一種利用趨膚效應和渦流在防雷領域的應用方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種利用高頻雷電流的趨膚效應和渦流原理在電力、電子、通信、交通、石化、風電等防雷、防雷接地、防止地電壓反擊等防雷領域應用的方法及裝置，其特征在于有中心導體周邊包裹導磁體組成一個導體，他們共同組成一個對雷電高頻電流有阻礙、反射作用的防雷裝置，而對直流和工頻電源的電流可以正常通過，沒有或影響很小，從而減小減弱雷電流進入后端保護設備，提高雷電防護效果，保證電力、電子(通信)網絡的正常工作和設備維護人員的安全。
【專利說明】一種利用趨膚效應和渦流在防雷領域的應用方法和裝置
所屬【技術領域】
[0001](2)本發(fā)明屬于防雷【技術領域】，是一種利用高頻雷電流的趨膚效應又叫集膚效應和窩流原理，在電力、電子、通信、交通、石化、風電等防雷、防雷接地、防止地電壓反擊等防雷領域應用的方法及裝置。
【背景技術】
[0002](3)雷電災害被國際電工委員會(IEC)認為是“電子化時代的一大公害”，它每年帶給全球十億美元以上的損失。雷擊發(fā)生時，雷擊放電誘發(fā)雷擊電磁脈沖過電壓和過電流，經電源系統(tǒng)、信號傳輸通道、接地系統(tǒng)及建筑物直擊雷防護系統(tǒng)，通過傳導、感應的方式損壞各種電子設備及網絡通信設備，造成損失巨大，直接威脅正常電力、電子、通信、交通、石化、風電等行業(yè)的安全生產。
[0003](4)目前傳統(tǒng)和通用的設備雷電防護采取外部防雷和內部防雷結合綜合防護的方法，外部防護采用避雷針、避雷帶等，內部防護采用安裝浪涌保護器(sro)、等電位連接、聯(lián)合地網、接地、屏蔽、合理布線等。
[0004](5)在這些措施中通常會在電源側安裝浪涌保護器(SPD)泄放雷電流，在接地側用防雷接地、保護接地、工作接地接入聯(lián)合地網進行相應防護。
[0005](6)但這些措施只是減少了雷害的發(fā)生概率，在電力、電子、通信、交通、石化、風電等行業(yè)每年因為雷電而造成的災害仍然很多，因雷電造成損失很大，對很多行業(yè)的安全生產造成很大的威脅，所以很多科研機構和人士目前仍在投入很大的精力和經費進行雷電的防護研究。
[0006](7)趨膚效應亦稱為“集膚效應”。交變電流通過導體時，由于感應作用引起導體截面上電流分布不均勻，愈近導體表面電流密度越大，這種現(xiàn)象稱“趨膚效應”，趨膚效應使導體的有效電阻增加，頻率越高，趨膚效應越顯著。當頻率很高的電流通過導線時，可以認為電流只在導線表面上很薄的一層中流過，這等效于導線的截面減小，電阻增大。利用趨膚效應原理，在雷電防護之外的領域已經有很廣泛的應用例如:利用趨膚效應原理，高頻時導線的中心部分幾乎沒有電流通過，就可以把這中心部分除去以節(jié)約材料，在高頻電路中可以采用空心導線代替實心導線。此外，為了削弱趨膚效應，在高頻電路中也往往使用多股相互絕緣細導線編織成束來代替同樣截面積的粗導線，這種多股線束稱為辮線。在工業(yè)應用方面，利用趨膚效應可以對金屬進行表面淬火。
[0007](8)我們經過長期研究，發(fā)明了一種利用高頻電流的趨膚效應又叫集膚效應和窩流原理，在電力、電子、通信、交通、石化、風電等防雷、防雷接地、防止地電壓反擊等防雷領域應用的方法及裝置，可有效的提高目前的防雷效果。

【發(fā)明內容】

[0008](9)本發(fā)明現(xiàn)有技術狀況:目前傳統(tǒng)和通用的設備雷電防護采取外部防雷和內部防雷相結合綜合防護的方法，外部防護采用避雷針、避雷帶等，內部防護采用安裝浪涌保護器(sro)、等電位連接、聯(lián)合地網、接地、屏蔽、合理布線等。在這些措施中通常會在電源側安裝浪涌保護器(SPD)泄放雷電流，在接地側用防雷接地、保護接地、工作接地接入聯(lián)合地網進行相應防護。
