专利名称：对物理事件的效应如闪电的效应进行防护的装置的制作方法
技术领域：
本发明的对象在于一种对物理事件的效应如闪电的效应进行防护的装置，该物理事件在电导体中产生电流。因此，本发明尤其适用于称为避雷针的装置。
背景技术：
闪电实际上是一种具有大破环能力的高强度放电。目前这种自然现象仍难以预见。为了直面这种情形，已知的防护闪电系统寻求以受控的方式向大地导引放电，以避免在工业设施和人口聚集中心产生损害。避雷针仍是这些预防闪电系统中的基础性元件之一。如此已知实际中的避雷针类型的装置，其例如布置在某些建筑物的顶部，其目的在于引受闪电，以使得闪电被疏导和引送到大地，并且如此不会击打其它任何地方。在基础版本的避雷针中，避雷针由桅杆或金属杆组成，桅杆或金属杆的端部可以完全是渐尖的(尖端的)或圆形的，并且布置在高处。这种杆体通过导电电缆与大地相连接。不同类型的改良型避雷针已经得到开发，避雷针的效力得到提高。这种避雷针更为细致地考虑如在下文中所阐述的由闪电构成的自然现象。在暴风雨时，云层带上电。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——承担巨型电容器的角色，在该电容器中空气承担电介质的角色。与闪电相关联的物理事件与电容器的退降(d6gradati0n)方法完全类似。如此，参照图Ia和lb，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开始，并同样垂直地进到带负电的表面11 (见图la)。表面的不平整引起电场线12的集中效应(见图lb)。电场的这种局部强化以尖端效应的名称公知。电场在凸凹不平的表面(asp6rit6)13周围中的强烈梯度引起，从某个阈值开始，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光效应的发光。在本说明书的下文中，电晕效应因此意指本身接着尖端效应进行的电离现象之后的发光。在电离中释放的带电微粒通过电场沿着力线加速，并通过碰撞其它分子结束。这种碰撞引起新的电离，在新的电离时，释放出新的带电微粒，并且伴随有相同的加速和碰撞方式。最终结果被称为电子雪崩，电子雪崩表现为传导经过在电容器板极之间的空间的电流。这种雪崩通过在电场中容纳的能量进行供给。该现象组成介电材料的退降方法或断裂方法的开始，介电材料在电子雪崩发生处变为导体。
如果如此建立的导电通路连接电容器的两板极，通过寻求等于两板级的带电状态，建立比电子雪崩的电流强烈很多的电流。通过类比，和参照图加到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，建立将雷雨云15的放电带向地面的导电通路14(见图h、2b、2c)。最常见类型的闪电通过从云层向地面的下行放电Ha开始，通常称为下行示踪器 (traceur) 14a(见图 2a)。当接近碰撞区域时，这种示踪器1 使得电场突然增大。这种增大引起在地面的不平整上出现电晕效应。如此产生称为上行示踪器14b的不同的电子雪崩电流(图2b)。这些电流向下行示踪器1 传导。当下行示踪器1 和上行示踪器14b之一接触时，建立导电通路14，该导电通路允许云层15向地面放电(图2c)。一旦电场的电流强度下降，余下的上行示踪器 14b耗尽。避雷针因此基于尖端效应的原理。实际上，避雷针利于在下行示踪器接近时形成上行示踪器。此外，物体被布置在高处，以使得从避雷针离开的上行示踪器对来自较低的不平整的可能的其它上行示踪器具有优势。如此通过将避雷针放置在高处，寻求最大化从避雷针离开的上行示踪器与下行示踪器建立接触和建立导电通路的可能性。一旦建立导电通路，该导电通路允许经过避雷针和导电电缆将闪电的放电导引直至大地。不同类型的改良型避雷针，和尤其是这些称为触发装置避雷针(PDA)的避雷针， 寻求通过从避雷针的杆体(上端部)产生上行示踪器来对这种现象进行预测，所述上行示踪器具有比通过位于附近的其它物体产生的上行示踪器更大的优势，即放电的导电通路在该避雷针处建立而不是在位于附近的物体处建立的可能性更大。这种改良型避雷针的原理在于利于产生生成上行示踪器的电子雪崩(例如通过放电)的事实。为了能够使该上行示踪器对由周围环境的不平整自然产生的上行示踪器具有优势，PDA应包括允许对下行示踪器的到达进行预测的部件。已知允许对闪电的到达进行预测的装置。