[发明专利]闪电防护设备以及相应的方法

说明书

技术领域

本发明的主题是一种闪电防护设备以及相应的方法。本发明尤其可应用于包括被称为“单杆(single rod)”的捕获电极的避雷导体型的设备，该捕获电极使得闪电电流被放电到大地。

背景技术

由Benjamin Franklin在十八世纪发明的避雷导体形成针对闪电的基本的主要防护，其基本原理在于向使得能量被导向大地的主放电提供优先通路。

可是减小为单杆的最简单的避雷导体不能对在暴风雨期间出现的所有现象进行充分管理。因此，会发生避雷导体没有正确地执行其功能的现象。

闪电实际上是一种具有强破环能力和高强度的放电。目前这种自然现象仍难以预测。

为了直面这种情形，已知的闪电防护系统尤其寻求以受控的方式将放电导向大地，以避免对工业设施和人口聚集地区产生损害。

因此，避雷导体仍是这些闪电防护系统中的基础性元件之一。

避雷导体型的设备实际上是已知的，其例如布置在某些建筑物的顶部上，其目的在于捕获闪电，以使得闪电能够被疏导并排放到大地，并防止其随机击打。

在基础版本的避雷导体中，避雷导体由金属桅杆或捕获电极组成，金属桅杆或捕获电极的端部可以是尖锐的(尖端的)或圆形的，并且布置在高处。这种捕获电极经由导电电缆与大地相连接。

不同类型的改良型避雷导体已经得到开发，其功效得到提高。

这种避雷导体更为细致地考虑到如在下文中所阐述的闪电自然现象。

在晴天时，由于位于50km等级高度的正电荷，故而在地壳表面和平坦地区上能够测量到100到150V/m等级的垂直电场(根据惯例标定为正的)。

当暴风雨正在形成时，云将被充电，在其上部为正，在其下部为负。有时，正电荷容器被大量负电荷包围。

从全球来看，暴风云因此形成真正的偶极子，相反符号的电荷在一起产生强电场。当电场达到界限梯度(有时称为击穿梯度)时，发生放电。如果这种放电发生在同一云层的内部层之间，则使用术语“云内闪电”，而如果这种放电发生在不同云层的多个层之间，则使用术语“云间闪电”。

更准确地说，由带电云层和地面组成的系统(带电云层和地面通过空气层隔开数百米到数千米)充当巨型电容器的角色，在该巨型电容器中空气担当电介质的角色。

与闪电相关联的物理现象与电容器的退降(degradation)过程完全类似。

例如，参照图1A和图1B，在由理想表面10、11组成的电容器中，电场线12垂直地从带正电的表面10离开，并同样垂直地进入带负电的表面11(见图1A)。

表面的不平整使得电场线12的集中效应(见图1B)。这种局部电场强化现象被称为尖端效应(point effect)。

从某个阈值开始，在凸凹不平的表面(asperity)13附近的电场的强烈振幅使得在电介质中存在的分子的电离。

这种电离现象依次引起称为电晕效应或电晕发光的发光。

在电离期间释放的带电微粒通过电场沿着力线被加速，并通过碰撞其它分子结束。这种碰撞引起新的电离，在新的电离期间，新的带电微粒被释放，并遵循相同的加速和碰撞过程。

最终结果被称为电子雪崩，电子雪崩表现为通过电容器板极之间的空间而传导的电流。

这种雪崩通过由电场产生的能量进行供给。这种现象组成介电材料的退降过程或击穿过程的开始，介电材料在电子雪崩发生处变为导体。

如果这样建立的导电通路管理连接电容器的两板极，则通过寻求再平衡两板级的电荷，建立比电子雪崩的电流强烈很多的电流。

通过类比，并参照图2A到2C，在大气范围内，闪电是这样一种现象：通过闪电，电介质(空气层)被退降，并建立将暴风云15的放电导向大地的导电通路14(见图2A、2B、2C)。

在温带气候地区中，最常见类型的闪电始于从云层到地面递减的负放电14a，通常称为下行先导闪电(leader)14a(见图2A)。

当接近碰撞区域时，这种先导闪电14a使得电场突然增大。这种增大使得在不平整的地面上出现电晕效应。

接着产生称为上行先导闪电14b的不同的电子雪崩电流(图2B)。这些电流向下行先导闪电14a传导。当下行先导闪电14a和上行先导闪电14b之一接触时，将建立导电通路14，该导电通路14使得云层15向地面放电(图2C)。一旦电场的电流强度下降，余下的上行先导闪电14b将消退。

避雷导体因此基于尖端效应的原理。

避雷导体利于在下行先导闪电接近时形成上行先导闪电。