[0009](10)但這些措施只是減少了雷害的發(fā)生概率，在電力、電子、通信、交通、石化、風電等行業(yè)每年因為雷電而造成的災害仍然很多，因雷電造成損失很大，對很多行業(yè)的安全生產造成很大的威脅，所以很多科研機構和人士目前仍在投入很大的精力和經費進行雷電的防護研究。
[0010](11)現(xiàn)有技術存在的技術問題:電源側安裝浪涌保護器(SPD)泄放雷電流，泄放的只是部分雷電流，仍會有較強雷電流通過電源系統(tǒng)進入系統(tǒng)和設備，損害用電設備，造成雷電災害。防雷接地、保護接地、工作接地接入聯(lián)合地網，目前防雷措施容易忽視或沒有有效措施防止雷電時地電位反擊造成設備損害，而雷電通過接地系統(tǒng)侵入設備，造成損害是目前雷災的重要原因之一。
[0011](12)本專利的技術方案是:本發(fā)明屬于防雷【技術領域】，是一種利用高頻電流的趨膚效應又叫集膚效應和渦流原理，在電力、電子、通信設備防雷、防雷接地、防止地電壓反擊等防雷領域應用的方法及裝置。
[0012](13)集膚效應又叫趨膚效應，當交變電流通過導體時，電流將集中在導體表面流過，這種現(xiàn)象叫集膚效應。原因是電流或電壓以頻率較高的電子在導體中傳導時，會聚集于總導體表層，而非平均分布于整個導體的截面積中，頻率越高，趨膚效用越顯著。
[0013](14)這種顯現(xiàn)原因是當導線流過交變電流時，在導線內部將產生與電流方向相反的電動勢，由于導線中心較導線表面的磁鏈大，在導線中心處產生的電動勢就比在導線表面附近處產生的電動勢大。這樣作用的結果，電流在表面流動，中心則無電流，這種由導線本身電流產生之磁場使導線電流在表面流動。
[0014](15)這種現(xiàn)象也可由通電鐵磁性材料靠近未通電的鐵磁性材料在未通電的鐵磁性材料表面產生方向相反的磁場，有了磁場就會產生切割磁力線的電流這個電流就是所謂的渦旋電流，產生現(xiàn)象就是集膚效應。
[0015](16)同時，當交變電流通過導線時，電流密度在導線橫截面上的分布是不均勻的，并隨著電流變化頻率的升高，電流將越來越集中于導線的表面附近，導線內部的電流卻越來越小的現(xiàn)象稱為趨膚效應。引起趨膚效應的原因就是渦流。
[0016](17)根據研究成果:雷電流能量頻譜分布為高頻，其能量主要集中在IOOHz?IOOKHz,占總能量的95%以上，其中IKHz以上頻率段能量占了 76%，而工頻附近O?IOOHz的能量只占2.3%左右。
[0017](18)根據以上雷電流的特點，我們發(fā)明出一種利用高頻雷電電流的趨膚效應又叫集膚效應和窩流原理，在電力、電子、通信、設備防雷、防雷接地、防止地電壓反擊等防雷領域應用的方法及裝置。
【專利附圖】

【附圖說明】
圖1是本發(fā)明應用方法和裝置實施例示意圖。
圖2是本發(fā)明在雷電防護領域的實施例的應用示意圖。
[0018](19)本發(fā)明的實施方法是如圖1，有中心導體(導體①)、周邊包裹導磁體(導磁體②)組成一個導體，他們共同組成一個對雷電高頻電流有阻礙、反射作用的防雷裝置，而對直流和工頻電源的電流可以正常通過，沒有或影響很小。
[0019](20)本發(fā)明的方法和裝置的原理分析如下。
[0020]當以直流信號加在導線上時，在導體內電子的運動，將以均勻的分布通過導體的截面積，當所加信號為一交流信號或雷電高頻信號時，導線的每個電子，運動所產生的磁場的變化，因擴張與縮陷，都會影響被其包圍在內的電子，產生一種自感應(sel-Dinduction)現(xiàn)象，在導體中心的磁通密度甚大，以致中心部份的電子運動，嚴重受阻，將會阻礙周圍電子的運動，當信號頻率增高時，對中心部份電流的阻力會增強，因而使中心部份的電流減少，而絕大部份的電子，都將沿導線膚表流動，是為集膚效應(skin-effect)，當信號頻率高至IOOMHz以上時，在中心部份運動的電子甚少，可將導線的中心部份除去，而在傳導效果上，亦不致會有顯著的影響:由是可知，當信號頻率升高時，導體的有效截面積會減少。且因導線的電阻與其截面積成反比，則電阻將因信號頻率升高而增加，亦即集膚效應將使導線的電阻增加，是為交流電阻。我們采用導體周邊包裹導磁體，采用特殊工藝，使導磁體和導體結合充分，這樣大大增加和強化趨膚效應，使雷電流時獲得更強的交流電阻。
