[发明专利]一种雷电自主监测及主动防御系统和方法

说明书

一种雷电自主监测及主动防御系统和方法，包括：电流传感器，安装在易形成上行连接先导并易于监测其形成的脉冲电流的金属物体上，用于监测上行连接先导产生的电流脉冲信号；天线，安装在所述电流传感器附近，用于监测下行梯级先导产生的场脉冲信号；信号处理和预警模块（MSPW），用于对所接收的电流和场脉冲信号进行检测，并在检测到下行梯级先导和上行先导脉冲始发和发展时，发出预警信号，其中将所述预警信号发送到受控浪涌保护器件（CSPD）和/或极化可重构防雷天线，所述CSPD在首次回击之前完成开关动作和/或所述防雷天线变成仅接收/发射水平极化电磁波。根据本发明，可在首次回击之前实现雷击防御，成本低、简单可靠。

技术领域

本发明属于防雷电技术领域，并且更具体地涉及一种具有预警设备及相关保护装置的防雷电系统和方法。

背景技术

雷电是发生在雷雨天气过程中的大气放电现象，在自然界中，2/3左右的雷电发生在雷雨云中，简称为云闪，并且约1/3的雷电从云发展到地面并击中地面物体，简称为地闪。图1是典型的地闪过程的示意图。如图1中所示，地闪击中地面物体的过程一般地包括如下的过程：下行梯级先导（负）在云内始发并向下不断发展延伸；下行梯级先导接近地面并在地物尖端上始发上行连接先导（正）向上发展延伸；最后两者连接形成回击。

具体来说，地闪的发生和发展过程可概括为：1. 从云内产生放电并逐渐向地面发展的梯级先导过程（因为表现为“跳跃-间歇-跳跃”的阶梯传输形式），其发展速度一般在10⁵m/s量级；2. 从地面尖端（一般为金属尖端）形成向上发展的连接先导过程，连接先导发展速度通常在10⁴-10⁵m/s量级；3. 梯级先导和连接先导在约几十米到几百米高度处连接的连接过程；4. 在连接过程完成后产生大电流回击过程（因为首次出现，所以称为首次回击）。首次回击之后，云与地之间的放电通道熄灭、通道截止。然而，在大多数情况下，负地闪随后还会产生多次回击，即：在一定时间间隔（一般在几十毫秒）之后，云中会再次发生放电，沿着先前的“梯级先导-首次回击”所建立的云地间通道快速向下发展（称为直窜先导），接地而产生第二次回击，之后还可以产生多次类似的“直窜先导-回击”过程。为了方便区分，首次回击之后的回击统称为“继后回击”。统计表明，一次完整负地闪的回击次数平均为4~5次。

针对雷电防护，传统浪涌保护器件的设计、施工都是针对某一确定的闪电特性来策划。因此，传统雷电防护系统是设计为多级防护的，并且保护特点是以不变的固定设计来应对变化莫测的雷击事件，这使得在某些情况下发生防护失败造成事故就具有一定必然性。

虽然近年来已经针对雷电防护研发了雷电预警设备（如公开号CN105244862A）及相关的保护装置（如公开号CN107565538A和CN107834199A），以在可能发生的回击之前通过相关的保护装置有效地进行雷电防护，但是由于相关保护装置有的不能在首次回击之前完成开关动作，从而及时全面的保护，有的需要额外专门设计相关的开关且结构复杂、价格昂贵，因此这些雷电预警防护设备的可靠性不高。

发明内容

为了解决上述问题，本发明基于大量的实验和参考文献提供了一种雷电自主监测主动防御系统和方法，其包括：天线、电流传感器、信号处理和预警模块（MSPW）以及与其相关的受控浪涌保护器件（CSPD）和/或极化可重构防雷天线（LPA），其中根据本发明的信号处理和预警模块监测上行先导脉冲发展特征，从而在回击大脉冲电流出现之前实现快速和可靠的雷电预警；根据本发明的浪涌保护器件响应时间短、可在首次回击之前进行保护且无需后续的多级防护，同时其不受回击脉冲电流上升速率、波头持续时间、脉冲总持续时间和脉冲时间间隔等回击电流脉冲波形参数影响；并且根据本发明的极化可重构防雷天线结构简单、无需安装另外专门设计的微波开关。此外，根据本发明的防雷系统还可以针对非直击雷（例如由于雷电击中附近输电线或信号线，而在被保护设备上形成的感应过电压/脉冲电流）提供保护，例如在架空输电线附近发生雷击时，完成对连到该架空输电线的相关设备和系统的保护。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：