АКТИВНЫЙ МОЛНИЕОТВОД
ACTIVE LIGHTNING CONDUCTOR

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.
Известен молниеотвод, содержащий центральный вертикальный заземленный стержень и расположенные симметрично относительно него боковые антенны-молниеприемники, а также генераторный электрод, разрядники, преобразователь энергии электрического поля и накопители энергии. В промежутки между центральным заземленным стержнем и генераторным электродом помещен разрядник. Аналогичные разрядники размещены в разрывах боковых антенн-молниеприемников. Первый вход преобразователя энергии подключен к генераторному электроду, второй вход преобразователя подключен к центральному заземленному стержню. Выходы преобразователя соединены с входами накопителей энергии, выходы которых включены между заземленным стержнем и рабочими концами соответствующих боковых антенн (RU 2090968 С1, опубл. 20.09.1997).
Недостатком известного устройства является высокая сложность исполнения и недостаточная надежность при защите объектов от поражения молнией.
Известен молниеотвод, содержащий центральный стержень-молниеприемник, центральный стержень заземления, боковые стержни и корпус. Центральный стержень-молниеприемник соединен с началом первой из последовательно включенных вторичных обмоток повышающих трансформаторов, помещенных внутри многосекционного разрядника, и с первой его секцией, при этом конец последней из вторичных обмоток повышающих трансформаторов соединен с последней секцией многосекционного разрядника, с первым полюсом генераторного разрядника, со стержнем заземления и с первым концом первичной обмотки изолирующего трансформатора, второй конец которой через конденсатор связан с вторым полюсом генераторного разрядника и с основанием боковых стержней, а вторичная обмотка изолирующего трансформатора и первичные обмотки повышающих трансформаторов соединены параллельно (RU 2101819 С1, опубл. 01.01.1998).
Недостатком этого устройства является необходимость подбора электромагнитных параметров для его срабатывания при приближении к защищаемому объекту лидера молнии определенного типа. Такая защита является недостаточно надежной.
Также известен молниеотвод, который содержит центральный стержень-молниеприемник, центральный стержень заземления, боковые стержни, наружный многосекционный защитный разрядник, генераторный разрядник и диэлектрический корпус. 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. Верхний накопительный блок связан с нижней обкладкой формирующего конденсатора, верхняя обкладка которого соединена с центральным стержнем-молниеприемником и верхними боковыми стержнями. Точки соединения генераторных разрядников и верхних обкладок конденсаторов связаны с боковыми стержнями. Нижняя обкладка конденсатора нижнего накопительного блока подключена к центральному стержню заземления и к нижней секции наружного многосекционного защитного разрядника (RU 2186448 С1, опубл. 27.07.2002).
Недостатком известного молниеотвода является весьма ограниченный срок его службы и недостаточно высокая надежность, вытекающие из его конструкции.
Наиболее близким по сущности и достигаемому техническому результату является молниеотвод, содержащий диэлектрический корпус с поперечной ребристостью, в крышку которого вставлены центральный стержень-молниеприемник и боковые стержни. Центральный стержень заземления вставлен в основание корпуса. В корпус помещены обкладки конденсаторов, соединенные с внутренними разрядниками. 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. Первые выводы резисторов первой цепи подключены к верхним обкладкам конденсаторов. Первые выводы резисторов второй цепи подключены к их нижним обкладкам. Разрядники расположены на смежных обкладках соседних конденсаторов (RU 2208887 С1, опубл. 20.07.2003).
Недостатком известного решения является недостаточно высокая надежность и долговечность устройства.
Задача заключается в улучшении конструктивных, технологических и эксплуатационных качеств молниеотвода, повышении надежности и долговечности работы устройства и обеспечении повышенной защиты объектов от поражения разрядами молнии.
