Устройство активной молниезащиты и отбора энергии молнии

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к технике защиты объектов от атмосферных перенапряжений и технике получения электрической энергии альтернативными способами. Сущность изобретения: в качестве молниеприемника используется вертикальная токопроводящая изолированная от земли труба, внутрь которой вниз дном вставлен толстостенный диэлектрический стакан так, чтобы верхняя часть трубы возвышалась над краями стакана. На внутреннюю поверхность стенок стакана нанесено заземленное токопроводящее покрытие. Труба-молниеприемник электрически соединена с одним концом первичной обмотки трансформатора, другой конец которой заземлен. Индуктивность первичной обмотки и емкость, сформированная токопроводящей трубой, стенками стакана и токопроводящим покрытием, образуют параллельный колебательный контур. Разряд молнии на трубу-молниеприемник инициируется протяженным оптическим пробоем, который формируется бесселевым пучком импульсного инфракрасного лазера. Конфигурацию и направление греющего пучка формирует управляемое дихроичное зеркало, расположенное внутри стакана. Это зеркало одновременно работает в составе системы оптического сканирования атмосферы, необходимой для выявления известным методом оптической локации зон с критическими градиентами напряжения в нижней части грозовых облаков. Энергия, снимаемая с вторичной обмотки трансформатора, используется для питания всех систем устройства, и часть ее может передаваться потребителям. Изобретение позволяет повысить надежность молниезащиты и площадь защищаемой территории, одновременно давая возможность получения электрической энергии в результате отбора ее из каналов разрядов молний, отводимых на токопроводящую трубу. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к технике защиты объектов от атмосферных перенапряжений и технике получения электрической энергии альтернативными способами.

Известно устройство, в котором вертикальная металлическая антенна-штырь, установленная на гибком тросе по центру внутри конусообразной спиральной пружины из изоляционного материала, раскачивается посредством сжатия и растягивания пружины. При этом нижний конец троса-снижения при помощи гибкого дополнительного троса заземляется через обмотку трансформатора, на вторичной обмотке которого создан электрический колебательный контур, и эта энергия используется для передачи потребителям (RU 96122019, МПК Н 02 Н 003/22, дата публикации 10.01.1999 г). Устройство взято в качестве прототипа устройства активной молниезащиты и отбора энергии молнии. Первый недостаток прототипа в том, что какой бы длинной не была антенна-штырь (а длина ее ограничена), зона защиты локализована вокруг устройства и имеет размеры, не сильно превосходящие зону защиты статического стержневого молниеотвода такой же высоты. При этом вообще нет надобности в раскачивании молниеприемника - достаточно неподвижно закрепить несколько одинаковых шестов нижними концами в одной точке таким образом, чтобы верхние их концы расходились наподобие метелки. Второй недостаток в том, что энергия разряда молнии отводится на индуктивность - первичную обмотку трансформатора, а колебательный контур устроен на вторичной обмотке этого трансформатора. В результате чего при разряде молнии ее ударный ток будет протекать по первичной обмотке трансформатора и генерировать в ней импульс в виде спектра электромагнитных колебаний всевозможных частот. Колебательный контур, созданный на вторичной обмотке, выделяет из этого спектра лишь резонансную частоту. Коэффициент полезного действия подобного преобразования невысок.

Известно также устройство на основе способа, согласно которому заземленный стержень располагают вертикально, при этом дополнительно используют ультрафиолетовый лазер (или другой источник, ионизирующий воздух), луч которого направляют вдоль заземленного стержня вертикально в вышерасположенные слои атмосферы, создавая тем самым в воздухе токопроводящую полосу из ионизированных газов, которая служит проводником для прохождения молнии в стержень, где она нейтрализуется заземлением (RU 2000125979, МПК Н 02 Н 003/22, дата публикации 10.09.2002 г). Первый недостаток данного устройства в том, что стержень глухо заземлен, а энергия разряда молнии никак не используется. Ко второму недостатку относится использование лазера ультрафиолетовой части спектра и связанные с этим неоправданно большие затраты энергии на инициацию оптического пробоя.

