CN101819224B - 基于微分环的雷电流测量传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于微分环的雷电流测量传感器，涉及架空输电线路的雷电流参数在线监测传感器。本发明主要包括屏蔽外壳、屏蔽内壳、微分环、接线箱、积分电阻、同轴电缆等。本发明具有不与被测载流导体直接接触，能准确测量架空输电线路的雷电流波形，测量精度高，安全性高，通用性好，测量稳定，结构简单，体积小，重量轻，安装方便，成本低等特点。本发明可广泛用作架空输电线路及变电站进线处的雷电流测量传感器，尤其适用作110kV～500kV架空输电线路的雷电流传感器。

Description

基于微分环的雷电流测量传感器

技术领域

本发明属于雷电流测量技术领域，具体涉及架空输电线路的雷电流参数在线监测传感器。

背景技术

电力系统的电压等级及规模随着我国国民经济的飞速发展也随之迅速发展和扩大，电力系统架空输电线路的分布幅员广阔，其最大几何尺寸达数千km，极易遭受雷电的冲击。架空输电线路一旦遭受雷击，很容易导致线路继电保护装置动作，使线路断路器跳闸导致该线路停电，影响架空线路的正常供电造成社会和经济损失。同时对雷电流参数的测量，能为雷电特性及雷电电磁辐射特性的研究、探讨防雷对策、防雷设备的合理设计、雷击事故分析提供准确的原始数据，是进行雷电研究的基础工作，具有十分重要的意义。

现有测量雷电流的装置，如雷电监测系统，已经在我国得到了广泛的应用，它利用电磁场天线探测雷电发生时产生的电磁辐射场，并以此来反推落雷位置及雷电流幅值。但该监测系统设备复杂，前期投资巨大，雷电电磁波在传播过程中受地球曲率、大地电导率以及地形起伏和河流等随机因素影响会造成幅值衰减和波形的畸变导致测量结果误差较大，并且该监测系统还缺乏实测雷电流的标定。又如申请号为200410037602.0的“磁带式雷电流陡度记录测量仪”专利，包括外壳、两个非平行放置的磁卡、预录有基准信号的磁带，当雷电流通过时会在两条磁带上产生具有不同形状过渡区的波形，运用计算机对这些波形进行处理及分析，就可以得出雷电流的陡度与幅值。该测量仪的主要缺点是：只能测量雷电流的幅值和陡度，不能测量雷电流的波形及雷电流的极性，且每次测量之后都必须及时读数，不能实现对雷电流的实时在线监测，重复测量比较麻烦等。再如申请号为200820029454.1的“架空输电线路雷击记录装置”专利，包括雷电流传感器及与该传感器电连接的雷电流记录装置，其雷电流传感器为Rogowski线圈(简称罗氏线圈)的大电流传感器，被测电流的载流导体需穿过罗氏线圈的中心。该传感器的主要缺点是：被测电流的载流导体必须穿过罗氏线圈的中心，这给罗氏线圈在输电杆塔上的安装带来了非常大的困难。若在输电杆塔上安装引雷针作为雷电流的载流导体，这势必会增加输电杆塔被雷击的概率，对电力系统的安全运行带来隐患；若将罗氏线圈安装于绝缘子串金具处，这对于绝缘子未发生雷击闪络时的雷电流就不能进行测量。这些因素都限制了将罗氏线圈应用于架空输电线路的雷电流测量。

发明内容

本发明的目的是针对现有雷电流测量装置的不足，提供一种基于微分环的雷电流测量传感器，具有不与被测载流导体直接接触，测量准确精度高，安全性好，结构简单，安装方便，成本低，通用性好，可实时在线监测等特点。

本发明的工作原理：当雷击架空输电线路杆塔或者架空输电线路时，输电线路中会产生一个雷击脉冲大电流进而在导线周围形成一个暂态磁场。该暂态磁场穿过微分环时，其引出线两端会产生一个与磁通量对时间的变化率