当这种装置探测到下行示踪器到达时， 这种装置在避雷针的上端部附近产生放电，以产生电子雪崩，因此产生将与下行示踪器形成闪电放电的导电通路的上行示踪器。这种装置例如在文献FR 2590737或文献FR 2750806中进行描述。然而，在这些装置中安装的自由电荷的生成系统并不能真正地控制电荷生成的时刻。不过，电荷围绕避雷针的蓄积会具有负面效应，这是因为电荷引起屏蔽效应，同时局部地减小电场的值。为了试图解决该问题，某些装置，如在文献FR 2590737中描述的装置，纳入测量系统，该测量系统允许对下行示踪器的接近进行预测，并允许仅仅当必要时激活产生自由电荷的系统。确切地说，对电场变化的测量允许探测下行示踪器的接近。如此，当探测到与存在下行示踪器相关联的强烈电场变化时，系统发起在电极系统和避雷针的杆体之间的高压放电。这种放电产生大量的自由电荷，自由电荷依次产生电子雪崩。在这种装置中，关键在于能够测定需要产生自由电荷的准确时刻，同时最大化如此产生的上行示踪器是将截取下行示踪器的上行示踪器的可能性。概念“准确时刻”因此与以下时刻相关联，在该时刻下行示踪器足够接近以产生以下环境条件，该环境条件借助于在该时刻存在的稳定电场，允许电荷向形成示踪器变化。所有过早产生的电荷将不产生预期效应。另一方面，过迟产生的自由电荷会引起相对于在周围自然产生的示踪器没有任何优势的示踪器。在该第二种情形中，放电的导电通路在下行示踪器和来自邻近地面的另一不平整的上行示踪器之间形成的风险较大。避雷针如此并不有效地承担其防护效应。问题在于对电场值的探测不允许测定在哪个时刻电场足够用于引起能够产生电子雪崩的自由电荷。此外，可以产生这种电离的电场值具有复杂的依赖性，依赖于多个参数，如湿度、空气成分、液化气体的存在、和风力的存在，等......另外，在另一应用领域中，期望防护的物理事件可以是在某些工业环境中的高压放电，如在如果出现意外运行故障的情况下，可以在高压线路和配电站或配电网的变压器之间的连接点中产生的放电。

发明内容
本发明的目的因此在于提供一种对许多问题中的前述问题的解决方案。特别地，本发明的目的在于提出一种对物理事件的效应如闪电的效应进行防护的装置，所述装置能够直接地、被动地和有效地探测物理事件的接近。在其对防护闪电的特别应用中，本发明的装置的目的在于准确地探测应在收集器处发起电子雪崩的时刻，以产生用于与下行示踪器形成闪电的放电通路的上行示踪器。本发明如此涉及一种对能够引起介质的电离的物理事件的电效应进行防护的装置，该物理事件在该介质中产生，这种物理事件可以例如是闪电。装置包括探测部件，所述探测部件探测物理事件的接近，至少一物理事件收集器，所述收集器用于收集该物理事件的电效应；和触发部件，所述触发部件触发由所述收集器收集物理事件，所述触发部件能够产生从所述收集器起的电离通路。触发部件由探测部件进行控制。探测部件与收集器电绝缘，并且包括一电晕效应探测器，电晕效应探测器能够直接地探测在收集器处产生的电晕效应。如此，通过关注电晕效应——该电晕效应是由物理事件的接近引起的伴随电离的自然发光现象，并对该电晕效应进行探测，可以适时准确地发起收集器的动作(action)。在应用于防护闪电的情形中，如此可以探测下行示踪器的接近，和在准确时刻发起电子雪崩，电子雪崩将自收集器的上端部形成上行示踪器和提高该上行示踪器与下行示踪器再交接(rejoindre)以形成放电导电通路的可能性。
同样可能的是在如果出现意外运行故障的情况下，例如在高压线路和配电站或配电网中的变压器之间的连接点中，探测高压放电的形成，以产生将与放电交接和如此允许通过将放电引送到大地来疏导放电的上行示踪器。这种高压放电的传导机制和效应实际上与自然闪电的传导机制和效应相似(尽管电流强度经常较小)。本发明的装置因此允许疏导这种物理事件的效应，如疏导闪电或高压放电的效应。探测器相对于收集器的电绝缘允许在电属性效应的现象——如闪电——的情形中，摆脱由在收集器中的放电电流引起的致损坏的效应。在一实施变型中，收集器包括一金属杆体，金属杆体具有第一端部，并且金属杆体在第二端部通过一电导体与大地相连接。这种构型特别地应用于对闪电和闪电电流在大地中的放电进行防护。在此情形下，电晕效应探测器可以至少部分地布置在金属杆体处，优选地布置在金属杆体的端部处。这实际上是在杆体的端部附近首先产生电晕效应。探测器在杆体的端部附近的定位因此允许提高探测精度。在另一变型中，如有需要与前述任意一个或多个相结合，触发部件可以包括生成自由电荷的生成部件，生成部件优选地是高压放电发生器类型，或甚至是电离光源，如激光
