улавливающего электрода, и

нижний пассивный улавливающий элемент (3), функционирующий в качестве приемного электрода, при этом оба элемента (2, 3) могут иметь различные геометрические формы с внешней стороны; и

изоляционный элемент (4), расположенный между верхним (2) и нижним (3) элементами, обеспечивающий их разнесение друг от друга на изменяемое расстояние (d), зависящее от коэффициента проводимости материалов, входящих в состав указанных элементов (2 и 3),

причем геометрическая форма изоляционного элемента (4) такова, что в дополнение к внутреннему разделению указанных двух элементов он с внешней стороны закрывает нижний элемент (3) подобно юбке вплоть до его нижнего основания, предотвращая воздействие удара молнии на нижний элемент (3), способного вызывать генерирование восходящего разряда-лидера;

причем конструкция также имеет клапан (5) расширения и сжатия, соединяющий внешнюю сторону полой конструкции с ее внутренней стороной, расширяющийся в фазах прохождения тока и/или поглощения внешних наведенных перенапряжений и сжимающийся в конце процесса компенсации поля.

2. Устройство для выравнивания переменного электрического поля по п. 1, характеризующееся тем, что верхний пассивный улавливающий элемент (2) и нижний пассивный улавливающий элемент (3) имеют полусферическую внешнюю форму.

3. Устройство для выравнивания переменного электрического поля по п. 1 или 2, характеризующееся тем, что клапан (5) также является предохранительным клапаном, выскакивающим со своего места, когда перенапряжение, генерируемое внутри полой конструкции, образованной верхним улавливающим элементом (2), нижним приемным элементом (3) и изоляционным элементом (4), превышает свой рабочий предел.

4. Устройство для выравнивания переменного электрического поля по любому из пп. 1-3, характеризующееся тем, что клапан (5) встроен в нижнее основание нижнего пассивного улавливающего элемента (3), служащего в качестве приемника.