一种集防雷、记录为一体的防雷系统的制作方法

本发明属于防雷技术创新
技术领域：
，尤其是一种集防雷、记录为一体的防雷系统。
背景技术：
：雷电是一种自然现象，其对于建筑物及其内的电子设备具有很大的危害性，当雷电的电流流过被击物时，会导致被击物温度的升高，导致被击物的损坏，产生的电弧的强烈高温对被击物也能产生极大的破坏，在被击物表面产生局部金属熔化和灼蚀斑点，感应过电压会损坏被击物的控制系统或电子器件而感应过电压与雷电流的陡度密切相关，雷电流陡度越大，感应电压就越高。目前，主要的防雷设备为避雷针，其是一种被大范围使用的防雷装置。近几年，国内国际研究开发新的防雷技术层出不穷，但都没有大范围推广，究其原因就是到目前为止还没有一种新的避雷针或者防雷技术，能够用科学数据准确的验证比目前iec/tc81制定的标准更安全可靠。自上个世纪末开始，我国科学家们在防雷理论与实践研究方面进行了多方面的探讨,主要目的是想利用外部防雷手段解决大气过电压、雷电流在局部空间所产生的电磁效应。比如以下中国专利公开的技术方案：1.专利号：cn201520423922.3，
专利名称：无源复合强电离放电等离子拒雷装置；2.专利号：cn200410022185.2，
专利名称：综合有源及无源等离子避雷方法及装置；3.专利号：cn200810056106.8，
专利名称：电荷引雷的方法和装置；4.专利号：cn03103706.2，
专利名称：开关型电荷放大器等离子避雷系统。以上几种技术一个共同点，就是试图脱离现行的引雷不接地或者不依赖接地等电位泄放雷云电荷防雷标准来解决外部防雷目的，类似的专利还有许多，这些专利的创新目的都是为了解决雷云电荷高电压和雷云电流对被保护体的破坏作用。国外一些避雷针的改进也是为了解决或者缓解直击雷的破坏作用，目前只有法国、西班牙和南斯拉夫分别批准了e.s.e(具有提前放电功能的避雷针)标准，但在iec/tc81会议上，都没有作出明确的决定，只是呼吁各国科学家对这类避雷装置作更深入的研究。综上所述，还没有即包含区别于现有技术的有效阻雷设备以及同步验证、统计雷击的系统问世，急需一种防雷措施能够定性、定量的证明自身能够替代或修改现行的防雷标准并提供充足、有效的证据。技术实现要素：本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供能在雷云接近时进行能量捕获、通过能量激发的等离子体对雷云电荷及地面电荷进行中和且残留电压较低的一种集防雷、记录为一体的防雷系统。本发明采取的技术方案是：一种集防雷、记录为一体的防雷系统，其特征在于：包括防雷单元、残留电压检测单元和雷电计数单元，每个防雷地区的最高位置处设置一个防雷单元，该防雷单元连接一个残留电圧检测单元，该防雷地区设置至少一个雷电计数单元，所述防雷单元用于中和雷云电荷与地面电荷，所述残留电圧检测单元用于检测防雷单元中和后残留电圧，所述雷电计数单元用于统计防雷地区发生的雷电次数。而且，所述雷电计数单元安装在该防雷地区的防雷单元的下方或该防雷地区的无阻挡的开阔地处。而且，防雷地区内设置一个雷电感应单元，该雷电感应单元用于检测较大面积的区域内是否发生雷电现象。而且，所述防雷单元包括上电极、下电极和绝缘介质，绝缘介质下端嵌入下电极上端内，绝缘介质上端嵌入上电极下端内且绝缘介质上端面与上电极内的顶面之间保留空腔，所述上电极下端面与上电极上端面保留间隙，所述上电极上端面设置多个接闪杆；所述绝缘介质由上至下设置一个通孔，该通孔的內缘设置一个环形极板。而且，所述上电极上端面中部设置一个竖直向上的接闪杆，该接闪杆周围的上电极上端面设置多圈接闪杆，每圈接闪杆均为偶数个。而且，所述接闪杆上端部设置多个导电针。本发明的优点和积极效果是：1.