PL204398B1 - Piorunochron z przyspieszoną jonizacją powietrza - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest piorunochron z przyspieszoną jonizacją powietrza, zabezpieczający budowle przed wyładowaniami atmosferycznymi.

W pewnych warunkach atmosferycznych tworzą się chmury z nagromadzonym w sobie ładunkiem elektrycznym ujemnym skierowanym w kierunku ziemi. W przypadku, gdy ładunek ten jest zbyt duży, a wytworzone przez niego natężenie pola elektrycznego przekroczy pewien próg, to następuje wyładowanie elektryczne zupełne, czyli przeskok iskrowy. Pierwszy taki przeskok powoduje zjonizowanie atomów powietrza na długości rzędu 10-20 m, po czym sukcesywnie następują kolejne przeskoki jonizując kolejne atomy, doprowadzając do jonizacji lawinowej, a po dotarciu do ziemi następuje gwałtowne rozładowanie i przepływ ładunków dodatnich zgromadzonych w ziemi w kierunku chmury z ł adunkami ujemnymi.

Celem ukierunkowania wyładowania elektrycznego i kontroli przepływu tego ładunku z powstałej chmury w kierunku ziemi stosowane są piorunochrony o różnych rozwiązaniach konstrukcyjnych.

Znany powszechnie piorunochron Franklina o najprostszej konstrukcji stanowi zaostrzony na jednym końcu pręt metalowy połączony z ziemią. Ostrze tego pręta umieszczone w silnym polu elektrycznym powoduje jonizację powietrza w przestrzeni otaczającej to ostrze. Jego zasada działania polega na tym, że tworzą się dwa kanały przewodzące powstałe jony - pierwszy ujemny od chmury w kierunku ziemi i drugi dodatni z pewnym opóź nieniem od ostrza piorunochronu w kierunku chmury, przy czym im wyżej nastąpi ich spotkanie tym skuteczność tego piorunochronu jest większa. Jednocześnie stwierdzono, że skuteczność piorunochronu jest tym większa im szybciej nastąpi jonizacja wokół jego ostrza, dając początek wytwarzania się drugiego kanału przewodzącego w kierunku chmury, przy czym istnieją różne znane metody podniesienia tej skuteczności.

Jedna z tych metod polega na jonizowaniu powietrza za pomocą źródła radioaktywnego, mającego na celu wytworzenie wolnych ładunków elektrycznych wokół ostrza piorunochronu. Wadą tego rozwiązania jest to, że w momencie uderzenia pioruna następuje rozerwanie się elementu radioaktywnego powodując skażenie radioaktywne atmosfery.

Inna znana metoda powodująca przyśpieszenie jonizacji powietrza polega na jonizacji za pomocą piezoelektryka połączonego z ziemią, w który zaopatrzony jest zwód piorunochronu oraz dodatkowy przewód elektryczny. Zasada działania tego piorunochronu polega na przetwarzaniu ruchów mechanicznych, wywołanych siłą wiatru zwodu piorunochronu w impulsy wysokiego napięcia jonizujące powietrze pod wpływem nacisków tego zwodu na piezoelektryk. Jednakże piorunochron ten spełnia swoją funkcję tylko w przypadku występowania wiatru.

Znana jest również metoda przyśpieszonej jonizacji powietrza za pomocą impulsów elektrycznych wokół ostrza piorunochronu, które odizolowane jest od ziemi kondensatorem z układem elektronicznym. Przy tej metodzie ostrze piorunochronu ładuje się elektrycznie w czasie burzy, a zebrany ładunek elektryczny jest gromadzony w kondensatorze układu elektronicznego, po czym jest on przetwarzany na impuls wysokonapięciowy, podnoszący potencjał elektryczny ostrza, przyśpieszając wokół niego jonizację powietrza, a w momencie wyładowania pioruna następuje wyładowanie elektryczne pomiędzy elektrodami kondensatora. Wadą tego piorunochronu jest to, że elektrody kondensatora nie są połączone z sobą elementem metalowym, w związku z czym w przypadku uszkodzenia układu elektronicznego piorunochron ten staje się zupełnie nieskuteczny.

