CN100485397C - 记录雷击电流强度和发生时间的设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种记录雷击电流强度和发生时间的设备，要解决的技术问题是准确检测因雷击感应而产生的浪涌电流强度，并记录这种浪涌电流强度和发生时间，该设备：包括顺序连接的感应式取样电路、泄流负载及限幅电路、整流电路、电压电流转换电路、电流积分电路和模数转换及中央控制电路，整流电路和模数转换及中央控制电路之间连接有雷电信号捕捉电路；电流积分电路与模数转换及中央控制电路之间连接有可控泄放电路。与现有技术相比，通过雷电取样器提取雷电涌流信号，经整流，将雷击取样信号进行积分运算，再转换成数字信号，最终由微处理器处理并储存，准确记录某一时间段内雷击发生的强度、时间和次数。

Description

记录雷击电流强度和发生时间的设备

技术领域

本发明涉及一种记录雷击电流强度和发生时间的设备，特别是一种记录因雷击感应而产生的浪涌电流强度和发生时间的方法及设备。

背景技术

雷击是一种古老而常见的自然现象，其本质是空间带电云层之间或者带电云层与地面物体之间的放电，雷电蕴藏着巨大的能量，雷击直接发生时的电压极高，雷击核心会产生极大的放电电流，直击雷的直接破坏力及其对人类的伤害是众所周知的。雷击的发生有着极大的随机性，当雷击发生的时候，通过空间电磁感应的作用，会在其周围很大范围内的各种导体上产生浪涌电压，这种因雷击感应而产生的浪涌电压，同样有着极大的危害。这是因为在电子化、信息化高度发展的今天，人们大量应用着包括计算机、交换机在内的各种电子设备，这些电子设备工作在低功耗、低电压的条件下，其抗浪涌电压的能力极差，雷击形成的浪涌电压很容易对这些电子设备造成破坏，因而对雷电的检测和防护现在已经变得愈来愈重要。这里所说的雷电检测不是指对天空发生的直击雷的检测，而是指当雷击发生时，对我们所关心的电源线或者信号线上由于感应或者传导产生的浪涌电压或者浪涌电流的检测。因而更准确的说应当是雷电浪涌检测。

雷电浪涌检测装置和防雷装置几乎同时出现，在设计防雷箱时，很早就有人在防雷箱上安装了雷击计数器。但是直到目前，这些雷击浪涌记录装置仍然停留在雷击计数器的水平上，包括一些独立使用的装置。雷击计数器只能记录自过去的某一时刻开始到当前的时间段内，在被检测位置发生浪涌的次数。由于无法记录雷击强度，只能设定一个起始记录的门限值，当浪涌电压的强度超过这一门限时，计数器都会计数加一，事后无法知道雷击当时的具体情况。而当前我国对于应当记录的最小雷击强度并无标准，各种雷击计数器对起始阀值的设置有很大差异，因而当前雷击计数器的记录结果只是一个含糊的定性概念，无任何横向比较价值。随着电子技术的发展，使人们对电源、信号线路上的浪涌干扰愈加敏感，人们需要了解线路上出现浪涌电流的波动情况，尤其是其发生的的次数、时间和强度。目前监测线路浪涌电压、电流可以使用记忆示波器，但是其成本高，使用不方便，不可能大量推广应用。可以说目前尚无一种具有实用价值可以大量推广应用的雷击电流强度记录设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种记录雷击电流强度和发生时间的设备，要解决的技术问题是准确检测因雷击感应而产生的浪涌电流强度，并记录这种浪涌电流强度和发生时间。

本发明采用以下技术方案：一种记录雷击电流强度和发生时间的设备：包括顺序连接的感应式取样电路、泄流负载及限幅电路、整流电路、电压电流转换电路、电流积分电路和模数转换及中央控制电路；整流电路和模数转换及中央控制电路之间连接有雷电信号捕捉电路；电流积分电路与模数转换及中央控制电路之间连接有可控泄放电路。

本发明模数转换及中央控制电路还包括存储器和时钟电路。

本发明感应式取样电路是感应式取样器，取样器的感应电路与桥式整流电路连接，桥式整流电路的输出正端串接由第三十一电阻和第三电阻串联构成的电压电流转换电路，第三电阻的另一端连接第三二极管的正极，第三二极管的负极与地之间串接有第三电容和第五电阻，第三二极管的负极还通过第二双向模拟开关与微处理器连接。

