Молниеприемник с опережающей эмиссией стримера с расширенными функциональными возможностями

Полезная модель относится к средствам защиты объектов и территорий различного назначения от прямых ударов молний, а именно - к молниеприемникам с опережающей эмиссией стримера (далее - МОЭС).
При создании системы молниезащиты преодолевается техническая проблема, связанная с возможностью дистанционного тестирования МОЭС в единой информационной сети и мониторинга грозовой деятельности на любой выбранной территории страны.
Из уровня техники известны молниеприемники МОЭС, которые создавались для повышения надежности и эффективности работы. Например, в патентах: RU 2467443 (опубликовано 20.11.2012), RU 2467524 (публикация 20.11.2012), RU 2562061 (публикация 10.09.2015), US 9166391 (публикация 20.10.2015) содержится информация о конструкции соответствующего молниеприемника, однако ни один из указанных молниеприемников не обладают функциями, позволяющими осуществлять дистанционное тестирование такого устройства и интегрировать такие устройства в единую сеть.
Таким образом, использование активных молниеприемников, способных к дистанционному тестированию с возможностью реализации современной модели М2М-коммуникаций посредством использования технологий «Интернета вещей» (IoT) является одним из путей решения указанной проблемы.
В описании используются термины «активный молниеприемник» и «молниеприемник с опережающей эмиссией стримера (МОЭС)» в качестве синонимов в зависимости от контекста и цитирования ниже соответствующего патентного документа, содержащего тот или иной термин.
В патенте RU 2334239 (публикация 20.09.2008) раскрыт активный молниеприемник, связанный с комплектом оборудования для дистанционной оценки его электрических параметров. В комплект оборудования входит измерительный блок, прикрепленный снаружи к головке молниеприемника с возможностью электрического соединения с данным молниеприемником. Измерительный блок, включающий группу конденсаторов, оснащен зондом, соединителем с заземляющим проводом и измерительным проводом; указанные конденсаторы соединены с измерительным проводом и с электромеханической системой с подвижным элементом, имеющим измерительные контакты, расположенные напротив неподвижных контактов заземляющего провода и измерительного провода, электрически соединенные с тестируемыми элементами молниеотвода, например, с электрической катушкой, разрядником и другими элементами. При этом электромеханическая система выполнена с приводом и механической растяжкой. После соединения измерительных контактов данные о фактических электрических параметрах тестируемых элементов головки молниеприемника поступают через группу конденсаторов по измерительному проводу и заземляющему проводу в память и на дисплей измерительного блока, откуда можно считывать результаты измерений.
Молниеприемник в качестве такой системы, обладая способностью к тестированию, характеризуется низкой степенью компактности ввиду наличия электрических и механических элементов с приводом и растяжкой, для которых предусматривается поверхность установки вблизи молниеприемника.
Кроме того, совокупность электрических и механических элементов приводит к необходимости их периодического обслуживания для обеспечения надежного функционирования системы.
Также наличие отдельно расположенного измерительного блока и дополнительных проводов увеличивает риск поражения электрических элементов МОЭС за счет электромагнитного импульса тока молнии.
Помимо вышесказанного, передача соответствующей информации возможна на расстояние не более 1000 м. По этой причине данный молниеприемник не может быть использован для создания сети дистанционного тестирования и мониторинга грозовой деятельности.
В патентном документе GR 1009625 (публикация 23.10.2019) приводятся сведения об активном молниеприемнике, в корпус которого введен выходной преобразователь, обеспечивающий передачу сигнала о состоянии молниеприемника к пульту дистанционного контроля, при этом молниеприемник снабжен солнечной батареей для обеспечения беспроводной связи с пультом дистанционного контроля, находящегося на расстоянии не более 100 м.
При использовании данного молниеприемника проявляется свойство компактности при расширении функциональных возможностей тестирования работы устройства. Однако такое тестирование обусловлено расстоянием, не превышающим 100 м, то есть данное обстоятельство приводит к выводу об ограничении применения таких молниеприемников в связи с ограниченной дальностью для устойчивой беспроводной связи.
Ограниченность дальности передачи информации характеризуют анализируемый молниеприемник непригодным для организации дистанционного тестирования с применением технологии М2М(IoT)-коммуникаций.
В описании к патенту FR 2911402 (публикация 16.07.2008) содержится информация об активном молниеприемнике, входящем в каждую из объединенных в сеть станцию управления, при этом сеть таких станций может быть сформирована исходя их потребности в мониторинге грозовой деятельности на любой выбранной территории.