Znana jest także metoda przyśpieszenia jonizacji powietrza wokół ostrza elektrody głównej piorunochronu za pomocą dodatkowych dwóch elektrod usytuowanych poniżej ostrza, w której elektrody i ostrze połączone są z ziemią poprzez układ elektroniczny zawierający elektrody zbierające. Elektrody te zbierają ładunki elektryczne przetwarzane przez układ elektroniczny w wysokie napięcie dostarczone do elektrod bocznych, powodujących jonizację powietrza w pobliżu ostrza elektrody głównej. W metodzie tej nastę puje jonizowanie powietrza przez elektrody boczne poniż ej elektrody gł ównej, co ogranicza skuteczność działania tego piorunochronu.

Przyśpieszoną jonizację powietrza z jednoczesną ochroną przed zniszczeniem ostrza elektrody głównej jonizacyjnej uzyskano także, przez zastosowanie piorunochronu według polskiego opisu patentowego wynalazku 192177 składającego się z głównej elektrody jonizacyjnej zaopatrzonej w elektrodę przeskoku, połączonej szeregowo poprzez cewkę i iskrownik z ziemią oraz z co najmniej jednej elektrody zbiorczej połączonej bezpośrednio z ziemią. W piorunochronie tym elektroda zbiorcza usytuowana jest naprzeciw i w pobliżu elektrody przeskoku, zaś iskrownik złożony jest z ostrza oraz usytuowanej naprzeciw niego elektrody płaskiej. W rozwiązaniu tym pole elektryczne pochodzące od

PL 204 398 B1 naładowanej chmury lub ze schodzącego w kierunku ziemi wyładowania atmosferycznego skupia się na ostrzu piorunochronu, spełniającym funkcje elektrody zbierającej pole elektryczne, po czym poprzez cewkę potencjał elektryczny przenoszony jest na ostrze iskiernika, inicjując w obszarze pomiędzy nim i elektrodą płaską jonizację, co z kolei powoduje podniesienie potencjału na ostrzu elektrody głównej jonizacyjnej, dając początek jonizacji powietrza wokół tego ostrza.

Stwierdzono, że skuteczność działania piorunochronu zależy w sposób istotny od wielkości prądu jonizacji, czyli płynącego ładunku elektrycznego mającego początek przy ostrzu jego elektrody głównej, gdyż wytwarzane jony są źródłem reakcji lawinowej towarzyszącej przebiciu elektrycznemu powietrza.

Celem wynalazku jest opracowanie prostej i niezawodnej konstrukcji piorunochronu, umożliwiającego przyspieszoną jonizację powietrza wokół jego ostrza z jednoczesnym znacznym zwiększeniem skuteczności jego działania.

Istota rozwiązania konstrukcyjnego piorunochronu według wynalazku polega na tym, że jego cewka wysokonapięciowa umieszczona jest w metalowej elektrodzie wzmacniającej z zaślepionym górnym jej czołem, połączonym szeregowo z ostrzem elektrody głównej jonizacyjnej, przy czym przestrzeń pomiędzy tą cewką i elektrodą wzmacniającą wypełniona jest dielektrykiem stałym, korzystnie żywicą poliuretanową. Średnica elektrody wzmacniającej wynosi od 1,3 do 5,0 wielkości średnicy cewki wysokonapięciowej. Korzystnym jest, gdy elektroda wzmacniająca wykonana jest z metalu, zwłaszcza z blachy stalowej. Korzystnym jest również, gdy elektroda wzmacniająca wykonana jest w postaci powłoki metalizowanej. Korzystnym jest także, gdy elektroda wzmacniająca posiada średnicę o wymiarach od 20 mm do 100 mm, zwłaszcza 50 mm, długość wynoszącą od 50 mm do 1000 mm, zwłaszcza 350 mm i grubość wynoszącą od 0,2 mm do 50 mm, zwłaszcza 2 mm.