Поставленная задача решается тем, что активный молниеотвод, согласно изобретению, содержит корпус с крышкой, электрически последовательно сообщенные активный молниеприемник, генератор импульсного напряжения, возбуждаемый молниеактивно заряженным внешним электрическим полем, и контактный элемент системы заземления, при этом указанный генератор выполнен с корпусом, внутри внешнего контура которого размещены не менее двух зарядных резисторных цепей, а также многосекционный разрядник, выполненный в виде, по меньшей мере, одной конденсаторно-разрядной цепи, состоящей из последовательно чередующихся конденсаторов, каждый с двумя зарядными пластинами-обкладками, и функционально совмещенных с ними разрядников, выполненных в виде выверенных по высоте выступов на внешней стороне указанных пластин-обкладок, причем зарядные резисторные цепи состоят из последовательно соединенных резисторов и разделены на две группы, резисторы одной из которых соединены с верхними, а резисторы другой - с нижними пластинами-обкладками конденсаторов, причем совокупные номиналы резисторов, электрически сообщенных с верхними, и резисторов, сообщенных с нижними пластинами-обкладками каждого конденсатора, приняты равновеликими по высоте и по сопротивлению, а омическое сопротивление резисторов, диэлектрических прослоек между встречными элементами разрядников и пластинами конденсаторов, площадь конденсаторных пластин, число и емкость конденсаторов в генераторе импульсных напряжений приняты обеспечивающими возможность зарядки конденсаторов из внешнего электрического поля, по крайней мере, при критическом молниеактивном напряжении последнего до уровня, достаточного для формирования и осуществления упреждающего разряда с образованием лидера, посылаемого через молниеприемник навстречу ударному лидеру внешней молнии, но при этом упомянутые электрическая емкость конденсаторов и омическое сопротивление прослоек между их пластинами и выступами разрядников приняты обеспечивающими возможность сквозного пробоя разрядников указанной цепи и короткого замыкания молниеприемника на контактный элемент системы заземления при ударе молнии с последующим самовосстановлением исходных свойств диэлектрика и защитной работоспособности активного молниеотвода, кроме того, молниеприемник выполнен в виде системы электрически взаимосвязанных стержней, образующих многостержневой венец с центральным и боковыми стержнями, при этом центральный стержень выполнен длиной, превышающей длину боковых стержней, также молниеотвод снабжен, по меньшей мере, одной внешней разрядной цепью, состоящей из пар токопроводящих разрядников, преимущественно, выполненных в виде тела вращения, при этом каждые два разрядника, образующие пару, разделены диэлектриком, а каждый разрядник одной пары электрически связан с одним разрядником другой пары, причем один разрядник верхней пары электрически связан с молниеприемником, а один разрядник нижней пары - с контактным элементом системы заземления, причем разрядники смежных пар размещены на корпусе, по меньшей мере, с частным смещением в плане относительно предыдущей и/или последующей пары разрядников.
Корпус генератора импульсного напряжения может быть выполнен, преимущественно, состоящим не менее чем из двух желобчатых пластин, разомкнутых по контуру в зонах расположения резисторных цепей, по меньшей мере, на части их длины.
Внешние разрядники могут быть выполнены в виде шара, шароида. Внешние разрядники могут быть выполнены в виде эллипсоида. Пары разрядников внешней разрядной цепи последовательно спирально могут быть смещены по высоте.
Пары разрядников внешней разрядной цепи последовательно могут быть смещены по высоте в шахматном порядке.
Корпус молниеотвода может быть снабжен внешними опорными фланцами для крепления разрядников, а каждый разрядник снабжен токопроводящим опорным элементом, преимущественно, выполненным со стержневидным поддерживающим и консольным опорным участками и установлен на опорном фланце с возможностью регулирования толщины и омического сопротивления прослойки диэлектрика в паре разрядников.
Молниеприемник, выполненный в виде системы стержней, образующих многостержневой венец с центральным и боковыми стержнями, пространственно может быть нацелен в зону повышенной напряженности внешнего электрического поля, при этом радианная величина углового направления и радиальная длина боковых стержней, предпочтительно, одинаковы и вписаны в условный сферический сектор указанного внешнего поля, а центральный стержень выполнен длиной, превышающей длину боковых, и пролонгирован не менее чем до точки пересечения с условной плоскостью, касательной к поверхности упомянутого условного сферического сектора, нормальной к направлению одного из боковых стержней.