本发明积分电路连接有自然放电电阻和可控放电回路，包括第三电容两端并联的第四电阻和第三双向模拟开关。

本发明桥式整流电路的输出正端还顺序连接有第一电阻和第一二极管，第一二极管的负极与第五电阻之间分别并联有第二电阻、第六电容、稳压二极管和第四双向模拟开关，第四双向模拟开关导通的信号传递给微处理器。

本发明取样器的主回路连接有防止过载的防雷元件，微处理器连接有显示及信息输出设备。

本发明微处理器选用P89LPC935，存储器选用24WC64，时钟电路选用PCF8563，整流桥选用IN4007二极管构成，第二、第三和第四双向模拟开关选用MAX4610，第三电容选用1μ/35v钽电容，第六电容选用0.001μ薄膜电容，第三和第一二极管选用IN4148，第一电阻选用51K，第二电阻选用1M，第三电阻选用900Ω，第三十一电阻选用200Ω精密多圈电位器，第四电阻选用1M，稳压二极管选用3.0V精密稳压管，雷电取样器的变比选用以环形铁氧体磁环制成，变比在6-30：1范围内，或使用硅钢片，所有电阻均选用四分之一瓦金属膜优质电阻。

本发明与现有技术相比，通过雷电取样器提取雷电涌流信号，经整流，将雷击取样信号进行积分运算，再转换成数字信号，最终由微处理器处理并储存，准确记录某一时间段内雷击发生的强度、时间和次数。

附图说明

图1是一次雷击时导体中电流与时间的波形图。

图2是本发明实施例的电路功能框图。

图3是本发明的电路原理图(一)。

图4是本发明的电路原理图(二)。

图5是雷击涌流电流波形图。

图6是感应式取样器输出的电压波形图。

图7是感应式取样器输出电压整流后的电压波形图。

图8是电压电流转换器输出的电流波形图。

图9是流入第三电容的充电电流波形图。

图10是第三电容充电时两端的电压波形图。

图11是模拟测量时整流器输出的波形图。

图12是模拟测量时第三电容的充电电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。本发明记录雷击电流强度和发生时间的方法原理为：雷电对某一导体上产生的浪涌电流都是从零到高峰值再衰减为零，如果以时间为横坐标，以电流为纵坐标，这样在该坐标系上描述雷击在某一导体上产生的浪涌电流类似一个正弦波的半周扇形。雷电的破坏力由最大电流与雷击电流的持续时间共同决定，如果单独以电流的变化时间或是电流的高峰值来确定其破坏力都是不恰当的，由于各浪涌电流的幅度、持续时间都有很大的随机性，描述在坐标系中的波形有所不同，所以只有用坐标系中雷击波形所包含的类扇形面积来描述雷击在某一导体上产生的浪涌才是比较准确。

如图1所示，这是一次雷击感应在某一导体上产生的浪涌电流的波形。如何描述这一浪涌电流的强度，这是要首先确定的一个重要概念。从破坏力分析，我们已经知道，这一浪涌电流的最大值I_Lm愈大，其破坏力必然愈大；同时，这一浪涌电流的持续时间Δt愈长，其破坏力也必然愈大。显然，我们单独用I_Lm或者单独用Δt来描述雷击浪涌都是不准确的，因为浪涌信号不是方波，所以用I_LmΔt来表示也不恰当。我们认为反映雷击的真实情况，最为准确合理反映雷击强度的应当是：

$L={\∫}_{t_2}^{t_1}{i}_L\mathrm{dt}$

这里L既雷击强度。L描述的实质上是雷击波形所包含的面积。由于雷击浪涌的幅度、持续时间都有很大的随机性，由此导致波形的不同，只有这样才能够最准确地描述雷击包含能量的本质特征。

本发明记录雷击电流强度和发生时间的方法包括以下步骤：(1)采用感应的方式提取雷击时的电流信号，并转换成正比的电压信号；(2)对提取的信号进行整流，经整流转换成单向脉动电压信号，再将单向脉动电压信号转换成正比的单向脉动电流信号；(3)对上述脉动电流信号从雷击开始至雷击结束进行积分运算；(4)将积分运算得出的模拟结果转换成数字信号；(5)用微处理器对数字信号进行处理，得出雷击浪涌电流的强度，储存并记录发生的时间；(6)雷击浪涌电流过后对积分运算电路进行放电，以备下次测量。