Известный активный молниеприемник содержит корпус с наконечником, токоотвод, при этом корпус молниеприемника связан посредством электрического соединения с блоком управления, размещенном в доступном для пользователя месте, например, внутри помещения. Кроме того, токоотвод охватывает тороидальный индуктивный датчик тока, обеспечивающий передачу сигнала в блок управления, который, в свою очередь, выполнен с возможностью передачи данных в удаленный блок сбора и передачи данных, в том числе о количестве ударов молнии и параметрах тока молнии.
Использование известного устройства сосредоточено только в рамках возможности построения сети мониторинга с использованием многоступенчатой связи данного молниеприемника с удаленным сервером. Данное обстоятельство не является рациональным для использования данного МОЭС при построении сети дистанционного мониторинга.
В патентном документе KR 101817760 (публикация 11.01.2018) раскрыт активный молниеприемник, оснащенный внешними и внутренними блоками, предназначенными для работы устройства дистанционного управления процессом тестирования работоспособности с возможностью передачи необходимой информации на удаленный сервер. Внешние блоки крепятся к опоре с помощью кронштейна и связаны с молниеприемником с помощью проводного типа соединения. Молниеприемник снабжен солнечной батареей в качестве источника питания для устройства дистанционного управления.
Использование известного молниеприемника при наличии внешнего блока и проводного типа связи с внешним блоком увеличивает риск поражения электрических элементов МОЭС за счет электромагнитного импульса тока молнии.
Кроме того, использование рассматриваемого молниеприемника в модели М2М-коммуникаций предусматривает его адаптацию с возможностью введения внутренних функциональных блоков, обеспечивающих процесс удаленного тестирования и регистрацию показаний о его работе.
В патентном документе CN 106099649 (публикация 09.11.2016) раскрыт активный молниеприемник (выбран в качестве ближайшего аналога), включающий корпус с острием и токоотводом, который оснащен блоком управления испытаниями работоспособности, выполненным с возможностью беспроводной связи с тестером и удаленным терминалом. При этом блок управления тестированием включает в себя блок управления, генератор тестового сигнала, приемник обратной связи тестового сигнала, блок системной связи, датчик параметров удара молнии и тестовый интерфейс.
Известное устройство по патентному документу CN 106099649 привносит удобство в реализацию модели М2М/IoT-коммуникаций, так как указанный молниеприемник выполнен с расширением возможностей, связанных с управлением тестирования, однако при практическом воплощении известное устройство характеризуется недостаточной надежностью вследствие необходимости монтажа блока управления испытаниями на токоотводе.
Кроме того, обращая внимание на функции электронных блоков, следует сделать вывод об ограничении возможностей устройства с точки зрения хранения информации о тестировании и параметрах тока молнии.
Таким образом, существующая техническая проблема заключается в расширении арсенала молниеприемников с опережающей эмиссией стримера, обеспечивающих удобство идентификации и интеграции в сеть для создания системы молниезащиты при сохранении минимального риска воздействия электромагнитного импульса молнии на электронные блоки таких молниеприемников за счет размещения данных блоков в корпусе устройства.
Техническая проблема решается с помощью предлагаемого молниеприемника с опережающей эмиссией стримера (МОЭС), который включает корпус, имеющий острие, опорный стержень, при этом в корпус введены электрические блоки, представляющие собой связанный с острием генератор импульсов (ГИ), тестер, обеспечивающий диагностику работоспособности ГИ, контроллер, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), приемо-передающее устройство (ППУ) и преобразователь сигнала для преобразования сигнала датчика тока, конструктивно предназначенного для установки снаружи корпуса, причем преобразователь сигнала связан с указанным датчиком тока через разъем в корпусе, контроллер содержит два программных модуля обработки информации, представляющие собой первый программный модуль обработки информации о факте прямого удара молнии и о параметрах тока молнии, первый вход которого связан с выходом преобразователя сигнала, а первый выход связан с ППУ для передачи данных о факте прямого удара молнии и о параметрах тока молнии, второй программный модуль обработки информации о работоспособности ГИ, первый вход данного модуля связан со вторым выходом первого программного модуля для получения информации о факте прямого удара молнии и с выходом ППУ для получения информации о штатном тестировании вне грозовой обстановки, первый выход связан с входом тестера, второй вход связан с выходом тестера для приема сигнала о состоянии работоспособности ГИ, второй выход связан с ППУ для передачи информации о работоспособности ГИ, вход ОЗУ связан с первым выходом первого программного модуля для записи и хранения полученной информации о количестве ударов молнии и параметрах тока молнии, при этом ОЗУ связано с ППУ через контроллер; корпус снабжен средством электропитания, снаружи корпуса установлена антенна ППУ.
