CN101135702A - 一种基于柔性罗氏线圈的脉冲电流测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于柔性罗氏线圈的脉冲电流测量装置，属于电工高压测量技术领域。包括：用于对被测载流导体进行脉冲电流测量的柔性罗氏线圈；用于对柔性罗氏线圈输出的信号进行积分还原，以得到与被测脉冲电流的导数成比例的模拟信号的积分器；用于对积分器输出的模拟信号进行模拟调理，以得到离散采样信号的数据采样模块；用于将积分器输出的模拟信号转换为离散的数字信号的数模转换模块；用于对A/D转换模块输出的数字信号进行运算处理以得到被测脉冲信号的中央处理器；用于与外界通讯的无线通讯模块；用于对中央处理器的时钟时间进行标定的全球定位系统模块。本发明的测量装置价格低廉，便于在野外大规模测量自然雷电流的波形。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于柔性罗氏线圈的脉冲电流测量装置，尤其涉及雷电流的测量，属于电工高压测量技术领域。
背景技术
雷电是自然界经常发生的一种大气放电现象。当较强的雷击发生时，其放电通道中会产生高达数百kA的雷电流。雷电流的产生过程往往伴随着强烈的电磁现象，会对电力传输、电子通信、航空运输等领域带来较严重的危害。为了有效地深入开展防雷保护、雷电形成机理等相关方面的研究，如何准确地测量雷电流的波形是目前亟待解决的问题。
对雷电流特征参数的研究在电力工业一直受到较多的关注，而传统的研究方法基本是依靠模拟和仿真技术，由于缺乏自然界实际的雷电流参数(比如波形、幅值、上升时间、持续时间等)，加上所建立模型的不准确性，使得仿真的结果动辄谬以千里，会对防雷保护的设计造成误导。最直接获取雷电流参数的方法是测量，目前部分发达国家在其少数输电线路和通讯杆塔上安装了雷电监测装置，并在运行过程中捕获了若干雷电流波形。相比之下，我国在雷电流测量方面所做的研究工作比较少。
罗氏线圈是俄罗斯科学家发明的一种测试脉冲电流的方法，在高压实验室常被用来与示波器结合起来测试脉冲电流。由于示波器价格昂贵，没有很好的通讯端口，而且只能自动记录一次波形，需要人为干预才能记录第二次波形，这种测量装置很难大量应用，特别是野外应用。而且现有大多数罗氏线圈的结构为硬壳结构，即外壳是一种很厚的金属屏蔽用的外壳，在使用时，被测结构需要解开后穿过罗氏线圈，即线圈是无法打开的。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于柔性罗氏线圈的脉冲电流测量装置，采用柔性罗氏线圈，结合高速数据采集装置，利用GPS全球定位系统，借助GPRS无线数据通讯模块，以实现对脉冲电流进行测量的功能。
本发明提出的基于柔性罗氏线圈的脉冲电流测量装置，包括：
柔性罗氏线圈，用于对被测载流导体进行脉冲电流测量，被测载流导体穿过柔性罗氏线圈，柔性罗氏线圈输出端与积分器相连；
积分器，用于对上述柔性罗氏线圈输出的信号进行积分还原，以得到与被测脉冲电流的导数成比例的模拟信号，积分器的输出端与数据采样模块的输入端相连；
数模转换模块，用于对上述积分器输出的模拟信号进行调理，利用A/D把模拟信号转换为离散的数字信号，然后把数字信号暂时储存在储存器中；
中央处理器，用于对A/D转换模块输出的数字信号进行运算处理，以得到被测脉冲信号，中央处理器分别与无线通讯模块和全球定位系统模块相连；
无线通讯模块，用于与外界通讯，无线通讯模块与中央处理器相连；
全球定位系统模块，用于对中央处理器的时钟时间进行标定，全球定位系统模块与中央处理器相连。
上述测量装置中的罗氏线圈，包括：套管、金属屏蔽层、柔性骨架、线圈、导电芯线和积分器。套管、金属屏蔽层和柔性骨架依次由外向内同心相对固定成为圆环，在圆环的一侧为一开口。线圈绕在柔性骨架上，导电芯线埋在柔性骨架中，线圈的一端与测量装置中积分器的一端相连接，线圈的另一端通过柔性骨架中的导电芯线与测量装置中积分器的另一端相连接。