[0021](21)在雷電流高頻信號下由于集膚效應的影響，導線中的電流密度，自表面向其中心以指數(shù)模式下降，一般取其降至表面密度的38%之處的深度，稱之為集膚厚度(skindepth)，以 d 表不。
[0022](22)我們將導磁體包裹導體制成的導體直徑大於2d時，相對而言，則導線的中心部份，即圖中導體①，已基本無傳導雷電流功能，我們周圍包括的導磁體②更會加強雷電流的這中趨膚現(xiàn)象，雷電流向導磁體的表面積聚通過，而此時通過雷電流的截面積瞬間急劇減小，同時產生極高的雷電流高頻交流電阻，對雷電流起到阻礙和反射作用。
[0023](23)經過試驗，采用本發(fā)明方法和裝置，目前在實驗室能夠在IKHz?IOOKHz的頻帶上實現(xiàn)8dB?15dB的衰減；而在O?IOOHz頻帶中只有0.02dB?IdB的衰減。因此該發(fā)明可以實現(xiàn)只針對雷電流頻段的阻礙和反射功能，而對工頻和直流幾乎沒有影響。從而在電力、電子設備防雷、防雷接地、防止地電壓反擊等防雷領域應用，提高防雷效果，是一種新的方法和思路。
[0024](24)本發(fā)明帶來的有益效果是:我們在雷電流入侵通道上串接入本發(fā)明裝置，雷電流入侵瞬間本發(fā)明裝置會對雷電流產生阻礙和反射功能，使雷電流通過其他通道泄放，比如通過前端并聯(lián)浪涌保護器sro泄放到大地，減小減弱雷電流進入設備。提高雷電防護效果，保證電力、電子(通信)網絡的正常工作和設備維護人員的安全。
[0025](25)下面結合附圖和在雷電防護領域的實施例對本發(fā)明進一步說明:
[0026](26)如圖2所示，在雷電入侵通路如設備電源端，先并聯(lián)浪涌保護器1、聯(lián)浪涌保護器2，浪涌保護器一端接電源，另一端接入地網；在浪涌保護器后串聯(lián)接入本發(fā)明裝置I和本發(fā)明裝置2的一端，用戶設備的電源接入本發(fā)明裝置1、本發(fā)明裝置2的另一端。
[0027](27)本實施例工作原理:當無雷電流等浪涌電流的正常工作狀態(tài)下，本發(fā)明裝置I的趨膚效應影響很小，交流阻抗值為零或影響很小，可以保證交流、直流正常給設備提供工作電源。當雷電流來臨時，因為雷電流的高頻性，本發(fā)明裝置1、發(fā)明裝置2的趨膚效應急劇增強，交流阻抗值瞬間變大，起到阻礙和反射雷電流的作用，使雷電流通過浪涌保護器1、聯(lián)浪涌保護器2快速泄放到大地，減小減少雷電流流入后端設備I，從而實現(xiàn)增強對設備I的保護。
【權利要求】
1.本發(fā)明屬于防雷【技術領域】，其特征是:利用高頻電流的趨膚效應又叫集膚效應和窩流原理在防雷領域的應用，利用工頻或直流電源的低頻特性，產生趨膚效應小，從而交流阻抗低；雷電流高頻特性，趨膚效應急劇增加，交流阻抗瞬間變大，從而對雷電流形成阻礙和反擊。
2.根據權利I的要求，本發(fā)明裝置的另一特征是:內部有中心導體，外部包裹導磁體，它們經過工藝處理，緊密結合。
3.根據權利I的要求，在保護接地、工作接地與聯(lián)合接地網之間串聯(lián)本發(fā)明裝置，防止雷電時地電位反擊。
4.根據權利I的要求，在雷電流通道包含電源雷電通道但不限于電源雷電通道串聯(lián)本發(fā)明裝置，防止雷電流竄入后端設備。
5.根據權利2的要求包含但不限于中心導體外部包裹導磁體的防雷裝置。
6.根據權利I的要求，包含利用趨膚效應、集膚效應、渦電流原理在防雷領域的應用方法和裝置。
【文檔編號】H02H9/02GK103839635SQ201210486832
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2012年11月26日 優(yōu)先權日:2012年11月26日
【發(fā)明者】周敬波 申請人:周敬波