本单元中，上电极上端呈向上凸起的圆弧形，在圆弧形的最高点安装一个竖直朝上的接闪杆，该接闪杆周围安装多圈接闪杆，每一圈内的接闪杆均为径向均布设置，该多个接闪杆的上端部高度相同，这些接闪杆在雷云接近后进行雷云电荷的吸引，并在上电极和下电极之间的绝缘介质处形成阻挡放电，从而将周围的空气迅速电离，电离后产生的正离子和负离子分别与雷云的负电荷和地面的正电荷中和，由此将雷电的通道截断，实现了引雷但不入地的处理方式。2.本单元中，绝缘介质阻挡放电产生的带电离子在雷雨天地表的8～20米/秒的上升气流作用下散开，快速的进行带电离子的中和，而在绝缘介质通孔内设置的环形极板在雷云电荷积聚时也会产生放电现象，从而进一步将空气电离后的等离子体推动扩散，使雷云负电荷和地面正电荷被快速的中和。3.本装置中，防雷单元阻雷时，大部分的电荷在防雷单元处被中和，但仍然存在一定的残留电压，检测这些残留电压可以证明防雷单元的工作装态，而且可以根据残留电压的大小进行防雷单元工作时的最大电流、平均电流、起止时间、环境温度等参数，这些数据可以存储或进行后期分析。4.本系统中，利用残留电压检测单元检测防雷单元的工作状态，利用雷电计数单元检测防雷单元保护范围内是否发生雷击，以提供防雷单元阻雷工作是否正常的数据，再配合雷电感应单元进行大面积的监控，能够进一步检测防雷单元保护范围周边不低于25公里半径出现的雷击的距离、位置、强度等参数，供技术人员验证防雷单元是否工作正常，是否存在保护死角等问题。5.本发明中，防雷单元安装在保护范围内最高的建筑物的顶端，比如高楼、电视塔、电力塔架、无线电信发射塔、旅游景区设置的塔架、烟囱等处，利用其上端等高的接闪杆进行能量的聚集，然后在绝缘介质周围进行电荷的中和，使雷云能量消耗在设备周边有效半径处，而无法形成下行的泄放通道，阻雷后的残留电压小于或接近120伏，极大的小于正常情况时雷击泄放的电压，保证了建筑物内外及周边电气设备和通信设施的工作安全。附图说明图1是本发明的结构示意图；图2是图1的防雷单元的主视图；图3是图2的俯视图；图4是图2的绝缘介质内设置环形极板的示意图；图5是图4的绝缘介质的俯视图(取下堵盖)；图6是本发明的原理图；图7是与避雷针的对比试验，防雷单元位于高压电极板边缘处；图8是与避雷针的对比试验，防雷单元位于高压电极板下方；图9是图7中多个导电针同时吸引能量的示意图；图10是实施例1的雷击检测示意图。具体实施方式下面结合实施例，对本发明进一步说明，下述实施例是说明性的，不是限定性的，不能以下述实施例来限定本发明的保护范围。一种集防雷、记录为一体的防雷系统，如图1～9所示，本发明的创新在于：包括防雷单元3、残留电压检测单元7和雷电计数单元9，每个防雷地区的最高建筑物6的最高位置处设置一个防雷单元，该防雷地区设置至少一个雷电计数单元，所述防雷单元用于中和雷云电荷与地面12电荷11，所述残留电圧检测单元用于检测防雷单元中和后残留电圧，所述雷电计数单元用于统计防雷地区发生的雷电次数。本实施例中，防雷单元的保护范围大致为图1所示的夹角α覆盖的174度范围内建筑物10、烟囱8、塔架14，大致在800米以内的建筑物均能受到有效的保护。防雷单元能够吸引雷云此处的多个下行先导1、2的电荷，使能量快速蓄积，当能量快速蓄积好后，完成阻雷过程，经过实地测量，雷云电场20千伏时，99％以上的电荷被中和掉，仅有极小部分的残留电压产生。防雷单元下端部无需连接建筑物等内部设置的导电线路，通过混凝土固定即可，最好使防雷单元与建筑物之间保持绝缘状态。为了检测具体有多高的残留电压，在防雷单元下端部4安装一个金属螺栓，使其连接一导线5的一端，然后该导线的另一端可以连接残留电压检测单元7，该单元用于检测防雷单元阻雷时的残留电压并将数据进行远程传输。