成正比的感应电动势e(t)，即

对其进行整理可得： $e\left(t\right)=-\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}=-\frac{d\left(\mathrm{BS}\right)}{\mathrm{dt}}=-\frac{{\mathrm{N\πa}}^2\mathrm{dB}}{\mathrm{dt}}$ 其中N为微分环匝数，a为微分环半径，B为微分环处的磁感应强度。根据麦克斯韦方程：

以及在近场区忽略掉辐射场的影响，可以得到有限长载流导体在空间一点产生的磁感应强度B为：

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}i\left(t\right)}{4\mathrm{\πd}}[\frac{z}{{(d^2+z^2)}^{1/2}}-\frac{(z-H)}{R_H}]$

式中d为微分环与输电导线之间的垂直距离，i(t)为被测电流，ε为空气的介电常数，μ₀为空气的磁导率，z为微分环相对于载流导线起始端的高度，H为载流导线长度，R_H为微分环与载流导线末端的距离。当载流导线为无限长时，上式变为：

微分环两端感应的是一个与被测电流成正比的微分信号，为了对该信号积分以及简化系统提高系统工作的稳定性，本发明采用了RL自积分电路，其中L为微分环的自感，R为无感的小电阻。经过RL积分之后，信号取样电阻即积分电阻上的电压信号u(t)为：

$u\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0{\mathrm{Na}}^{2}R}{2\mathrm{dL}}i\left(t\right)=\mathrm{Ki}\left(t\right)$

式中，K为感应系数。空气磁导率为常数，N为微分环匝数，a是微分环半径，R为取样电阻值，L为微分环自感其值由N和a决定，d为微分环与被测导线的距离。因此，一旦微分环的匝数、半径，取样电阻以及微分环的安装位置确定，则感应系数K为常数，微分环的输出电压与被测输电导线上的雷电流成线性关系，由此可知，本发明基于微分环的雷电流测量传感器能够监测架空输电线路或者变电站进线处的雷电流信号。

实现本发明目的的技术方案是：一种基于微分环的雷电流测量传感器，主要包括屏蔽外壳、屏蔽内壳、微分环、接线箱、积分电阻、同轴电缆等。屏蔽内壳的材料为铝或铜或环氧树脂，形状为上端和底端均带外凸边的圆柱形空心壳体，所述的屏蔽内壳的圆柱形空心壳体的壁厚为2～10mm、高度为71～585mm、空心的内径为40～200mm，其上端外凸边的宽度为4～10mm、厚度为3～10mm，其底端外凸边的宽度为1～4mm、厚度为6～10mm。在屏蔽内壳的上端外凸边的下端设置有内凹的卡扣，以便与屏蔽外壳上端的外凸卡扣卡紧连接。屏蔽内壳的形状也可以为上端和底端均带外凸边的长方形或正方形的空心壳体。微分环以屏蔽内壳为骨架，采用线径为0.5～1.12mm的铜芯漆包线均匀绕制100～500匝，装设在屏蔽内壳的外侧，微分环的两端分别通过引出线(即绝缘导线)引出。屏蔽外壳装设在微分环的外侧，屏蔽外壳的材料与屏蔽内壳相同为铝或铜或环氧树脂，屏蔽外壳的形状与屏蔽内壳匹配为圆柱形空心壳体，也可以为长方形或正方形壳体。所述的屏蔽外壳的圆柱形空心壳体的壁厚为2～10mm、高度为68～575mm，其空心的内径与屏蔽内壳底端的外凸边的外径匹配。当屏蔽外壳和屏蔽内壳的材料采用铝或铜时，屏蔽外壳和屏蔽内壳一侧沿传感器的轴线方向开设有1～2mm贯通的缝隙，用于防止形成涡流而影响传感器的测量精度；当屏蔽外壳和屏蔽内壳的材料采用环氧树脂时，因为环氧树脂为绝缘材料不会形成涡流，屏蔽外壳和屏蔽内壳一侧不开设缝隙。在屏蔽外壳的上端设置有凸出的卡扣，该凸出的卡扣与屏蔽内壳上端的外凸边下端的内凹卡扣卡紧连接，用以防止雨水进入微分环内。屏蔽外壳的下端通过螺钉与屏蔽内壳固定连接。在屏蔽外壳一侧的下端设置一开口，微分环两端的引出线从开口引出并进入接线箱。接线箱的材料为铝或铜，通过螺钉固定在屏蔽外壳一侧下端的开口处。在接线箱内设有积分电阻，积分电阻为阻值0.2～4Ω的无感电阻。在接线箱的下端固接有同轴电缆接头，在接线箱内，微分环的一端引出线与积分电阻的一端并接后，再与同轴电缆接头的芯线连接，微分环的另一端引出线与积分电阻的另一端并接后，再与同轴电缆接头的地线连接。同轴电缆的另一端与数据采集设备的输入端相连，以便实时的采集雷电流信号。