В МОЭС: датчик тока на основе катушки Роговского установлен вокруг опорного стержня, выполняющего функцию токоотвода; средство электропитания представляет собой установленные снаружи корпуса солнечные батареи, связанные с размещенными внутри корпуса контроллером заряда, аккумуляторными батареями и преобразователем напряжения; на второй вход второго информационного модуля поступает один из сигналов тестера о работоспособности ГИ: «обрыв», «короткое замыкание» и «устройство в рабочем состоянии»; корпус выполнен с разъемом для подключения программатора к ОЗУ для внутрисистемного программирования и извлечения данных и может быть использован для подключения внешнего тестера; ППУ выполнено с GSM/GPRS-модулем, содержащим SIM-карту, предназначенную для осуществления идентификации и регистрации молниеприемника, также для обеспечения обмена информацией с удаленным сервером посредством использования инфраструктуры сотовой связи стандарта GSM; GSM/GPRS-модуль выполнен с возможностью поддержания протокола NB-IoT/М2М-коммуникаций.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
Интеграция в корпусе молниеприемника функциональных блоков, сконфигурированных для цели мониторинга системы молниеприемников, предназначенных для объединения в сеть, предопределяет успешную реализацию возможности дистанционного тестирования сети МОЭС и мониторинга грозовой деятельности. При этом информация оказывается доступна к получению из любой точки мира.
Для использования технологии IoT/М2М-коммуникаций функциональные блоки (элементы) МОЭС соединены соответствующими каналами передачи данных таким образом, что передача и/или прием сигналов между блоками осуществляется через соответствующие предусмотренные входы/выходы для передачи и/или приема информационно-электрических сигналов. При этом схема соединения функциональных блоков выполнена с возможностью взаимодействия данных блоков согласно соответствующему алгоритму приема/передачи/распределения информационно-электрических сигналов, заложенному в контроллере.
Для преобразования сигнала, поступающего с датчика тока в данные соответствующего входа контроллера, в структурную схему введен преобразователь сигнала.
В качестве датчика тока целесообразно использовать датчик на основе катушки Роговского, конструктивно предназначенной для установки вокруг токоотвода (токоотводов).
Предлагаемая полезная модель не ставит задачу раскрыть узел крепления токоотводов к корпусу молниеприемника, поэтому описание ограничится лишь указанием на конструктивное расположение опорного стержня, обращенного к узлу подключения токоотводов. Исходя из данного обстоятельства, опорный стержень выполняет функцию токоотвода. Таким образом, руководствуясь принципом удобства крепления катушки Роговского вне узла крепления токоотводов и принимая во внимание функцию опорного стержня, выбрано местоположение данной катушки, предназначенной для измерения тока.
Введенный в корпус контроллер предназначен для получения первичной информации, поступающей от датчика тока, тестера, и обработки данной информации; контроллер обеспечивает автоматическое управление связанными с ним электронными блоками и контроль состояния средства электропитания.
Названия программных модулей контроллера соответствуют признакам обрабатываемой в них информации, наиболее полно отражающей работоспособность МОЭС в результате тестирования и дающей представление о количестве принятых ударов молнии и параметрах тока молнии.
Введенное в схему оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) предназначено для записи и хранения соответствующей информации, поступающей из первого программного модуля обработки информации на информационный вход ОЗУ.
Входящее в набор электронных компонентов приемо-передающее устройство (ППУ) наделяет МОЭС свойствами для применения IoT-технологий М2М-мониторинга. Так, ППУ, оснащенное GSM/GPRS-модулем предназначено для дистанционного обмена информацией между МОЭС и удаленным сервером посредством использования инфраструктуры сотовой связи GSM.
Исходя из вышесказанного, в ППУ целесообразно использовать SIM-карту для подключения к сети оператора-поставщика IoT/М2М услуг. Выбор в пользу указанной SIM-карты является предпосылкой для передачи данных на удаленный сервер, организованный на базе стандартной ПЭВМ с терминалом IoT и предназначенный для регистрации, накопления, анализа и отображения информации о прямом ударе молнии в молниеприемник, а также для мониторинга и тестирования сети нескольких МОЭС.