具体结构如图6所示：该单元包括电压检测模块、中央控制模块、定位模块和无线传输模块，电压检测模块可以使用电压互感器以检测导线上的电压，中央控制模块分别连接电压检测模块、定位模块和无线传输模块，定位模块可以使用gps或北斗的方式来获取当前位置的数据，中央控制模块定期的通过无线传输模块将电压、起止时间、定位信息等数据通过无线传输方式输送到上位机38处。在残留电压检测单元中还设置有太阳能电池板37、太阳能发电智能控制模块和电池组模块，太阳能电池板接受光信号并转换为电信号，然后通过太阳能发电智能控制模块存储到电池组模块中，太阳能发电智能控制模块同时进行个模块的供电。除了可以对某几个相邻建筑物进行防雷保护以外，还可以对比如：供电线路、高铁、建筑群、变电站、军事设施、移动物体、森林防雷、旅游景区、体育场及校区、移动通信发射塔等占地面积广大的地区进行有效的防雷，在防雷地区内，雷电计数单元安装在该防雷地区的防雷单元的下方或该防雷地区的无阻挡的开阔地处。雷电感应单元13是对残留电压检测单元的补充，其用于监控较大面积的区域是否发生雷击现象，而雷电计数单元检测的是其附近是否发生雷击，通过雷电计数单元和雷电感应单元，能够进一步的确认防雷单元工作是否正常，是否存在死角，是否有效的阻雷。雷电感应单元安装在该防雷地区的无阻挡的建筑物的顶端，其结构如图6所示：包括闪光检测部分和电场检测部分，前者包括光敏二极管组模块、电流电压变换模块、放大滤波模块和a/d转化模块；后者包括电场天线模块、放大滤波模块和a/d转换模块。光敏二极管组模块通过电流电压变换模块和放大滤波模块连接a/d转换模块的一端，电场天线模块通过放大滤波模块连接另一个a/d转换模块的一端，两个a/d转换模块的另一端均连接中央控制模块，该中央控制模块通过无线传输模块与上位机进行数据传输，中央控制模块连接有定位模块。光敏二极管组安装在一个地区或多个地区的无阻挡的建筑物的较高处，可以朝向各个方向，通过其接收闪电产生的光线，由于闪光的能量集中在近紫外到近红外谱段，光敏二极管组可以接收到较远距离的闪光，尤其是变化非常快的闪光信号。电场天线接收到快速的电场变化后再参考光敏二极管组的输出信号，最终确认为雷击发生，并计算出雷击的方向、变化强度等信息。防雷单元结构是：包括上电极19、下电极22和绝缘介质20，绝缘介质下端嵌入下电极上端内，绝缘介质上端嵌入上电极下端内且绝缘介质上端面与上电极内的顶面之间保留空腔28，上电极下端面与上电极上端面保留间隙，该间隙大小为w，上电极上端面设置多个接闪杆17、24。上电极为筒形，上端面为向上凸出的半圆形，其下端部內缘制出内螺纹，该内螺纹与绝缘介质上端的外螺纹啮合连接，该处螺纹的螺距较小，使绝缘介质可以进行微量的上升或下降，绝缘介质下端直接嵌入下电极内并通过下电极底面23的开孔36内的多个绝缘螺栓33固定，下电极的底面为一法兰，该法兰通过多个螺栓与建筑物上端的基座连接。绝缘介质由上至下设置一个通孔34，该通孔的內缘的凸台32上设置一个环形极板31。上电极、绝缘介质和下电极之间产生第一处阻挡放电，并由此产生电子崩，而环形极板处也会在雷云大电荷的感应下产生第二处阻挡放电，该第二处阻挡放电进一步推动第一处阻挡放电产生的带电离子向绝缘介质外扩散，由此实现了第一处阻挡放电后的正电荷在雷雨天地表的8～20米/秒的上升气流作用下和雷云负电荷的吸引下迅速上升并与雷云底部的负电荷结合，而负电荷由于其自身的活跃性，迅速被地面正电荷捕获并中和。在通孔上端和下端均设置有堵盖30，两个堵盖向通孔内延伸的凸出相互对位，两个堵盖形成了一个通道29，该通道将上电极内的空腔通过下电极底面开出的透气孔35连通大气。上电极上端面中部设置一个竖直向上的接闪杆24，该接闪杆周围的上电极上端面设置多圈接闪杆17，每圈接闪杆均为偶数个，如图2、3所示，竖直向上的接闪杆下方的上电极上具有一圈接闪杆，接闪杆的数量为四个，相互之间水平面投影的夹角为90度。