如图2所示，本发明记录雷击电流强度和发生时间的设备，包括顺序连接的感应式取样电路、泄流负载及限幅电路、整流电路、电压电流转换电路、积分电路、模拟开关、模数转换及中心控制电路和显示及信息输出设备，模数转换及中心控制电路为一微处理器，整流电路和微处理器之间连接有雷电信号捕捉电路；电流积分电路与数模转换及中央控制电路之间连接有可控泄放电路；微处理器还连接有存储器和时钟电路。取样器的主回路连接有防止过载的防雷元件，取样器的感应电路与整流器连接；积分器联接有自然放电电阻和可控放电回路，保证一个浪涌电流过后，及时放电，为下一个充电做好准备；在微处理器所完成的工作中不仅仅是计算出雷击强度的具体数值，它可以很方便地加入实时时钟，把发生雷击的时间和雷击强度同时记录下来，并编制成历史档案加以保存。它还可以建立一个方便有效的查询系统。

如图3所示，取样器的感应电路与桥式整流电路连接，桥式整流电路的输出正端串接由第三十一电阻R31和第三电阻R3串联构成的电压电流转换电路，第三电阻R3的另一端连接第三二极管D3的正极，第三二极管D3的负极与地之间串接有第三电容C3和第五电阻R5，第三二极管D3的负极还通过第二双向模拟开关U4B与微处理器连接。积分电路的自然放电电阻和可控放电回路，包括第三电容C3两端并联的第四电阻R4和第三双向模拟开关U4C。雷电信号捕捉电路连接在桥式整流电路的输出正端，包括顺序连接的第一电阻R1和第一二极管D1，第一二极管D1的负极与第五电阻R5之间分别并联有第二电阻R2、第六电容C6、稳压二极管D2和第四双向模拟开关U4D，第四双向模拟开关U4D导通的信号传递给微出理器。存储器和时钟电与微处理器相连接。微处理器连接有一连接器，以备连接不同输出形式的终端设备，如显示及信息输出设备。

微处理器选用P89LPC935，存储器选用24WC64，时钟电路选用PCF8563，整流桥选用IN4007二极管构成，第二、第三和第四双向模拟开关选用MAX4610，第三电容C3选用1μ/35v钽电容，第六电容C6选用0.001μ薄膜电容，第三和第一二极管D3、D1选用IN4148，第一电阻R1选用51K，第二电阻R2选用1M，第三电阻R3选用900Ω，第三十一电阻R31选用200Ω精密多圈电位器，第四电阻R4选用1M，稳压二极管D2选用3.0V精密稳压管，雷电取样器以环形铁氧体磁环制成，变比在6-30：1范围内选配，也可以使用硅钢片制作，全部其余电阻选用四分之一瓦金属膜优质电阻。

如图4所示，为本发明的电源和泄流负载及限幅电路，通过插头与主电路相连。

如图5和图6所示，假定在我们所关心的导线L上出现了浪涌电流i_L，我们可以通过一个感应式取样器将i_L转换成取样器的输出电压u₁，u₁与i_L成正比，但u₁的幅度可以通过改变取样器的参数使其处于所需要的范围内。既：

u₁＝K₁i_L

K₁为转换器的转换系数。

如图7和图8所示，由于雷击电压的随机性，i_L的极性不定，因而u₁的极性也是随机的。为了测量方便，我们使u₁通过一个整流桥，不管浪涌电压方向如何，都使其转换成同一极性的脉动信号u₂。极性不会影响以下分析计算，因而在以下分析中不考虑极性。即有：

u₁＝u₂

在做以下模拟电路技术分析中，首先我们将第三电容C短路使其放电，适当选择R₃₁的值，当浪涌电压出现的时候，u₂升高，将会有一个电流i_R流过电阻R₃₁和R₃，i_R必然与u₂成正比，即：

i_R＝K₂u₂

其中：K₂＝1/(R₃₁+R₃)