Rozwijająca się oddolna zjonizowana ścieżka powietrza osłabia jego wytrzymałość, stwarzając możliwość łatwiejszego przebicia pomiędzy czołem schodzącego pioruna - wyładowania atmosferycznego. Z kolei, cewka wysokonapięciowa spełnia funkcję zaporową przy gwałtownym naroście prądu, powodującym przeskok wyładowania pioruna pomiędzy elektrodą zewnętrzną i elektrodą uziemiającą, omijając w ten sposób środek piorunochronu, w wyniku czego cewka wraz z iskiernikiem są chronione przed zniszczeniem.

Przedmiot wynalazku jest bliżej objaśniony w przykładach wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat ideowy piorunochronu z przyśpieszoną jonizacją powietrza, a fig. 2 schemat ideowy odmiany tego piorunochronu.

Piorunochron z przyspieszoną jonizacją powietrza przedstawiony na fig. 1 składa się z głównej elektrody jonizacyjnej 1 zaopatrzonej w ostrze 2, połączonej szeregowo poprzez elektrodę wzmacniającą 3 z cewką wysokonapięciową 4 i ostrzem iskrownika 5 usytuowanego naprzeciw jego elektrody płaskiej 6 połączonej poprzez elektrodę zewnętrzną 7 z elektrodą uziemiającą 8, przy czym górny człon elektrody zewnętrznej 7 usytuowany jest naprzeciw głównej elektrody jonizacyjnej 1, a przestrzeń pomiędzy główną elektrodą jonizacyjną 1, elektrodą zewnętrzną 7, elektrodą uziemiającą 8, oraz wewnątrz elektrody wzmacniającej 3 wypełniona jest dielektrykiem stałym 9, korzystnie żywicą poliuretanową. Elektrodę wzmacniającą 3 stanowi cienka powłoka metalowa naniesiona metodą metalizacji na rurze tworzywowej 10 zaślepionej od strony głównej elektrody jonizacyjnej 1 dnem 11, a jej wylot usytuowany jest nad iskrownikiem 5. Elektroda wzmacniająca 3 o długości 100 mm i o średnicy 50 mm, posiada powłokę metalową o grubości 0,2 mm wykonaną metodą metalizacji na rurze tworzywowej 10, przy czym w innych przykładach wykonania stosowano elektrody wzmacniające o długościach 50 mm i 500 mm i o średnicach 20 mm i 100 mm.

W drugim przykładzie wykonania przedstawionym na fig. 2, piorunochron składa się z ostrza 2 jonizującego powietrze, połączonego szeregowo poprzez rurową elektrodę wzmacniającą 3 z cewką wysokonapięciową 4 i ostrzem iskrownika 5, usytuowanym naprzeciw jego elektrody płaskiej 6 połączonej z elektrodą uziemiającą 8, przy czym elektroda płaska 6 usytuowana jest w okolicach wylotu rurowej elektrody wzmacniającej 3. W tym przypadku elektroda wzmacniająca 3 wykonana jest z rury metalowej jednostronnie zaślepionej o grubości 2 mm, długości 350 mm i średnicy 75 mm, zaś w innych wykonaniach stosowano elektrody wzmacniające o grubości 1,0 mm, długości 100 mm i średnicy 25 mm, lub grubości 5 mm, długości 500 mm i średnicy 75 mm lub o grubości 50 mm, długości 1000 mm i średnicy 100 mm.

Zastosowanie elektrody wzmacniającej 3 umożliwia zgromadzenie większej ilości ładunku elektrycznego indukowanego przez pole elektryczne wyładowania atmosferycznego oraz utworzenie roz4

PL 204 398 B1 proszonego układu pojemnościowego pomiędzy tą elektrodą i cewką wysokonapięciową, dostarczającego energię elektryczną do układu generującego jony - prąd jonizacji.

Metodą prób i badań ustalono optymalne wymiary elektrody wzmacniającej 3 stwierdzając przy tym, że zwiększenie średnicy tej elektrody powoduje zwiększenie ilości gromadzonego ładunku elektrycznego, zaś zwiększenie odległości pomiędzy cewką wysokonapięciową 4 i elektrodą wzmacniającą 3 zmniejsza pojemność układu cewka - elektroda wzmacniająca, natomiast zwiększenie średnicy tej cewki pogarsza jej sprawność.