本发明采用上述技术方案后，主要有以下效果：

1、本发明利用基于法拉第电磁感应定律的微分环，不与被测载流导体直接接触，能够准确的测量输电线路中的雷电流波形，可对雷电流的各种参数进行测量，测量精度高，成本低。

2、本发明能够长期工作于工频交流环境中，利用微分环对输电导线周围由雷电流引起的暂态磁场的耦合测量雷电流波形。因此本发明传感器与一次架空输电线路不直接接触，消除了对电网安全运行的威胁，安全性高。

3、本发明采用了RL自积分电路，结构简单。具有体积小，重量轻，测量稳定，便于安装，可以灵活调节等优点。

4、本发明不受工频电流信号的干扰，对雷电流的测量具有较好的线性度和精度，如图4～6所示。

5、本发明具有较好的通用性，本发明传感器可方便地安装在不同尺寸、不同结构、不同电压等级的输电线路的杆塔上，方便的测量输电线路中的雷电流。

本发明可广泛用作架空输电线路及变电站进线处的雷电流测量传感器，尤其适用作110kV～500kV架空输电线路的雷电流测量传感器。

附图说明

图1为本发明的原理图；

图2为实施例1的结构示意图；

图3为图2的A-A剖面示意图；

图4为实施例1实测8/20μs的雷电流波形；

图5为型号为1025的Pearson线圈实测的8/20μs的雷电流波形；

图6为实施例1实测13/40μs的雷电流波形；

图7为型号为1025的Pearson线圈实测的13/40μs的雷电流波形；

图8为实施例1实测13/40μs的雷电流波形的线性度曲线图；

图9为实施例1的安装示意图；

图10为实施例2的安装示意图；

图中：1架空输电线，2屏蔽外壳，3屏蔽内壳，4微分环，5接线箱，6积分电阻，7引出线，8同轴电缆接头，9同轴电缆，10、10a、10b、10c传感器，1a、1b、1c架空输电线路，11避雷线，12输电杆塔，13门型杆，i(t)雷电流，M互感，e(t)感应电势，i₁(t)感应电流，L微分环自感，r微分环电阻，C杂散电容，R积分电阻。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，进一步说明本发明。