适当选择第三电容C的值，使(R₃₁+R₃)C＝τ≈10Δt，这样在接入第一电容C的条件下，由于在Δt的充电时段，u_C值充电升高的幅度与u₂相比可忽略不计。我们可以近似认为i_R仍然与u₂保持正比关系，即：

i_C＝i_R＝K₂u₂

电容C上电压的变化，可用下述公式描述：

u_C＝∫i_Cdt。

假定在一个浪涌电压到来之前，u_C起始电压为0，在这一个浪涌电压结束之后，电容C上的电压值为u_CO，则有：

$U_{C0}={\∫}_{t_1}^{t_2}{i}_c\mathrm{dt}$

$={\∫}_{t_1}^{t_2}{i}_r\mathrm{dt}$

$={\∫}_{t_1}^{t_2}{k}_2{U}_2\mathrm{dt}$

$={\∫}_{t_1}^{t_2}{k}_2{U}_1\mathrm{dt}$

$={\∫}_{t_1}^{t_2}{k_{1}k}_2{i}_L\mathrm{dt}$

$=k_1{k}_2{\∫}_{t_1}^{t_2}{i}_L\mathrm{dt}$

$=k_1{k}_{2}L$

$=\mathrm{KL}$

其中K＝k₁k₂

如图9和图10所示，在电路中，由于第三二极管D3的存在，模数转换器的输入端又是高阻状态，第三电容C3无放电回路。因而在一个浪涌电流周期过后，在第三电容C3上保留了该浪涌电流使其充电的结果，即上述u_CO值，显然u_CO正比于浪涌电流对时间的积分值，也就是我们前面定义的雷击强度L。我们只要对u_CO进行模数转换并送到微处理器乘上适当的系数，就可以较准确地得出L的数值，其单位是千安.微秒。通过改变取样器的参数及调整R₃₁，可以使u_C0的值与模/数转换器对输入信号幅度的要求相适应。

本发明模拟测量中使用深圳锦天乐技术有限公司制造的CL-200型200千安培雷电模拟发生器产生模拟雷电脉冲，模拟雷电脉冲信号输入取样器的主回路，使用美国泰克公司生产的TDS1012记忆示波器，从雷电脉冲发生器的分流器上捕捉模拟雷电波形及幅度。十次模拟测量显示并记录雷电强度值如表1所示，根据第十次测试的测量值绘制的整流器输出与积分电容充电电压的波形如图11和图12所示。

如图11和图12所示，根据测量值绘制的整流器输出和积分电容，即第三电容的充电电压的波形图，与理论分析得出的结果相同。分析可知：电阻R₃₁加R₃与电容C₃构成的充电回路的时间常数τ＝(R₃₁+R₃)C₃≈1k*1μ＝1000μs，而一个雷电脉冲的宽度为20μs。一个固定电压对RC回路的充电周期为3∽5τ。这就是说一个雷电脉冲的宽度只有(R₃₁+R₃)与C₃构成的充电回路充电周期的7/1000—4/1000，显然在这样一个时段内，电容C₃的充电具有良好的线性度。这就是这一方法可以得到比较准确测量结果的一个重要基础。

表一列出的是模拟测试的试验记录。试验共进行了10次，按照设定量程0—100kA分级进行，起始记录点确定为满量程的10％，即10kA。为保证试验的稳定、准确，每两次试验间隔5分钟。首次试验将CL-200型雷电模拟发生器的设定电压选择在5000V，使用泰克TDS1012记忆示波器记录雷击电流波形并测量波形之峰值，即可推算出此次雷击电流为10.2kA，这时可以看到记录仪显示25，此时记录仪软件设定在直接显示A/D转换之结果。依次改变雷电模拟发生器的设定电压，直到第10次设定为50000V，雷击电流为99.8kA，记录仪显示253。所使用的A/D转换器为8位，最大转换数字为255，由于系统在做试验之前已进行过满度校准，所以100kA雷击电流显示正好接近255。满度校准是通过改变取样器的匝数比和调节多圈电位器R31来实现。

根据前面我们确定的理论，记录仪中A/D转换器输出的结果乘以一个恰当的系数之后，就是雷击强度，其单位是千安·微秒(kA·μs)，因为它是电流对时间积分的结果。但是考虑到人们不习惯于使用雷击强度这个概念，一般情况下人们大多使用雷击电流峰值来描述雷击的特性。因此，可以假定所有雷击波形都是相同的，都是8/20μs标准波形，在实验室的确如此。将时间当做常数，自然可以直接给雷击电流峰值。这个常数的确定可以采用满度校准法，即我们将表一中的A/D转换器输出253认定为99.8kA，由此算出这个常数为K_M＝99.8kA/253＝0.394KA。