本发明提出的基于柔性罗氏线圈的脉冲电流测量装置，其优点是将成熟的高速采样技术用于该装置，与实验室的专用测量装置相比价格低廉，便于广泛应用，如在野外大规模测量自然雷电流波形。本发明装置利用GPRS无线传输模块，将数字信号传送至远程终端，这样有利于将该设备安装在人迹罕至的地区，减少人为提取雷电流波形所要耗费的人力和物力。同时，本发明装置采用了GPS全球卫星定位系统对雷击点定位，并为测量系统提供时间基准以记录雷击时间。本发明测量装置中采用了柔性罗氏线圈，并设计成开口式，该结构就像一条线，可随意弯曲，在使用时，不必解开被测结构，只要将柔性线圈围着被测结构绕一圈(或多圈)，再将柔性线圈首末端通过接插件进行连接，从而使罗氏线圈具有良好的柔韧性，易于安装与拆卸，精巧轻便，安装十分方便简单，适用于野外使用，与已有的硬性罗氏线圈相比，大大扩展了罗氏线圈的应用范围。
附图说明
图1是本发明提出的脉冲电流测量装置的结构示意图。
图2是本发明测量装置中所用的柔性罗氏线圈的结构示意图。
图3是本发明柔性线圈中积分器的电路原理图。
图2中，1是载流导体，2是热缩套管，3是金属屏蔽层，4是柔性骨架，5是绕在柔性骨架上的线圈，6是导电芯线，作为线圈回线使用，7是积分器。
具体实施方式
本发明提出的基于柔性罗氏线圈的脉冲电流测量装置，其结构如图1所示，包括：
柔性罗氏线圈，用于对被测载流导体进行脉冲电流测量，被测载流导体穿过柔性罗氏线圈，柔性罗氏线圈输出端与积分器相连；
积分器，用于对上述柔性罗氏线圈输出的信号进行积分还原，以得到与被测脉冲电流的导数成比例的模拟信号，积分器的输出端与数据采样模块的输入端相连，积分器可以由电阻和电容组成：
数模转换模块，用于对上述积分器输出的模拟信号进行调理，利用A/D把模拟信号转换为离散的数字信号，然后把数字信号暂时储存在储存器中；
中央处理器，用于对A/D转换模块输出的数字信号进行运算处理，以得到被测脉冲信号，中央处理器分别与无线通讯模块和全球定位系统模块相连；
无线通讯模块，用于与外界通讯，无线通讯模块与中央处理器相连；
全球定位系统模块，用于对中央处理器的时钟时间进行标定，全球定位系统模块与中央处理器相连。
上述测量装置中的罗氏线圈，其结构如图2所示，包括：套管2、金属屏蔽层3、柔性骨架4、线圈5、导电芯线6和积分器7。套管2、金属屏蔽层3和柔性骨架4依次由外向内同心相对固定成为圆环，在圆环的一侧为一开口。线圈5绕在柔性骨架4上，导电芯线6埋在柔性骨架4中，线圈5的一端与积分器7的一端相连接，线圈5的另一端通过柔性骨架4中的导电芯线6与积分器7的另一端相连接。
本发明的一个实施例中，所用的数模转换模块，选用美国BB(BURR BROWN)公司生产的ADS901芯片，数模转换模块中的储存器选用美国Cypress公司生产的CY7C4251芯片。所用的中央处理器选用美国Cygnal公司生产的C8051F040单片机。所用的选用西门子公司生产的MC39I GPRS模块。所用的全球定位系统模块选用诺基亚公司生产的GPS LD-1W无线模块。
本发明测量装置中，罗氏线圈的套管由热缩材料制成；柔性骨架由软性绝缘材料制成，例如用由硅橡胶制成。
本发明测量装置中的积分器，为一无源积分器，由成T形连接的电阻和电容组成，入图3所示。
本发明装置的工作原理是：被测载流导体从柔性罗氏线圈的中心穿过，根据电磁感应定律，柔性罗氏线圈的输出电压与被测电流成微分关系，同时柔性罗氏线圈与被测载流导体之间通过磁场耦合，无电气连接，可以实现高低压之间的隔离，保护了后续采集设备的安全。为了还原出被测电流，需要对该微分电压进行无源模拟积分，积分后的电压信号与被测电流成正比。
当该装置应用于雷电流测量时，该装置可安装于电力传输线路或杆塔顶端等，让避雷针穿过柔性罗氏线圈的中心。由于柔性罗氏线圈通常安装在输电线路或杆塔上，积分还原后的信号需要经过较长的传输电缆至数字记录仪，为了保证信号不因受干扰而产生畸变，本发明装置采用了在高压端对还原出的信号进行量化处理，将模拟信号转变成数字信号。
传统的雷电流测量装置一般将测量得到的波形用存储器进行存储，经过一段时间后再由工作人员将数据提取出来。本发明装置利用GPRS无线传输模块，可以将数字信号传送至远程终端，这样有利于将该设备安装在人迹罕至的地区，减少人为提取雷电流波形所要耗费的人力和物力。
同时，由于输电线路所分布的地域广阔，为了准确标识所记录的雷电流波形，本发明装置采用了GPS全球卫星定位系统对雷击点定位，并可以为测量系统提供时间基准以记录雷击时间。