Существенные признаки, отличающие Устройство активной молниезащиты и отбора энергии молнии от прототипа, следующие. В качестве молниеприемника используется вертикально расположенная токопроводящая цилиндрическая труба, в которую снизу до уровня внутренней поверхности дна прочно вставлен цилиндрический толстостенный стакан из диэлектрического материала с большой относительной диэлектрической проницаемостью таким образом, чтобы верхняя часть трубы возвышалась над краями стакана. На внутреннюю поверхность стенок стакана снизу от дна до некоторого уровня нанесено заземленное токопроводящее покрытие. Оставшаяся свободной от токопроводящего покрытия внутренняя поверхность стенок стакана, во избежание замыкания тока молнии с токопроводящей трубы на покрытие, выполнена гофрированной горизонтальными круговыми канавками и выступами. Токопроводящая труба изолирована от земли и электрически соединена с одним концом первичной обмотки трансформатора, другой конец которой заземлен. Емкость токопроводящей трубы и токопроводящего покрытия вместе с заключенной между ними боковой стенкой стакана и индуктивность первичной обмотки трансформатора образуют параллельный колебательный контур. На уровне заземленного токопроводящего покрытия внутри стакана геометрическим центром на его оси вращения расположено дихроичное управляемое зеркало, нормальная ось отражающей поверхности которого образует свободно изменяемый острый угол с осью вращения стакана. Напротив зеркала неподвижно закреплены минимум два лазера, один из которых необходим для формирования протяженного оптического пробоя бесселевым пучком предпочтительно инфракрасной части спектра, а второй - для подсветки атмосферы в составе системы оптического сканирования атмосферы на наличие зон скопления зарядов, так, чтобы излучаемые ими соосные греющий и сканирующий лучи соответственно попадали в геометрический центр зеркала и отражались вверх. При этом ось отраженных лучей при изменении угла между нормалью зеркала и осью вращения стакана может свободно описывать правильный перевернутый конус с вершиной в геометрическом центре зеркала, касающийся своей боковой поверхностью внутренней окружности верхнего конца токопроводящей трубы. Вторичная понижающая обмотка трансформатора, подключена к выпрямителю, выход которого шунтирован конденсаторной батареей, которая посредством конвертора тока, выполненного по одной из общеизвестных схем, подсоединена параллельно аккумуляторной батарее. Последняя подключена к системе питания, подающей часть энергии на все системы устройства. Оставшаяся часть энергии аккумуляторной батареи может использоваться для передачи потребителям.

В составе Устройства активной молниезащиты и отбора энергии молнии (далее - устройства) имеются следующие элементы (фиг.1). Система статического контроля напряженности электрического поля в воздухе 1, которая все время включена и работает в ждущем режиме на сигнал, предназначена для запуска устройства в том случае, если модуль градиента напряжения в двух точках в воздухе на вертикальной трассе превысит некоторое критическое значение, указывающее на повышенное скопление электрических зарядов в нижних слоях облаков. Система управления (СУ) предназначена для включения всех систем устройства по сигналу от системы 1. Импульсный лазер 2 (в качестве него может быть использован Nd-лазер), работающий в ближнем или среднем ИК-диапазоне и имеющий одну из общеизвестных систем формирования вихревого волнового фронта световой волны, формирует пучок бесселевого профиля достаточной мощности для создания протяженного оптического пробоя. Лазер 3 (например, отпаянный СО₂-лазер) предназначен для подсветки атмосферы и в совокупности с управляемым дихроичным зеркалом 4, СУ и минимум одним приемником оптического излучения 5 входит в состав системы оптического сканирования атмосферы. Система оптического сканирования атмосферы необходима для выявления известным методом оптической локации критических градиентов напряжения в нижних слоях грозовых облаков (основанном, например, на эффекте Керра), т.е. границ областей скопления критического заряда, и работает на сигнал. Для питания всех систем устройства используется система питания совместно с распределительным устройством (СПРУ). Молниеприемником служит металлическая труба 6, электрически соединенная с одним концом первичной обмотки трансформатора Т, другой конец которой заземлен. Использование в качестве молниеприемника трубы позволяет в наибольшей степени снизить вероятность прорыва молнии к зеркалу 4. В трубу 6 снизу до уровня внутренней поверхности дна прочно вставлен цилиндрический толстостенный стакан 7 с внутренним диаметром D из материала с большой диэлектрической проницаемостью ε и толщиной боковой стенки d таким образом, чтобы верхняя часть трубы возвышалась над краями стакана. На внутреннюю поверхность стенок стакана снизу от уровня дна до уровня l нанесено заземленное металлическое покрытие 8. При этом во избежание перекрытия разрядом молнии промежутка между внутренней поверхностью трубы 6 и заземленным покрытием 8 оставшаяся свободной от покрытия 8 внутренняя поверхность стенок стакана выполнена гофрированной горизонтальными круговыми канавками и выступами 9. Во избежание прямого замыкания тока молнии с внешней поверхности трубы 6 на землю, минуя первичную обмотку трансформатора Т, труба 6 изолирована от земли, например, помещением ее вместе с выступающим дном стакана 7 в стакан 10 из диэлектрического материала. В дне стаканов 7 и 10 выполнен сквозной канал для подвода заземления к металлическому покрытию 8, а также прокладки питающих и сигнальных кабелей к блокам, находящимся внутри. Зеркало 4 используется как в системе оптического сканирования атмосферы, так и для управления конфигурацией и направлением излучения лазера 2. Так как энергия импульса излучения, генерируемого лазером 2, имеет порядок 10³ Дж и сконцентрирована в узком пучке, на зеркало 4 не должны попадать абсолютно никакие загрязнения, в том числе капли воды или другие атмосферные осадки. Для этого служит система форсунок 11, которые предназначены для создания достаточно быстрого горизонтального потока воздуха над отражающей поверхностью зеркала 4, движущегося ламинарно, имеющего температуру окружающего воздуха, и тем самым вносящего минимально возможные искажения в конфигурацию отраженного от зеркала излучения. Элементы 12, 13, КТ (конвертор тока) и 14 предназначены для съема и накопления отобранной из канала молнии энергии.