以常数0.394kA.算出记录仪测出的各次的脉冲电流峰值，此值已在表中列出。以计算的脉冲电流峰值与雷电发生器产生的脉冲电流峰值相比较，可以算出记录仪的测量误差，此误差也已在表一中列出。我们可以看出，记录仪的测量误差在±5％以内。显然，对雷电这样的随机性极强，极不稳定的自然变化，能达到这样的精度已有充分的使用价值。

本发明结构简单，准确，适合大批量生产、安装，可以广泛应用于各种需要检测雷击强度、浪涌电流峰值及发生时间等参数的电路中，可以按需要选择功能。能准确记录某一时间段内雷击发生的具体时间、次数和特性，准确地描述雷击包含能量的本质特征。

表一试验测试记录

 

次数	雷电发生器设定电压	雷电发生器产生的脉冲电流峰值	记录仪中A/D转换器输出值	记录仪计算得出的脉冲电流峰值	记录仪检测误差
						1	5000V	10.2kA	25	9.9kA	-2.9％
2	10000V	20.1kA	50	19.7kA	-2.0％
						3	15000V	30.2kA	76	29.9kA	-1.0％
4	20000V	40.0kA	103	40.6kA	+1.5％
						5	25000V	50.2kA	130	51.2kA	+2.0％
6	30000V	60.1kA	156	61.5kA	+2.3％
						7	35000V	70.2kA	181	71.3kA	+1.6％
8	40000V	79.9kA	207	81.6kA	+2.1％
						9	45000V	90.1kA	235	92.6kA	+2.3％
10	50000V	99.8kA	253	99.7kA	-0.1％

Claims (7)

1.一种记录雷击电流强度和发生时间的设备，其特征在于：包括顺序连接的感应式取样电路、泄流负载及限幅电路、整流电路、电压电流转换电路、电流积分电路和模数转换及中央控制电路；整流电路和模数转换及中央控制电路之间连接有雷电信号捕捉电路；电流积分电路与模数转换及中央控制电路之间连接有可控泄放电路。

2.根据权利要求1所述的记录雷击电流强度和发生时间的设备，其特征在于：所述模数转换及中央控制电路还包括存储器和时钟电路。

3.根据权利要求2所述的记录雷击电流强度和发生时间的设备，其特征在于：所述感应式取样电路是感应式取样器，取样器的感应电路与桥式整流电路连接，桥式整流电路的输出正端串接由第三十一电阻和第三电阻串联构成的电压电流转换电路，第三电阻的另一端连接第三二极管的正极，第三二极管的负极与地之间串接有第三电容和第五电阻，第三二极管的负极还通过第二双向模拟开关与微处理器连接。

4.根据权利要求3所述的记录雷击电流强度和发生时间的设备，其特征在于：所述积分电路连接有自然放电电阻和可控放电回路，包括第三电容两端并联的第四电阻和第三双向模拟开关。

5.根据权利要求4所述的记录雷击电流强度和发生时间的设备，其特征在于：所述桥式整流电路的输出正端还顺序连接有第一电阻和第一二极管，第一二极管的负极与第五电阻之间分别并联有第二电阻、第六电容、稳压二极管和第四双向模拟开关，第四双向模拟开关导通的信号传递给微处理器。

6.根据权利要求5所述的记录雷击电流强度和发生时间的设备，其特征在于：所述取样器的主回路连接有防止过载的防雷元件，微处理器连接有显示及信息输出设备。

7.根据权利要求6所述的记录雷击电流强度和发生时间的设备，其特征在于：所述微处理器选用P89LPC935，存储器选用24WC64，时钟电路选用PCF8563，整流桥选用IN4007二极管构成，第二、第三和第四双向模拟开关选用MAX4610，第三电容选用1μ/35v钽电容，第六电容选用0.001μ薄膜电容，第三和第一二极管选用IN4148，第一电阻选用51K，第二电阻选用1M，第三电阻选用900Ω，第三十一电阻选用200Ω精密多圈电位器，第四电阻选用1M，稳压二极管选用3.0V精密稳压管，雷电取样器的变比选用以环形铁氧体磁环制成，变比在6-30：1范围内，或使用硅钢片，所有电阻均选用四分之一瓦金属膜优质电阻。

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