本发明的脉冲电流测量装置，根据被测脉冲电流的特点，设计了一种宽频带、宽动态范围的柔性罗氏线圈，便于安装与拆卸，后续处理电路简单可靠。图2所示的柔性罗氏线圈中，2为用来保护线圈并起绝缘作用的热缩套管，可以从市场上的普通化工商店购买，4是柔性罗氏线圈的骨架，本发明的一个实施例中，采用硅橡胶电缆作为线圈的骨架，6是硅橡胶电缆的导电芯线，此时作为柔性罗氏线圈的回线。柔性线圈设计成开口式，首末端通过接插件进行连接，以方便使用。使柔性罗氏线圈首末端相连的接插件可以使用由法国安普公司生产的BNC型接口。
本发明测量装置中的柔性罗氏线圈，选择了合适的支撑骨架材料。雷电流测量装置通常安装在户外，工作条件比较恶劣，温度变化范围较大，所以骨架材料应选取温度特性较好的材料，本发明中采用硅橡胶作为罗氏线圈的骨架材料。硅橡胶具有耐高温、耐高压、防水、防腐等性能，可以工作在-60℃～+180℃。本发明的一个实施例中，采用硅橡胶电缆作为柔性骨架，不仅具有良好的柔韧性，易于安装与拆卸，还可以利用电缆的芯线作为罗氏线圈的回线。
本发明测量装置中的柔性罗氏线圈，必须选择合适的线圈参数。根据被测电流的幅值和频率，需要对罗氏线圈的参数进行计算，如骨架的外径和长度，绕线的线径和匝数等。本发明的一个实施例中，将线径为0.1-0.5mm的漆包铜线均匀密绕在外径为0.1-1.0mm的硅橡胶电缆上，在线圈的末端把漆包线与电缆的芯线焊接在一起。在线圈的首端电缆的芯线和漆包线则作为线圈的输出端与屏蔽电缆相连接。为了保护缠绕在骨架上的漆包线，可以在线圈的外层套上一层热缩套管，并在线圈的首末端安装合适的橡胶接头以形成环路。利用硅橡胶电缆的芯线作为线圈的回线，还可以抵消垂直线圈方向磁场对测量结果的影响；外界的快速变化电压会通过杂散电容耦合的方式在罗氏线圈的输出上叠加高频振荡，在线圈的外层绕上一层铜箔可以有效降低振荡幅值，但是相邻铜箔之间应留有足够的间隙，否则屏蔽层中的环流会削弱有用磁场，另外铜箔应与线圈的某一输出端相连作为信号地线；为了减少外界磁场对信号传输回路的干扰，传输电缆应采用双绞屏蔽线。
为了得到与被测电流成比例的波形，还需要对柔性罗氏线圈的输出电压信号进行积分处理。本发明中罗氏线圈工作在外积分状态，所以采用了由电阻和电容构成的无源积分电路，其中电阻须保证无感，电容则应该泄漏电流小，温度稳定性高。为了实现积分功能，电阻值R和电容值C的乘积应远大于被积信号的周期。无源积分电路原理图如图3所示。
Claims (6)
1.一种基于柔性罗氏线圈的脉冲电流测量装置，其特征在于该测量装置包括：
柔性罗氏线圈，用于对被测载流导体进行脉冲电流测量，被测载流导体穿过柔性罗氏线圈，柔性罗氏线圈输出端与积分器相连；
积分器，用于对上述柔性罗氏线圈输出的信号进行积分还原，以得到与被测脉冲电流成比例的模拟信号，积分器的输出端与数据采样模块的输入端相连；
数模转换模块，用于将上述积分器输出的模拟信号转换为离散的数字信号，并将数字信号储存在储存器中；
中央处理器，用于对A/D转换模块输出的数字信号进行运算处理，以得到被测脉冲信号，中央处理器分别与无线通讯模块和全球定位系统模块相连；
无线通讯模块，用于与外界通讯，无线通讯模块与中央处理器相连；
全球定位系统模块，用于对中央处理器的时钟时间进行标定，全球定位系统模块与中央处理器相连。
2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于其中所述的罗氏线圈包括：套管、金属屏蔽层、柔性骨架、线圈、导电芯线和积分器；所述的套管、金属屏蔽层和柔性骨架依次由外向内同心相对固定成为圆环，在圆环的一侧为一开口；所述的线圈绕在柔性骨架上，所述的导电芯线埋在柔性骨架中，线圈的一端与测量装置中积分器的一端相连接，线圈的另一端通过柔性骨架中的导电芯线与测量装置中积分器的另一端相连接。
3.如权利要求2所述的测量装置，其特征在于其中所述的套管由热缩材料制成。
4.如权利要求2所述的测量装置，其特征在于其中所述的柔性骨架由软性绝缘材料制成。
5.如权利要求2所述的测量装置，其特征在于其中所述的柔性骨架由硅橡胶制成。
6.如权利要求2所述的测量装置，其特征在于其中所述的积分器由成T形连接的电阻和电容组成。
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