Технический результат работы устройства состоит в увеличении эффективности защиты от грозовой активности в идеальном случае в пределах горизонта, перекрываемого протяженным оптическим пробоем, и в получении электрической энергии в результате отбора ее из каналов разрядов молний, отводимых на токопроводящую трубу. При этом часть получаемой электрической энергии используется для электропитания лазеров и остальных систем, в результате чего устройство может весь сезон грозовой активности обеспечивать себя электроэнергией, то есть возможна полностью автономная работа. В случае эксплуатации устройства в географических зонах, где грозовая активность наиболее высокая, возможна его работа в режиме электростанции.

Устройство работает следующим образом (фиг.2). При превышении модуля градиента напряжения в двух точках в воздухе на вертикальной трассе некоторого критического значения, указывающего на повышенное скопление электрических зарядов на нижней границе облаков, система статического контроля напряженности электрического поля в воздухе 1 посылает сигнал запуска (прозрачными стрелками на фиг.2 показаны направления сигналов, темными стрелками - направления мощностей) системе управления СУ. При этом СУ включает все остальные системы устройства. В качестве источника подсветки атмосферы в системе оптического сканирования атмосферы может использоваться отпаянный СО₂-лазер 3, слаборасходящийся пучок на выходе которого известным образом поляризован. Лазеры 2 и 3 юстируются так, чтобы пучки, создаваемые ими, имели близкие параллельные друг другу оси. Лазер 3 работает все время, например, в импульсно-периодическом режиме, в то время как лазер 2 бездействует и излучает импульс только по сигналу от СУ. Зондирующее излучение 15 лазера 3, проходя вглубь нижних слоев 16 грозовых облаков, отражается от них и рассеивается. При этом управляемое зеркало 4 находится в движении, направляя зондирующее излучение 15 лазера 3 в разные точки нижних слоев облаков. Алгоритм управления зеркалом может быть любым, важно, однако, чтобы (в случае использования одного сканирующего лазера 3) зондирующий пучок 15 в результате движения зеркала покрывал как можно большую площадь за достаточно короткое время. Приемник оптического излучения 5, оснащенный полярископом, обнаруживает известные изменения поляризации отраженного зондирующего излучения 17, происходящие из-за рассеивания зондирующего пучка 15 на границах зон скопления зарядов 18 нижних слоев грозовых облаков. Как только приемник 5 фиксирует изменение поляризации отраженного зондирующего излучения, соответствующее зоне скопления критического заряда, он посылает сигнал системе управления СУ. В этот момент СУ подает сигнал на генерацию лазеру 2 и на короткий промежуток времени, достаточный для генерации импульса лазером 2, останавливает (или приостанавливает) движение зеркала 4. В результате импульс 19 лазера 2, отраженный зеркалом 4, посылается в том же направлении, в котором была обнаружена зона скопления критического электрического заряда 18. Оптический пробой вдоль трассы лазерного пучка 19 инициирует появление стримера между зоной скопления заряда 18 и верхней частью металлической трубы 6. Это вызывает протекание ударного тока молнии 20 по цепи: земля - металлическое покрытие 8 - металлическая труба 6 - атмосферная трасса - облако 16, что, в свою очередь, возбуждает затухающий колебательный процесс между зарядившейся емкостью, образованной покрытием 8, стаканом 7 и трубой 6, и первичной обмоткой трансформатора Т, включенной по отношению к ней параллельно. Т. е. происходит ударное возбуждение колебательного контура. При этом в моменты разряда емкости на обмотку I трансформатора Т возможна ее подзарядка током еще не потерявшего проводимость канала молнии 20 (фиг.2). Для этого требуется, чтобы собственная частота данного параллельного контура была достаточно большой. Согласно фиг.1 через конструктивные и электрические параметры элементов устройства в простейшем случае она равна