实施例1

如图1～9所示，一种装设在架空输电线路杆塔上的基于微分环的雷电流测量传感器，主要包括屏蔽外壳2、屏蔽内壳3、微分环4、接线箱5、积分电阻6、同轴电缆9等。屏蔽内壳3的材料为铝，形状为上端和底端均带外凸边的圆柱形空心壳体，所述的屏蔽内壳3的圆柱形空心壳体的壁厚为2mm、高度为71mm、空心的内径为50mm，其上端外凸边的宽度为4mm、厚度为3mm，其底端外凸边的宽度为2mm、厚度为6mm。在屏蔽内壳3的上端外凸边的下端设置有内凹的卡扣，以便与屏蔽外壳3上端的外凸卡扣卡紧连接。微分环4以屏蔽内壳3为骨架，采用线径为0.68mm的铜芯漆包线均匀绕制100匝，装设在屏蔽内壳3的外侧，微分环4的两端分别通过引出线7(即绝缘导线)引出。屏蔽外壳2装设在微分环4的外侧，屏蔽外壳2的材料与屏蔽内壳3相同为铝，屏蔽外壳2的形状与屏蔽内壳3匹配为圆柱形空心壳体，所述的屏蔽外壳2的圆柱形空心壳体的壁厚为2mm、高度为68mm，其空心的内径与屏蔽内壳3底端的外凸边的外径匹配。屏蔽外壳2和屏蔽内壳3一侧沿传感器10的轴线方向开设有1mm贯通的缝隙，用于防止形成涡流而影响传感器10的测量精度。在屏蔽外壳2的上端设置有凸出的卡扣，该凸出的卡扣与屏蔽内壳3上端的外凸边下端的内凹卡扣卡紧连接，用以防止雨水进入微分环4内。屏蔽外壳2的下端通过螺钉与屏蔽内壳3固接，在屏蔽外壳2一侧的下端设置一开口，微分环4两端的引出线7从开口引出并进入接线箱5。接线箱5的材料为铝，通过螺钉固定在屏蔽外壳2一侧下端的开口处。在接线箱5内设有积分电阻6，积分电阻6是阻值为0.5Ω的无感电阻。在接线箱5的下端固接有同轴电缆接头8，在接线箱5内微分环4的一端引出线7与积分电阻6的一端并接后，再与同轴电缆接头8的芯线连接，微分环4的另一端引出线7与积分电阻6的另一端并接后，再与同轴电缆接头8的地线连接。同轴电缆9的另一端与数据采集设备的输入端相连，以便实时的采集雷电流信号。

实施例2

如图10所示，一种装设在变电站进线门型杆上的基于微分环的雷电流测量传感器，同实施例1，其中：屏蔽内壳3的材料为铜，屏蔽内壳3的圆柱形空心壳体的壁厚为5mm、高度为74mm、空心的内径为40mm，其上端外凸边的宽度为6mm、厚度为5mm，其底端外凸边的宽度为1mm、厚度为8mm。微分环4采用线径为0.5mm的铜芯漆包线均匀绕制150匝，屏蔽外壳2的材料为铜，屏蔽外壳2的圆柱形空心壳体的壁厚为5mm、高度为69mm。屏蔽外壳2和屏蔽内壳3一侧开设的缝隙为1.5mm。接线箱5的材料为铜，积分电阻6是阻值为0.2Ω的无感电阻。

实施例3

一种基于微分环的雷电流测量传感器，同实施例1，其中：屏蔽内壳3的材料为铜，屏蔽内壳3的圆柱形空心壳体的壁厚为8mm、高度为286mm、空心的内径为100mm，其上端外凸边的宽度为8mm、厚度为7mm，其底端外凸边的宽度为3mm、厚度为9mm。微分环4采用线径为0.9mm的铜芯漆包线均匀绕制300匝，屏蔽外壳2的材料为铜，屏蔽外壳2的圆柱形空心壳体的壁厚为8mm、高度为279mm。屏蔽外壳2和屏蔽内壳3一侧开设的缝隙为2mm。接线箱5的材料为铜，积分电阻6是阻值为2Ω的无感电阻。

实施例4

一种基于微分环的雷电流测量传感器，同实施例1，其中：屏蔽内壳3的材料为环氧树脂，屏蔽内壳3的圆柱形空心壳体壁厚为10mm、高度为585mm、空心的内径为200mm，其上端外凸边的宽度为10mm、厚度为10mm，其底端外凸边的宽度为4mm、厚度为10mm。微分环4采用线径为1.12mm的铜芯漆包线均匀绕制500匝，屏蔽外壳2的材料为环氧树脂，屏蔽外壳2的圆柱形空心壳体的壁厚为10mm、高度为575mm。由于屏蔽外壳2和屏蔽内壳3的材料采用环氧树脂，环氧树脂为绝缘材料不会形成涡流，屏蔽外壳2和屏蔽内壳3一侧不开设缝隙。接线箱5的材料为铝，积分电阻6是阻值为4Ω的无感电阻。