При четном числе резисторных цепей в генераторе импульсного напряжения номиналы и геометрические параметры резисторов могут быть приняты одинаковыми для каждой из них.
При различном числе резисторных цепей в генераторе импульсного напряжения, сообщенных с верхними и сообщенных с нижними пластинами-обкладками конденсаторов, номиналы резисторов, по меньшей мере, одной цепи в группе с меньшим числом цепей могут быть увеличены до выравнивания совокупного омического сопротивления резисторов, сообщенных с каждой верхней или нижней пластиной-обкладкой конденсатора, с сохранением равенства геометрической высоты резисторов.
Каждый резистор в резисторной цепи может быть геометрически увязан с высотным диапазоном, занимаемым сообщенными с ним на входе и на выходе одноименными пластинами-обкладками конденсаторов и разрядником, подбором или регулированием длины соединительных элементов между смежными резисторами.
Каждый резистор в резисторной цепи может быть геометрически увязан с высотным диапазоном, занимаемым сообщенными с ним на входе и на выходе одноименными пластинами-обкладками конденсаторов и разрядником, при осевой длине резистора, превышающей указанную совокупную длину указанных элементов конденсаторов и разрядника, посредством расположения резисторов наклонно-перекрестно относительно оси молниеотвода.
Каждый резистор в резисторной цепи может быть геометрически увязан с высотным диапазоном, занимаемым сообщенными с ним на входе и на выходе одноименными пластинами-обкладками конденсаторов и разрядником, при осевой длине резистора, превышающей указанную совокупную длину элементов конденсатора и разрядника, посредством осевого смещения в плане и частичного совмещения в высотном диапазоне участков длины смежных резисторов.
Прослойки между пластинами-обкладками конденсаторов, встречными выступами разрядников и полость, занимаемая в молниеотводе многосекционным разрядником, могут быть заполнены диэлектриком или системой диэлектриков, способным к самовосстановлению исходных свойств после срабатывания устройства, например инертным газом или воздухом либо сочетанием газообразного и твердого диэлектриков.
Технический результат, обеспечиваемый приведенной совокупностью признаков, состоит в улучшении конструктивных, технологических и эксплуатационных качеств молниеотвода, повышении надежности работы устройства и обеспечении повышенной защиты объектов от поражения разрядами молнии за счет более надежного конструктивного решения разрядников, взаимной компоновки и сочетания конденсаторно-разрядной и зарядных резисторных цепей. Внешняя разрядная цепь предназначена для защиты генератора импульсного напряжения от воздействия электрического тока. В момент попадания молнии в молниеотвод весь заряд стекает по внешним разрядникам, тем самым препятствуя разрушительному воздействию молнии на внутренний генератор, вследствие чего повышается надежность работы молниеотвода и защита от повреждения объектов различного назначения при интенсивном воздействии атмосферного электричества.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображен активный молниеотвод, вид спереди с частичным вертикальным разрезом;
на фиг.2 - схема расположения разрядников внешней разрядной цепи в плане;
на фиг.3 - генератор импульсного напряжения, вид спереди с частичным вертикальным разрезом;
на фиг.4 - разрез по А-А на фиг.3.
Активный молниеотвод содержит корпус 1 с крышкой 2, электрически последовательно сообщенные активный молниеприемник 3, генератор 4 импульсного напряжения, возбуждаемый молниеактивно заряженным внешним электрическим полем, и контактный элемент 5 системы заземления.