Для идентификации МОЭС и подключения к сети GSM используется стандартная SIM-карта (или eSIM-карта) и может быть использован любой оператор сотовой связи стандарта GSM.
Наличие связи ОЗУ с ППУ через контроллер является предпосылкой для возможности считывания хранящейся в памяти ОЗУ информации о факте удара молнии и параметрах тока молнии с удаленного сервера в любое время.
Доступ к ОЗУ для внутрисистемного программирования и непосредственного извлечения данных возможен через внешний разъем на корпусе МОЭС для подключения программатора.
Следует отметить, что средство электропитания, выполненное на основе солнечных батарей, связанных с контроллером заряда аккумуляторных батарей, обеспечивает автономную работу электронных блоков схемы, интегрированных в корпус МОЭС без подключения к внешним сетям электроснабжения.
Пример реализации МОЭС, обладающего расширенными функциональными возможностями для использования в единой информационной сети, иллюстрируют чертежи:
фиг. 1 - МОЭС, общий вид;
фиг. 2 - структурная схема соединения функциональных блоков.
МОЭС представляет собой электронное устройство, предназначенное для формирования устойчивого восходящего лидера в резко неоднородном электрическом поле нисходящей молнии и переориентирование прямого удара молнии от защищаемого объекта «на себя».
Предлагаемый МОЭС выполнен на основе МОЭС «Forend EU-М» производства фирмы «Forend Elektrik A.S.», Турция.
МОЭС включает корпус 1 с крышкой 2, острие 3, опорный стержень 4, адаптер 5 для крепления на мачте (не показана на фиг. 1) и узел подключения токоотводов 6.
В корпусе МОЭС установлены (фиг. 2) электронные блоки:
7 - генератор высоковольтных импульсов (ГИ);
8 - преобразователь сигналов;
9 - тестер;
10 - контроллер;
11 - первый программный модуль обработки информации о факте прямого удара молнии и о параметрах тока молнии;
12 - второй программный модуль обработки информации о работоспособности ГИ;
13 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ);
14 - приемопередающее устройство (ППУ);
15 - преобразователь напряжения (блок питания);
16 - аккумуляторная батарея;
17 - контроллер заряда.
Снаружи корпуса 1 установлены солнечные батареи 18, связанные через технологическое отверстие (на чертежах не показано) с контроллером заряда 17 аккумуляторных батарей 16; преобразователь напряжения 15 электрически соединен с контроллером 10, а также с иными элементами схемы, для функционирования которых необходимо электропитание.
В качестве солнечной батареи 18 выбрана солнечная панель 9В 110×70 мм, АБ - литиевая батарея типа 6LR61 типа «Крона», контроллер заряда - на основе стабилизатора LM317T, преобразователь напряжения DC-DC МТ3608 (или их аналоги).
Также снаружи корпуса 1 установлена антенна 19 ППУ 14.
Датчик тока 20 на основе катушки Роговского охватывает опорный стержень 4 (использован датчик тока производства фирмы «Forend Elektrik A.S.», Турция) и через технологическое отверстие связан с преобразователем сигнала 8.
Генератор высоковольтных импульсов (ГИ) 7 является основным структурным компонентом МОЭС. ГИ предназначен для вырабатывания высоковольтных импульсов, обеспечивающих эмиссию восходящего лидера с острия 3 МОЭС под воздействием резко неоднородного электрического поля нисходящего лидера; ГИ содержит не менее одного LC конура с расчетной резонансной частотой.
В качестве преобразователя сигнала 8 использован интегратор на базе операционного усилителя LM358D (или аналога).
Для проверки работоспособности ГИ 7 использован тестер 9 FLCT производства фирмы «Forend Elektrik A.S.», Турция с выходными сигналами: «обрыв», «короткое замыкание» и «устройство в рабочем состоянии».
Контроллер 10 выполнен на платформе Arduino Uno (или аналога).
Для работы ОЗУ 13 использована карта памяти microSDHC Class 10 UHS-I U1 с держателем (или аналог).
В GSM/GPRS-модуле ППУ 14 использован чип SIM800L.
Корпус 1 выполнен с разъемом (на чертежах не показан), который используется для подключения программатора к ОЗУ 13.