实验结果

对本实施例1的基于微分环的雷电流测量传感器进行以下测试：

1、雷电流波形测量试验。试验方法：采用冲击大电流发生装置模拟雷电流波形，将该冲击大电流发生装置产生的雷电流从一段1.9m长的垂直导线上端注入，垂直导线下端直接接地。基于微分环的雷电流测量传感器水平放置，使垂直导线产生的磁场垂直穿过微分环所在的平面。数据采集装置采用泰克的型号为DPO4045的示波器，试验中采用型号为1025的Pearson线圈搭配泰克P5100高压探头作为标准测量系统，测试结果如图4～7所示。

其中：图4为对8/20μs标准雷电流波形测试结果图，纵轴为电压50mv/格，横轴为时间10μs/格；图5为Pearson线圈对8/20μs标准雷电流波形测试的结果图，纵轴为电压200v/格，横轴为时间10μs/格；图6为对13/40μs的雷电流波形测试结果图，纵轴为电压50mv/格，横轴为时间10μs/格；图7为Pearson线圈对13/40μs的雷电流波形测试的结果图，纵轴为电压200v/格，横轴为时间10μs/格。

从该试验知：本发明的基于微分环的雷电流测量传感器的输出波形与Pearson线圈的输出波形几乎一致。并从图6和图7还可以计算出，通过Pearson线圈测得的雷电流幅值为12.64kA，通过本发明的基于微分环的雷电流测量传感器测得的雷电流幅值为13kA，误差为2.8％。

2、线性度的测试。试验方法：采用冲击大电流发生装置模拟13/40μs的雷电流波形，分别产生不同幅值的模拟雷电流波形(由于设备限制，电流幅值最高为40kA，最小的为4kA)，电流幅值由Pearson线圈测出，本发明的基于微分环的雷电流测量传感器的输出幅值由示波器测出。测试结果如图8。

以上的测量结果表明，本发明的基于微分环的雷电流测量传感器能较好的还原雷电流的波形，线性度好，测量准确；与电网一次完全不接触，安全性高；具有体积小、成本低、安装方便、重量轻等优点；可广泛的应用于110kV～500kV架空输电线路以及变电站进线处的雷电流测量。

Claims (5)

1.一种基于微分环的雷电流测量传感器，主要包括屏蔽外壳(2)，屏蔽内壳(3)，接线箱(5)，同轴电缆(9)，其特征在于所述的传感器(10)还有微分环(4)和积分电阻(6)，屏蔽内壳(3)的材料为铝或铜或环氧树脂，形状为上端和底端均带外凸边的圆柱形空心壳体，所述的屏蔽内壳(3)的圆柱形空心壳体的壁厚为2～10mm、高度为71～585mm、空心的内径为40～200mm，其上端外凸边的宽度为4～10mm、厚度为3～10mm，其底端外凸边的宽度为1～4mm、厚度为6～10mm，在屏蔽内壳(3)的上端外凸边的下端设置有内凹的卡扣，微分环(4)以屏蔽内壳(3)为骨架，采用线径为0.5～1.12mm的铜芯漆包线均匀绕制100～500匝，装设在屏蔽内壳(3)的外侧，微分环(4)的两端分别通过引出线(7)引出，屏蔽外壳(2)装设在微分环(4)的外侧，屏蔽外壳(2)的材料与屏蔽内壳(3)相同为铝或铜或环氧树脂，屏蔽外壳(2)的形状与屏蔽内壳(3)匹配为圆柱形空心壳体，所述的屏蔽外壳(2)的圆柱形空心壳体的壁厚为2～10mm、高度为68～575mm，其空心的内径与屏蔽内壳(3)底端的外凸边的外径匹配，当屏蔽外壳(2)和屏蔽内壳(3)的材料采用铝或铜时，在屏蔽外壳(2)和屏蔽内壳(3)一侧沿传感器(10)的轴线方向开设有1～2mm贯通的缝隙，当屏蔽外壳(2)和屏蔽内壳(3)的材料采用环氧树脂时，屏蔽外壳(2)和屏蔽内壳(3)一侧不开设缝隙，在屏蔽外壳(2)的上端设置有凸出的卡扣，该凸出的卡扣与屏蔽内壳(3)上端的外凸边下端的内凹卡扣卡紧连接，屏蔽外壳(2)的下端通过螺钉与屏蔽内壳(3)固定连接，在屏蔽外壳(2)一侧的下端设置一开口，微分环(4)两端的引出线(7)从开口引出并进入接线箱(5)，接线箱(5)的材料为铝或铜，通过螺钉固定在屏蔽外壳(2)一侧下端的开口处，在接线箱(5)内设有积分电阻(6)，积分电阻(6)为阻值0.2～4Ω的无感电阻，在接线箱(5)的下端固接有同轴电缆接头(8)，在接线箱(5)内，微分环(4)的一端引出线与积分电阻(6)的一端并接后，再与同轴电缆接头(8)的芯线连接，微分环(4)的另一端引出线与积分电阻(6)的另一端并接后，再与同轴电缆接头(8)的地线连接，同轴电缆(9)的另一端与数据采集设备的输入端相连。