Генератор 4 выполнен с корпусом 6, внутри внешнего контура которого размещены не менее двух зарядных резисторных цепей 7, а также многосекционный разрядник, выполненный в виде, по меньшей мере, одной конденсаторно-разрядной цепи 8, состоящей из последовательно чередующихся конденсаторов 9. Каждый конденсатор 9 выполнен с двумя зарядными пластинами-обкладками 10, 11 и функционально совмещенных с ними разрядников 12, выполненных в виде выверенных по высоте выступов на внешней стороне указанных пластин-обкладок 10, 11. Зарядные резисторные цепи 7 состоят из последовательно соединенных резисторов 13 и разделены на две группы. Резисторы одной группы соединены с верхними пластинами-обкладками 10, а резисторы другой группы - с нижними пластинами-обкладками 11 конденсаторов 9. Совокупные номиналы резисторов, электрически сообщенных с верхними пластинами-обкладками 10 каждого конденсатора 9, и резисторов, сообщенных с нижними пластинами-обкладками 11, приняты равновеликими по высоте и по сопротивлению. Омическое сопротивление резисторов 13, диэлектрических прослоек между встречными элементами разрядников 12 и пластинами-обкладками 10, 11 конденсаторов 9, площадь конденсаторных пластин, число и емкость конденсаторов 9 в генераторе импульсных напряжений приняты обеспечивающими возможность зарядки конденсаторов 9 из внешнего электрического поля, по крайней мере, при критическом молниеактивном напряжении последнего до уровня, достаточного для формирования и осуществления упреждающего разряда с образованием лидера, посылаемого через молниеприемник навстречу ударному лидеру внешней молнии. Упомянутые электрическая емкость конденсаторов 9 и омическое сопротивление прослоек между их пластинами и выступами разрядников 12 приняты обеспечивающими возможность сквозного пробоя разрядников 12 указанной цепи и короткого замыкания молниеприемника на контактный элемент 5 системы заземления при ударе молнии с последующим самовосстановлением исходных свойств диэлектрика и защитной работоспособности активного молниеотвода.
Молниеприемник 3 выполнен в виде системы электрически взаимосвязанных стержней, образующих многостержневой венец с центральным стержнем 14 и боковыми стержнями 15. Центральный стержень 14 выполнен длиной, превышающей длину боковых стержней 15.
Молниеотвод снабжен, по меньшей мере, одной внешней разрядной цепью 16, состоящей из пар токопроводящих разрядников 17, преимущественно, выполненных в виде тела вращения. Каждые два разрядника 17, образующие пару, разделены диэлектриком. Каждый разрядник 17 одной пары электрически связан с одним разрядником 17 другой пары. Один разрядник 18 верхней пары электрически связан с молниеприемником 3, а один разрядник 19 нижней пары - с контактным элементом 5 системы заземления. Разрядники 17 смежных пар размещены на корпусе 1, по меньшей мере, с частным смещением в плане относительно предыдущей и/или последующей пары разрядников 17. Внешние разрядники 17 выполнены в виде шара, шароида или в виде эллипсоида. Пары разрядников 17 внешней разрядной цепи 16 последовательно спирально смещены по высоте или последовательно смещены по высоте в шахматном порядке.
Корпус 6 генератора 4 импульсного напряжения выполнен, преимущественно, состоящим не менее чем из двух желобчатых пластин 20, разомкнутых по контуру в зонах расположения резисторных цепей 7, по меньшей мере, на части их длины.
Корпус 1 молниеотвода снабжен внешними опорными фланцами 21 для крепления разрядников 17. Каждый разрядник 17 снабжен токопроводящим опорным элементом 22, преимущественно, выполненным со стержневидным поддерживающим и консольным опорным участками, и установлен на опорном фланце 21 с возможностью регулирования толщины и омического сопротивления прослойки диэлектрика в паре разрядников 17.
Молниеприемник 3 пространственно нацелен в зону повышенной напряженности внешнего электрического поля. Радианная величина углового направления и радиальная длина боковых стержней 15, предпочтительно, одинаковы и вписаны в условный сферический сектор указанного внешнего поля. Центральный стержень 14 выполнен длиной, превышающей длину боковых стержней 15, и пролонгирован не менее чем до точки пересечения с условной плоскостью, касательной к поверхности упомянутого условного сферического сектора, нормальной к направлению одного из боковых стержней 15.
При четном числе резисторных цепей 7 в генераторе 4 импульсного напряжения номиналы и геометрические параметры резисторов 13 приняты одинаковыми для каждой из них.