每个接闪杆下端部啮合在上电极上端面设置的安装孔27中所装的固定座26内，在固定座上方的接闪杆外缘上啮合套装一锁紧帽25，该锁紧帽底面压接在所述固定座的上端面。具体是：固定座外具有外螺纹且啮合在上电极内，固定座内具有内螺纹且啮合连接接闪杆下端部，锁紧帽具有内螺纹且啮合连接固定座上方的接闪杆下端。在接闪杆上端部的安装座16上设置多个导电针15(导电针一般为5～7只)，在安装座最高点设置一个竖直朝上的导电针，该导电针外侧的安装座上设置一圈导电针，该圈导电针中的导电针与竖直朝上的导电针之间的夹角为60度左右。所有接闪杆上端的处于最高位置的导电针的上端处于大致的一个水平面内，这样可以使所有的接闪杆在雷云下行时能够同时进行雷云电荷的吸引，同时可以有效吸引产生侧击雷的电荷并迅速聚集能量。上电极最高点距下电极底面的高度为150～600毫米，上电极及下电极的外径为80～400毫米，上电极和下电极之间的间隙w为25～45毫米。绝缘介质的竖直高度为60～100毫米，在间隙处的绝缘介质外缘同轴制出1～5个环形凸棱21，每个凸棱外侧端部为弧形过渡，绝缘介质的竖直高度优选80，凸棱优选3个，每个环形凸棱的竖直方向上的高度为5～10毫米，凸棱的上端部衔接处、凸棱外缘表面和凸棱的下端部衔接处均为弧形过渡。防雷单元与避雷针的对比试验如图7、8、9所示，高压电极板40处于十几万伏的高电位，基面44模拟低电位的地面，避雷针安装在基面上，上端为尖端引雷机构41，防雷单元安装在小车42上并通过绝缘牵引绳43实现往复运动，小车车轮为金属制成，与基面导电。1.将高压电极板通电，拉动小车，使其向高压电极板方向运动；2.当小车靠近高压电极板边缘时，如图7所示，导电针和高压电极板之间出现电弧39，小车继续运动；3.当如图8所示的小车完全进入高压电极板下方时，避雷针处的电弧消失，而上电极板和下电极板之间的绝缘介质处出现放电电弧45，该放电电弧在上电极和下电极的径向方向随机出现。由上述实验可知，小车如图7的刚靠近高压电极板时，由于上电极和下电极之间没有足够的能量电离空气，所以仍然会有电弧出现，而如图8所示的能量充足后，放电电弧出现并消耗了高压电极板下行的能量，所以高压电极板与避雷针之间不会再有电弧出现，此时避雷针已经完全失效。在实验过程中，如图9所示，小车靠近高压电极板边缘时，多个导电针和高压电极板边缘之间出现多个电弧39，这意味着所有导电针均能吸引高压电极板处的电荷，能很快的完成初始能量的蓄积，尽快使空气电离并中和正负电荷。由上述对比试验可知：1.贯通放电速度快：由于多导电针效应和感应产生的等离子体，产生异性带电粒子位置更接近高压电极板的模拟雷云电荷所以比一般避雷针更快速贯通放电。这个试验验证，防雷单元贯通放电越快，雷云电荷泄放越快，雷云电荷累积能量得到缓解，对地面危害降低。2.保护夹角大：该夹角几乎达到90度，绝缘介质阻挡放电过程产生带电粒子，快速吸附雷云、地面的电荷能量，使同等高度避雷针失效。3.中和效果好：高压电极板的电压为18～22千伏，雷击残留电压检测单元处的残留电压值小于120伏，约99％以上被中和，残留电压小于1％。实施例1地点：华北某发射基地(由于表格、附图中涉及具体的地理信息，为了防止泄密，地名、经纬度等信息经过处理)，该基地位于山区地带。设备：防雷单元、残留电压检测单元、雷电计数单元和雷电感应单元，防雷单元分别设置在30米、92米铁塔上，对应的每个铁塔设置一个残留电压检测单元，该基地及周边地区内设置多个雷电计数单元和一个雷电感应单元，雷电计数单元安装在开阔地处和铁塔上，雷电感应单元安装在92米铁塔上。