2.按照权利要求1所述的基于微分环的雷电流测量传感器，其特征在于屏蔽内壳(3)的材料为铝，屏蔽内壳(3)的圆柱形空心壳体的壁厚为2mm、高度为71mm、空心的内径为50mm，其上端外凸边的宽度为4mm、厚度为3mm，其底端外凸边的宽度为2mm、厚度为6mm，微分环(4)采用线径为0.68mm的铜芯漆包线均匀绕制100匝，屏蔽外壳(2)的材料为铝，屏蔽外壳(2)的圆柱形空心壳体的壁厚为2mm、高度为68mm，屏蔽外壳(2)和屏蔽内壳(3)一侧开设的缝隙为1mm，接线箱(5)的材料为铝，积分电阻(6)是阻值为0.5Ω的无感电阻。

3.按照权利要求1所述的基于微分环的雷电流测量传感器，其特征在于屏蔽内壳(3)的材料为铜，屏蔽内壳(3)的圆柱形空心壳体的壁厚为5mm、高度为74mm、空心的内径为40mm，其上端外凸边的宽度为6mm、厚度为5mm，其底端外凸边的宽度为1mm、厚度为8mm，微分环(4)采用线径为0.5mm的铜芯漆包线均匀绕制150匝，屏蔽外壳(2)的材料为铜，屏蔽外壳(2)的圆柱形空心壳体的壁厚为5mm、高度为69mm，屏蔽外壳(2)和屏蔽内壳(3)一侧开设的缝隙为1.5mm，接线箱(5)的材料为铜，积分电阻(6)是阻值为0.2Ω的无感电阻。

4.按照权利要求1所述的基于微分环的雷电流测量传感器，其特征在于屏蔽内壳(3)的材料为铜，屏蔽内壳(3)的圆柱形空心壳体的壁厚为8mm、高度为286mm、空心的内径为100mm，其上端外凸边的宽度为8mm、厚度为7mm，其底端外凸边的宽度为3mm、厚度为9mm，微分环(4)采用线径为0.9mm的铜芯漆包线均匀绕制300匝，屏蔽外壳(2)的材料为铜，屏蔽外壳(2)的圆柱形空心壳体的壁厚为8mm、高度为279mm，屏蔽外壳(2)和屏蔽内壳(3)一侧开设的缝隙为2mm，接线箱(5)的材料为铜，积分电阻(6)是阻值为2Ω的无感电阻。

5.按照权利要求1所述的基于微分环的雷电流测量传感器，其特征在于屏蔽内壳(3)的材料为环氧树脂，屏蔽内壳(3)的圆柱形空心壳体壁厚为10mm、高度为585mm、空心的内径为200mm，其上端外凸边的宽度为10mm、厚度为10mm，其底端外凸边的宽度为4mm、厚度为10mm，微分环(4)采用线径为1.12mm的铜芯漆包线均匀绕制500匝，屏蔽外壳(2)的材料为环氧树脂，屏蔽外壳(2)的圆柱形空心壳体的壁厚为10mm、高度为575mm，接线箱(5)的材料为铝，积分电阻(6)是阻值为4Ω的无感电阻。

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