Необходимо подчеркнуть, что данный разъем может быть использован для подключения внешнего стандартного тестера (производства фирмы «Forend Elektrik A.S.», Турция; на чертежах не показан), задействованным наряду с тестером 9 в качестве электронного компонента структурной схемы МОЭС. Так, внешний тестер целесообразно использовать при нештатных ситуациях, когда работоспособность МОЭС ставится под сомнение и возникает необходимость визуализировать сигналы о функционировании устройства. Кроме того, внешний тестер применяется при периодических проверках молниезащиты, например, до начала и после завершения монтажа системы молниезащиты или ее повреждения после крайне неблагоприятных погодных условий. Через данный разъем стандартный тестер связан с ГИ; сигналы внешнего тестера аналогичны сигналам, которые передает тестер, находящийся в корпусе МОЭС.
Отмеченные конструктивные и функциональные особенности МОЭС приводят к выводу о повышении надежности работы МОЭС и обеспечении стойкости к электромагнитному импульсу тока молнии благодаря минимизации проводной связи.
Алгоритм работы предлагаемого устройства может быть продемонстрирован на следующем примере, в котором использован удаленный сервер 21.
В состоянии «без грозы» МОЭС в сборе находится в дежурном режиме. Самотестирование работоспособности происходит при поступлении запроса от удаленного сервера 21 через ППУ 14 на первый вход второго программного модуля 12. При поступлении такого запроса данный программный модуль после обработки информации передает на вход тестера 9 информацию о необходимости его включения, в результате происходит диагностика функционирования с выработкой одного из сигналов: «обрыв», «короткое замыкание» и «устройство в рабочем состоянии», при этом соответствующий сигнал поступает на второй вход второго программного модуля 12 и через ППУ 14 передается на удаленный сервер 21.
В грозовой обстановке МОЭС приходит в состояние готовности за счет изменения электромагнитной обстановки. При приближении грозового облака и усилении электромагнитного поля начинается процесс генерации высоковольтных импульсов на острие 3 МОЭС.
Факт удара молнии в МОЭС фиксируется датчиком тока 20, при этом преобразованный сигнал в качестве первичной информации о факте прямого удара и параметрах тока молнии поступает на первый вход первого программного модуля 11.
Наличие связи первого программного модуля 11 с ППУ 16 (первый выход первого модуля связан с входом ППУ) предусматривает возможность передачи соответствующих данных на удаленный сервер 21.
После регистрации датчиком тока 20 факта удара молнии по запросу второго программного модуля 12 происходит самотестирование МОЭС. С этой целью организована связь программных модулей 11 и 12 (второй выход первого модуля 11 связан с первым входом второго модуля 12). При этом обратная связь от тестера 9 в качестве одного из сигналов работоспособности ГИ поступает на тот же информационный вход программного модуля 12, как и при работе в режиме самотестирования.
Итак, второй программный модуль информации 12 выполнен с возможностью обработки данных о работоспособности ГИ как по запросу с удаленного сервера о необходимости штатного тестировании вне грозовой обстановки (самотестирование), так и в результате запроса второго программного модуля 12, сформированного после регистрации факта прямого удара молнии.
Связь первого программного модуля 11 через соответствующий первый выход с информационным входом ОЗУ 13 в память ОЗУ заносится запись о фиксировании факта удара молнии и регистрация параметров тока молнии.
Связь ОЗУ 13 с ППУ 14 через контроллер 10 обеспечивает возможность считывания хранящейся в памяти ОЗУ информации по запросу, поступающему с удаленного сервера 21.
На основании вышесказанного, МОЭС может найти применение в промышленности, так как в данном устройстве заложены известные в технике средства, включая электронные блоки, функционирующие на основе программы пользователя.
Таким образом, предлагаемая полезная модель, обладая необходимым набором электронных средств, находящихся в функциональной и конструктивной взаимосвязи, в том числе с элементами, размещенными снаружи корпуса МОЭС, характеризуется расширенными функциональными возможностями, обеспечивающими
автоматизацию операций по тестированию работоспособности МОЭС за счет введения в состав электронных блоков ППУ для связи с удаленным сервером при отсутствии необходимости во внешнем питании (для получения и передачи на удаленный сервер соответствующей информации о прямом ударе молнии);
повышение оперативности и достоверности получения в режиме реального времени информации о факте удара молнии в МОЭС и параметрах тока молнии за счет обеспечения удаленного доступа к нему;
использование возможности подключения к инфраструктуре сотовой связи и услугам, предоставляемым по протоколам IoT/М2М (в нелицензируемом диапазоне частот) для передачи на удаленный сервер информации о факте удара молнии, параметрах тока молнии, а также результатах тестирования работоспособности МОЭС;
запись и хранение информации, включая данные о количестве ударов молнии и параметрах тока молнии, благодаря использованию ОЗУ.