ο还是在另一实施变型中，如有需要与前述任意一个或多个相结合，电晕效应探测器能够发送探测电晕效应的探测信号。探测部件包括电子控制部件，电子控制部件能够接收和识别探测信号，以如有需要激活触发部件。还是在另一实施变型中，如有需要与前述任意一个或多个相结合，电晕效应探测器包括能够探测电晕效应的光学传感器模块。可以设置电晕效应探测器如此包括能够将电晕效应向光学传感器模块传送的一个或多个光导，例如光纤。还是在另一实施变型中，如有需要与前述任意一个或多个相结合，装置包括能够对探测部件和/或如有需要对触发部件进行供电的能量源。该能量源优选地是一蓄电器，如一个或多个蓄电池、一个或多个电容器、或者一个或多个超电容，这些能量源通过由物理事件引起的电场变化，或甚至通过经过一光电和/ 或风力系统收集的能量进行充电。


通过阅读以下对优选实施变型的描述，本发明的其它特征和优点将更为清晰和完整地显示出来，这些实施变型仅作为非限制性的示例并参照附图给出，附图中-图la、Ib示意性地示出在电容器中的尖端效应现象；-图h、2b、2c示意性地示出闪电的形成过程；-图3示意性地示出根据本发明的装置的一示例。
具体实施例方式在该部分中，在应用于防护闪电的范围内，示出本发明的实施例。图la、Ib和加到2c在上文中已经进行了描述，并且涉及尖端效应的原理和其应用于防护闪电。在分别地对应于图3和图4的两实施例中，装置包括一收集器1、2。该收集器1、2包括金属杆体1，金属杆体的第一端部Ia可以呈尖端的形状，而金属杆体的第二端部Ib通过一导电体2与大地相连接。第一端部Ia也完全可以具有除呈尖端的渐尖型面外的其它型面，例如圆形型面。如在上文中已阐述的，在本应用中，目的在于利于适时发起上行示踪器，通过空气组成的介电质的断裂，上行示踪器将可以与下行示踪器形成一导电通路。该导电通路允许将闪电电流放电到收集器的杆体1中，继而通过导电体2放电到大地中。如此，通过以受控的方式向大地导引放电——该放电跟随导电通路经过在云层和地面之间的空气层的产生，收集器1、2吸收闪电效应——即吸收放电或电子放电，而没有对环境的损害。为了触发上行示踪器，使用一触发部件7。触发部件是自由电荷8发生器类型例如高压放电发生器，或电离光源(激光器或其它部件)。装置此外包括电晕效应的探测部件。在图3的示例中，电晕效应的探测部件3、4、5包括光学传感器模块，光学传感器模块具有一个或多个光学传感器，允许探测由电晕效应发出的光。该光学传感器模块优选地定位在收集器1、2的杆体1的端部Ia附近，用于更为准确的探测。在图3所示的变型中，在传感器模块3和杆体1之间设置光纤类型的一光导1，用于从杆体1的端部Ia向光学传感器模块3导引和传送由电晕效应发出的光。该变型具有允许光学传感器模块3与收集器1、2远离并因此尤其是允许保护与闪电相关联的放电的该光学传感器模块3的优点。电晕效应的探测部件能够建立和发送表示电晕效应的一信号，例如一电信号。电子控制部件5被设置以处理和识别表示电晕效应的该信号，和如有需要启动触发部件7。确切地说，电子控制部件5将接收的信号与电晕效应的识别标志进行比较，以确定是否应启动触发部件7。还设置一能量源6，能量源允许，当探测部件3、4、5和/或触发部件7存在时，对探测部件和/或如有需要对触发部件进行供电。该能量源6优选地是一蓄电器6，例如通过由暴风雨接近弓I起的电场变化(或甚至通过经过一光电系统和/或风力系统收集的电能)进行充电的蓄电器。如此，在应用于防护闪电的情形中，本发明的装置以如下方式运行。当下行示踪器接近装置附近时，电场通过尖端效应放大的强烈增大引起空气围绕收集器1、2的杆体1的端部Ia的空气的电离。在图3的示例的情形中，该电离伴随有发光，该发光通过光学传感器模块3进行探测，或通过光导4进行捕捉和向光学传感器模块3进行传送。光学传感器模块3将光学信号转化为电信号，电信号传送到电子控制部件5。电子控制部件5测定信号是否对应下行示踪器的电晕效应的识别标志。如果对应，电子控制部件5适时激活生成自由电荷8的部件7。由于通过下行示踪器产生的电场这些电荷8加速，并且这些电荷引起电子雪崩。 该电子雪崩组成形成上行示踪器的初始步骤。如果该上行示踪器截取下行示踪器，建立允许云层经过杆体1和导电体2向地面放电的导电通路。本说明书作为示例给出，并因此对于本发明没有限制性。特别地，本发明应用于除了防护闪电外的其它领域，尤其是涉及对能够产生介质的电离的物理事件的效应进行防护的任何领域，介质的电离在该物理事件中的效应中产生。还需要注意的是，本发明例如适用于，在如果出现意外运行故障的情况下，防护在高压线路和变压器——尤其是配电站或配电网中的变压器——之间的连接点中的高压放 H1^ ο