При различном числе резисторных цепей 7 в генераторе 4 импульсного напряжения, сообщенных с верхними и сообщенных с нижними пластинами-обкладками 10, 11 конденсаторов 9, номиналы резисторов, по меньшей мере, одной цепи в группе с меньшим числом цепей увеличены до выравнивания совокупного омического сопротивления резисторов, сообщенных с каждой верхней или нижней пластиной-обкладкой соответственно 10 или 11 конденсатора 9 с сохранением равенства геометрической высоты резисторов 13.
Каждый резистор 13 в резисторных цепях 7 геометрически увязан с высотным диапазоном, занимаемым сообщенными с ним на входе и на выходе одноименными пластинами-обкладками 10, 11 конденсаторов 9 и разрядником 12, подбором или регулированием длины соединительных элементов между смежными резисторами.
Каждый резистор 13 в резисторных цепях 7 геометрически увязан с высотным диапазоном, занимаемым сообщенными с ним на входе и на выходе одноименными пластинами-обкладками 10, 11 конденсаторов 9 и разрядником 12, при осевой длине резистора, превышающей указанную совокупную длину указанных элементов конденсаторов 9 и разрядника 12, посредством расположения резисторов 13 наклонно-перекрестно относительно оси молниеотвода.
Каждый резистор 13 в резисторных цепях 7 геометрически увязан с высотным диапазоном, занимаемым сообщенными с ним на входе и на выходе одноименными пластинами-обкладками 10, 11 конденсаторов 9 и разрядником 12, при осевой длине резистора, превышающей указанную совокупную длину элементов конденсатора 9 и разрядника 12, посредством осевого смещения в плане и частичного совмещения в высотном диапазоне участков длины смежных резисторов.
Прослойки 23 между пластинами-обкладками 10, 11 конденсаторов 9, встречными выступами разрядников 12 и полость 24, занимаемая в молниеотводе многосекционным разрядником, заполнены диэлектриком или системой диэлектриков, способным к самовосстановлению исходных свойств после срабатывания устройства, например инертным газом или воздухом либо сочетанием газообразного и твердого диэлектриков.
Молниеотвод работает следующим образом.
На лидерной фазе развития молнии центральный стержень 14 молниеприемника 3 и боковые стержни 15 поляризуются до возникновения на них коронного разряда. Ток коронного разряда заряжает конденсаторы 9 до напряжения, устанавливаемого разрядным промежутком на разрядниках 12. В момент приближения лидера молнии к молниеотводу напряженность электрического поля возрастает, что приводит в действие самый нижний разрядник 12. Искровой разряд соединяет последовательно два самых нижних конденсатора 9, в результате чего на последующем разряднике 12 напряжение скачком возрастает до удвоенного пробивного напряжения. Все конденсаторы 9 соединены последовательно. На центральном стержне 14 молниеприемника 3 появляется импульс высокого напряжения. Импульсы высокого напряжения инициируют восходящий встречный лидер, который устремляется навстречу нисходящему лидеру молнии, формируя проводящий канал, по которому происходит основной разряд молнии. По проводящему каналу энергия молнии «замыкается» на землю через разрядники внешней разрядной цепи 16, защищая элементы генератора 4 от разрушения килоамперными токами молниевого разряда, и, таким образом, объект защищен от поражений молний.
Поскольку прослойки 23 между пластинами-обкладками 10, 11 конденсаторов 9, встречными выступами разрядников 12 и полость 24, занимаемая в молниеотводе многосекционным разрядником, заполнены самовосстанавливающим диэлектриком, то все свойства устройства после разряда восстанавливаются. Молниеотвод реагирует как на отрицательный лидер молнии, так и на положительный.
Молниеприемник 3 кроме центрального стержня 15 имеет боковые стрежни 16, смонтированные под углом к горизонтали, и на каждом конце стержней формируется высоковольтный импульс, и, следовательно, каждый боковой стержень 16 - это дополнительный молниеотвод, увеличивающий эффективность предлагаемого активного молниеотвода.
Электромагнитные параметры молниеотвода подбирают таким образом, что он срабатывает при приближении лидера молнии к высоте ориентировки 182-455 м в фазе с его воздействием.
Таким образом, в сравнении с ближайшим аналогом предлагаемый активный молниеотвод является более надежным и долговечным.