[发明专利]一种基于位移电流的雷电电磁中和器及其参数计算方法

权利要求书

1.一种基于位移电流的雷电电磁中和器的参数计算方法，用于计算一种基于位移电流的雷电电磁中和器的参数，所述中和器包括：接闪器(1)、可变电容(2)、可变电阻(3)和引下线(4)；所述可变电容(2)和可变电阻(3)并联，然后分别与接闪器(1)及引下线(4)串联；

所述接闪器(1)，用于感应雷云电荷；所述可变电容(2)，用于当其两端感应的雷云电压小于第一阈值时，产生mA级别及以下的小位移电流；否则，产生mA～kA级别及以上的大位移电流；所述可变电阻(3)，用于控制可变电容(2)产生的位移电流的时间常数，还用于防止可变电容(2)损坏；所述引下线(4)，用于与接地网络连；

所述可变电容(2)为由半导体势垒电容构成的压敏电容，所述可变电容(2)的变化范围设置为1nF～1μF；所述可变电阻(3)为半导体压敏电阻，所述可变电阻(3)的变化范围设置为1Ω～300MΩ；当所述可变电阻(3)两端电压低于第二阈值时，所述可变电阻(3)处于绝缘状态；否则，可变电阻(3)处于饱和导通状态；所述第二阈值与第一阈值相等；所述接闪器(1)为金属导体；所述引下线(4)为金属导体；

所述方法包括：

步骤1)基于雷云的近似等效电路模型和所述雷电电磁中和器建立闭合电路；

步骤2)根据基尔霍夫第一定律计算t时刻的雷电电磁中和器的感应电压；

步骤3)根据雷电电磁中和器的可变电容(2)的电容值，计算可变电容(2)产生的位移电流i_Cv、可变电阻(3)流过的传导电流i_R及产生的总位移电流I；

步骤4)根据产生的总位移电流I计算闭合电路的中和参数。

2.根据权利要求1所述的基于位移电流的雷电电磁中和器的参数计算方法，其特征在于，所述步骤1)具体为：

雷云在强烈对流的作用下粒子间不断碰撞分离产生大量电荷，形成电场，雷云的近似等效电路模型(5)等效为动态电源(51)，其电动势为ε；雷云中电场较强的区域空气产生电离，形成导电通道，等效为动态电阻(52)，作为动态电源(51)的内阻；

当雷云形成时，雷云与接闪器(1)之间感应电荷，进而给可变电容(2)充电；可变电阻(3)初始状态为高阻，可视作断路；可变电容(2)与第二感应电容(62)对雷云施加的总电压V形成电容的串联分压，可变电容(2)两端的t时刻感应电压为V_i(t)；当V_i(t)超过阈值时，可变电容(2)齐纳击穿或雪崩击穿，电容急剧增大；同时，可变电阻(3)导通，电阻急剧变小，将可变电容(2)感应的电荷泄放至大地；动态电源(51)的另一端与大地之间形成第一感应电容(61)，形成了整个闭合回路

所述雷电电磁中和器产生的位移电流通过第二感应电容(62)后在动态电阻(52)上转换成传导电流，产生热能并消耗动态电源(51)的电荷，实现对雷云电荷的中和。

3.根据权利要求2所述的基于位移电流的雷电电磁中和器的参数计算方法，其特征在于，所述步骤2)具体为：

闭合回路的电压满足如下方程：

其中，V(t)为动态电源(51)在t时刻提供的等效电压，V_i(t)为t时刻雷电电磁中和器的感应电压；等号左边为流过第二感应电容(62)的位移电流，C为第二感应电容(62)的电容；等号右边第一项为流过可变电容(2)的位移电流，C_v(t)为t时刻可变电容(2)的电容；等号右边第二项为t时刻流过可变电阻(3)的传导电流，R_v(t)为可变电阻(3)的电阻；

方程(1)的解如下：

根据式(2)，初始状态时t＝0，即刚感应到雷云电压的瞬间，电压为：

4.根据权利要求3所述的基于位移电流的雷电电磁中和器的参数计算方法，其特征在于，所述步骤3)具体为：

根据式(2)，可变电容(2)产生的位移电流i_Cv为：

位移电流i_Cv中的负号表示电流方向与所示电压V_i(t)方向相反；

根据式(2)，可变电阻(3)流过的传导电流i_R为：

则产生的总位移电流I为：

5.根据权利要求4所述的基于位移电流的雷电电磁中和器的参数计算方法，其特征在于，所述步骤4)具体为：

所述总位移电流I是脉冲电流，也是整个等效电路的中和电流，在雷云端的等效电路中通过动态电源内阻消耗电源电荷、功率和能量：

中和的电荷表示为：

中和的功率表示为：W＝I²R；

中和的能量为：

其中，R为动态电阻(52)的电阻值。