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权利要求
1.对能够引起介质的电离的物理事件的电效应进行防护的装置，所述物理事件在所述介质中产生，该所谓物理事件例如是闪电，所述装置包括探测部件(3，4，5)，所述探测部件探测所述物理事件的接近；物理事件的至少一收集器(1，2)，所述收集器用于收集所述物理事件的电效应；和触发部件(7)，所述触发部件触发由所述收集器(1, 收集物理事件，所述触发部件能够产生从收集器起的电离通路并且由所述探测部件(3，4，幻进行控制，所述探测部件(3,4,5)与所述收集器(1,2)电绝缘，其特征在于，所述探测部件(3，4，5)包括电晕效应探测器(3，4)，所述电晕效应探测器能够直接地探测在所述收集器(1, 处产生的电晕效应。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述收集器(1, 包括金属杆体(1)，所述金属杆体具有第一端部(Ia)，并且所述金属杆体在第二端部(Ib)通过一电导体( 与大地相连接。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电晕效应探测器(3，4)至少部分地布置在所述金属杆体(1)处，优选地布置在所述金属杆体的第一端部(Ia)处。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的装置，其特征在于，所述触发部件(7)包括生成自由电荷(8)的生成部件(7)，所述生成部件优选地是高压放电发生器类型，或是电离光源如激光器。
5.根据权利要求1到4中任一项所述的装置，其特征在于，所述电晕效应探测器(3，4) 能够发送探测电晕效应的探测信号；并且，所述探测部件(3，4，幻此外包括电子控制部件 (5)，所述电子控制部件能够接收和识别所述探测信号，以如有需要激活所述触发部件(7)。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的装置，其特征在于，所述电晕效应探测器(3，4) 包括能够探测所述电晕效应的光学传感器模块(3)。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电晕效应探测器(3，4)包括能够将所述电晕效应向所述光学传感器模块(3)传送的至少一光导G)，如光纤G)。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括能够对所述探测部件(3，4，5)和/或如有需要对所述触发部件(7)进行供电的能量源(6)。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述能量源(6)是一蓄电器(6)，所述蓄电器如有需要通过由物理事件的接近引起的电场变化进行充电。
全文摘要
本发明涉及对能够引起介质的电离的物理事件的电效应进行防护的装置，所述物理事件在所述介质中产生。装置包括探测部件(3，4，5)，所述探测部件用于探测物理事件的接近；至少一物理事件收集器(1，2)，所述收集器用于收集所述物理事件的电效应和触发部件(7)，所述触发部件触发由所述收集器收集物理事件，所述触发部件能够产生从收集器起的电离通路并且由所述探测部件进行控制。探测部件与收集器电绝缘并且包括电晕效应探测器，所述电晕效应探测器能够直接地探测在所述收集器处产生的电晕效应。如此，通过关注自然电离现象或电晕效应——所述自然电离现象或电晕效应由物理事件的接近引起，并对该自然电离现象或电晕效应进行探测，可以适时发起收集器的动作。
文档编号G01W1/16GK102369642SQ201080012601
公开日2012年3月7日 申请日期2010年3月22日 优先权日2009年3月20日
发明者F·洛佩, J·兰戈, L-A·勒福尔, S·弗沃 申请人:易敌雷公司