Ustalono zatem, że optymalnymi warunkami są gdy średnica elektrody wzmacniającej 3 wynosi 1,3-5,0 wielkości średnicy cewki wysokonapięciowej 4. Optymalnie przy średnicy cewki 30 mm średnica elektrody wzmacniającej wynosi 50 mm. Z kolei, mając na uwadze zwiększenie odporności na działanie wiatru optymalna długość elektrody wzmacniającej 3 winna wynosić 350 mm.

W przykładzie wykonania piorunochronu pokazanego na fig. 1 w czasie przepływu prądu stałego nie ujawnia się jego istnienie, gdyż potencjał cewki wysokonapięciowej 4 na całej jej długości jest taki sam jak potencjał elektrody wzmacniającej 3, zaś przypadku zaniku prądu płynącego przez tę cewkę powstaje spadek napięcia na całej jej długości, w wyniku czego pojawia się różnica potencjałów pomiędzy zewnętrznymi zwojami tej cewki i elektrodą wzmacniającą 3. Wówczas następuje rozładowanie się kondensatorów rozproszonej pojemności, to jest dostarczenie energii elektrycznej w postaci dodatkowego prądu w cewce wysokonapięciowej 4 w postaci wysokich harmonicznych przebiegów prądowych o wysokich częstotliwościach.

Powstające w ten sposób nowe wysokie harmoniczne przebiegi o wysokich częstotliwościach są generatorem dodatkowych przepięć wzmacniających jonizację wokół ostrza 2 głównej elektrody jonizacyjnej 1.

Dzięki temu rozwiązaniu otrzymano prąd jonizacji kilkakrotnie większy, w wyniku czego skuteczność piorunochronu wzrosła prawie dwukrotnie.

Z kolei, w przykładzie wykonania piorunochronu pokazanym na fig. 2 elektroda wzmacniająca 3 wykorzystana jest do przeniesienia prądu wyładowania elektrycznego w kierunku do elektrody uziemiającej 8, równoważnej elektrodzie zewnętrznej 7 pokazanej w przykładzie wykonania na fig. 1, co powoduje, że w tym przypadku elektroda wzmacniająca 3 musi być wykonana z metalu o większej grubości w porównaniu do elektrody według pierwszego przykładu wykonania, która może posiadać tylko cienką powłokę metalową.

Claims (9)

1. Piorunochron z przyspieszoną jonizacją powietrza wokół jego ostrza składający się z elektrody głównej jonizacyjnej połączonej szeregowo poprzez cewkę wysokonapięciową i iskrownik z elektrodą uziemiającą, znamienny tym, że cewka wysokonapięciowa (4) umieszczona jest w metalowej elektrodzie wzmacniającej (3) z zaślepionym górnym jej czołem połączonym z ostrzem (2) elektrody głównej jonizacyjnej (1).

2. Piorunochron według zastrz. 1, znamienny tym, że przestrzeń pomiędzy elektrodą wzmacniającą (3) i cewką wysokonapięciową (4) wypełniona jest dielektrykiem stałym (9).

3. Piorunochron według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że dielektrykiem stałym korzystnie jest żywica poliuretanowa.

4. Piorunochron według zastrz. 1, znamienny tym, że średnica elektrody wzmacniającej (3) wynosi od 1,3 do 5,0 wielkości średnicy cewki wysokonapięciowej (4).

5. Piorunochron według zastrz. 1, znamienny tym, że elektroda wzmacniająca (3) wykonana jest z metalu, korzystnie z blachy stalowej.

6. Piorunochron według zastrz. 1, znamienny tym, że elektroda wzmacniająca (3) wykonana jest w postaci powłoki metalizowanej.

7. Piorunochron według zastrz. 1, znamienny tym, że elektroda wzmacniająca (3) posiada średnicę o wymiarach od 20 mm do 100 mm, korzystnie 50 mm.

8. Piorunochron według zastrz. 1, znamienny tym, że elektroda wzmacniająca (3) posiada długość wynoszącą od 50 mm do 1000 mm, korzystnie 350 mm.

9. Piorunochron według zastrz. 1, znamienny tym, że elektroda wzmacniająca (3) posiada grubość wynoszącą od 0,2 mm do 50 mm, korzystnie 2 mm.