在2017年8月中旬，该基地所在地区出现连续三天的强雷暴天气，降水达到700毫米，三天内由雷电计数单元和雷电感应单元测得的云地闪电和云间闪电共26000多次，三天雷电的检测数据见表1～3：s20170811雷电开始时间雷电结束时间正云地闪负云地闪云间闪雷电总计0:15:2818:37:3529025216482190表1：8月11日雷电检测数据s20170812表2：8月12日雷电检测数据s20170813雷电开始时间雷电结束时间正云地闪负云地闪云间闪雷电总计8:35:3821:09:5618819825872973表3：8月13日雷电检测数据如图10所示，图中闪电符号为检测到的雷击，哑铃符号代表需要重点关注的位置，该基地中分为两个部分，第一部分是位于上方的哑铃符号密集区，第二部分是位于中下方的哑铃符号密集区，两个部分分别有30米铁塔和92米铁塔，两个部分大致为折线包住的区域(受山区地形的影响，不是规则的形状)，该两个部分内分别具有30米铁塔和92米铁塔。2017年08月12日强雷暴天气过程如下：以4号气象台站为中心，半径30公里范围内，雷暴持续时间为13小时，落雷强度为1.66～90.26kva，雷电总数为21435，表4为雷电感应单元测得的数据，由于数据过多，只提供部分数据，其中自动记录的经纬度信息省略。表4：雷电感应单元测得的数据从表4中可知，8月12日发生的雷击非常密集，而且区域非常大，参看图10，经过雷电计数器单元和雷电感应单元的检测，折线区域右侧上方和右侧中部为雷击高发区域，而折线区域左侧均为雷击高发区域，相应的两个雷击残留电压检测电压检测到的多个残留电压均小于120伏，对铁塔自身和周边的电气设备无影响。在检测过程中出现了一个云地闪电的直击雷，见图10中的三角形标示的闪电符号，经过分析，该直击雷正好处于两个铁塔上的防雷单元保护范围之间的区域，即超过防雷单元800米的有效半径，导致唯一一个直击雷的出现。由上述内容可知，防雷单元有效的保护了该基地的第一部分、第二部分所在地区及其内设置的各种电气设备。实施例2地点：渤海中部某海岛，占地面积2.72平方公里，该岛地处渤海腹地，西北侧灯塔山的海拔高度是180米，每年雷雨季该岛雷电活动频繁，累计概率大大高于所属的烟台地区，雷击严重时，驻岛官兵和百姓所采用的关门上床来躲避雷击的方式已形成了避雷的规范。在灯塔山的山顶基座上安装防雷单元，山脚下设置雷击残留电压检测单元，山南、山北以及山脚处安装多个雷电计数器单元，在防雷单元下方安装雷电感应单元。检测结果证明，2017年一个雷雨季中，雷电计数器单元和雷电感应单元均没有检测到岛上发生雷击，而雷击残留电压检测单元记录了数十次残留电压，其数值低于120伏。由上述内容可知，防雷单元有效的保护了岛屿所在地区及其内设置的各种电气设备。实施例3地点：辽宁110千伏高压输电线路网，该线路网的某线路段处于鸭绿江边与凤凰山坡上，夏季顺江产生的东南风气流沿着山坡上升并影响当地气候，导致当地极易出现雷电，该区域高压线路经常因雷击掉闸。2017年3月前，在上述线路段中的每个高压输电塔架顶端安装一个防雷单元，每个高压输电塔架下端安装一个雷击残留电压检测单元，该线路段的每个高压输电塔架旁侧安装一个雷电计数器单元，最高处的高压输电塔架顶端安装一个雷电感应单元，共使用十台防雷单元。检测结果证明，2017年一个雷雨季中，雷电计数器单元和雷电感应单元均没有检测到该线路段所在地区内发生雷击，更没有出现往年的雷击掉闸现象，而雷击残留电压检测单元记录了数十次残留电压，其数值低于120伏。本发明中，防雷单元安装在保护范围内最高的建筑物的顶端，比如高楼、电视塔、电力塔架、无线电信发射塔、旅游景区设置的塔架、烟囱等处，利用其上端等高的接闪杆进行能量的聚集，然后在绝缘介质周围进行电荷的中和，使雷云能量消耗在设备周边有效半径处，而无法形成下行的泄放通道，阻雷后的残留电压小于或接近120伏，极大的小于正常情况时雷击泄放的电压，保证了建筑物内外及周边电气设备和通信设施的工作安全。当前第1页12