где ω₀ - резонансная частота контура;

С - емкость, образованная токопроводящим покрытием 8, боковой стенкой стакана 7 и токопроводящей трубой 6;

L - индуктивность первичной обмотки трансформатора Т;

D - внутренний диаметр стакана 7;

d - толщина боковой стенки стакана 7;

ε - относительная диэлектрическая проницаемость материала стакана;

l - высота заземленного токопроводящего покрытия 8.

Радиоимпульс, наведенный в обмотке II трансформатора Т (фиг.2), выпрямляется двухполупериодным выпрямителем 12 и подается на конденсаторную батарею 13, где происходит мгновенное накопление отведенной энергии, откуда затем с помощью конвертора тока КТ, выполненного по одной из общеизвестных схем, производится плавный съем накопленной энергии для зарядки аккумуляторной батареи 14 с целью последующей передачи ее части в СПРУ. При этом оставшаяся часть энергии может быть передана потребителям. В течение всего времени работы устройства должны работать форсунки 11, создавая над отражающей поверхностью зеркала 4 горизонтальный ламинарный поток воздуха 21.

1. Устройство молниезащиты и отбора энергии молнии, содержащее молниеприемник, заземленный через обмотку трансформатора, отличающееся тем, что молниеприемник представляет собой вертикально расположенную токопроводящую цилиндрическую трубу, в которую снизу до уровня внутренней поверхности дна прочно вставлен цилиндрический толстостенный стакан из диэлектрического материала с большой относительной диэлектрической проницаемостью таким образом, чтобы верхняя часть трубы возвышалась над его краями, при этом на внутреннюю поверхность стенок стакана снизу от уровня дна до уровня, меньшего высоты стенок, нанесено заземленное токопроводящее покрытие, а оставшаяся свободной от покрытия внутренняя поверхность стенок стакана выполнена гофрированной горизонтальными круговыми канавками и выступами, токопроводящая труба изолирована от земли и электрически соединена с одним концом первичной обмотки трансформатора, другой конец которой заземлен, на уровне заземленного токопроводящего покрытия геометрическим центром на оси вращения стакана расположено дихроичное управляемое зеркало, нормальная ось отражающей поверхности которого образует свободно изменяемый острый угол с осью вращения стакана, напротив зеркала неподвижно закреплены минимум два лазера, один из которых необходим для формирования протяженного оптического пробоя, а второй для подсветки атмосферы в составе системы оптического сканирования атмосферы на наличие зон скопления зарядов так, чтобы излучаемые ими соосные греющий и сканирующий лучи соответственно попадали в геометрический центр зеркала и отражались вверх, при этом общая ось отраженных лучей при изменении угла между нормалью отражающей поверхности зеркала и осью вращения стакана может свободно описывать правильный перевернутый конус с вершиной в геометрическом центре зеркала и касающийся боковой поверхностью внутренней окружности верхнего конца токопроводящей трубы, вторичная понижающая обмотка трансформатора подключена к выпрямителю, выход которого шунтирован конденсаторной батареей, которая посредством конвертора тока, выполненного по одной из общеизвестных схем, подсоединена параллельно аккумуляторной батарее, последняя подключена к системе питания, предназначенной для подачи части энергии аккумуляторной батареи на все системы устройства.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что над дихроичным управляемым зеркалом по бокам расположены форсунки, которые могут создавать над отражающей поверхностью зеркала столб воздуха, движущийся ламинарно в горизонтальном направлении и имеющий температуру окружающего воздуха.