CN101825654B - 自供能雷电流检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自供能雷电流检测系统，用于与避雷针装置配合使用，实现雷电流相关参数的检测，所述自供能雷电流检测系统包括信号取样保持装置、取能装置、单片机控制单元、硬件时钟单元和数据存储单元；所述信号取样保持装置包括依次联接的电流传感单元、限压保护单元I、正/负峰值保持单元，所述取能装置包括依次联接的取能线圈、前端保护装置、整流滤波单元、限压保护单元II、稳压单元和DC/DC单元，本发明的自供能雷电流检测系统能持续实现对输电线路或建筑物的避雷针是否遭受雷击进行监测，并可以准确记录雷击发生的时刻和幅值、极性，无需专门的触发电路，具有精度高，结构简单，体积小，成本低，安全性高等特点。

Description

自供能雷电流检测系统

技术领域

本发明属于雷电流监测技术领域，特别涉及一种自供能雷电流检测系统，具体可适用于电力系统架空输电线路、变电站和建筑物的避雷针、避雷器的雷电流幅值、极性、发生时间的实时监测。

背景技术

随着国民经济的发展，电力系统电压等级及规模随之迅速发展和扩大，电力系统架空输电线路分布广阔，很容易遭受雷电的侵袭，对于变电站和建筑物也常常遭受雷电的侵袭，由于雷电的发生的随机性和短暂性，因此准确定位雷电流发生的时间及特性显得尤为重要。雷电流的参数特性对探讨防雷对策，提高防雷设施性能，评价防雷设施对各种设备及变电站和建筑物的保护范围以及分析雷害事故，区分事故责任，都具有十分重要的意义。同时，雷电流参数的测量也是进行雷电特性研究的基础工作，得到雷电流的基本参数以后，可以有的放矢，有针对性的解决防雷问题。

雷电流参数的测量有遥测和直接测量两种方式。遥测是利用雷电探测天线探测从远处传播过来的雷电电磁波并以此反推雷电流幅值和波形的雷电流参数测量方式。由于雷电探测天线远离雷电发生点，雷电电磁波传播过程中，容易受地形、建筑物等影响，存在不同程度的衰减和色散，因此，通过遥测测量得到的雷电流参数准确度不高。雷电流参数直接测量是在雷击发生点对雷电流进行直接测量的方式。由于雷击某一物体发生的概率和时间是不确定的，因此雷电流直接测量随即性非常大，这就需要一种不但测量准确度高而且成本也较低的装置。过去，一般采用在输电线路杆塔上安装磁钢棒的方法，利用雷电流产生的磁场使磁钢棒磁化，由于磁钢棒具有较强的磁矫特性，所以雷电流通过磁钢棒后仍能保留较大的剩磁，通过检测其剩磁的大小即可确定被测雷电流幅值的大小。这种方法的优点是成本低便于大量安装，但缺点是磁钢棒的配方和生产工艺的分散性，以及测量结果本身误差大，不能记录雷电发生的时间、而且只能单次记录，获取数据不方便，工作量大。

实用新型200720173616.4“一种雷电流检测装置”，解决了避雷器是否被雷击的检测问题，虽然装置结构简单、成本低，但只能说明避雷装置是否遭受雷击，不能准确定位雷击发生时间、极性和幅值大小，而且放置位置会干扰设备本身磁场，影响测量准确性。

中国发明专利200710169010.8“一种雷电流测量方法及装置”虽然采用双向无线通讯方式，多通道的前端测量记录仪可以用来测量和记录雷击发生时的雷电流幅值、陡度、极性以及雷击时间，但是其供能部分需要附加电池或太阳能电源，遇到阴雨天气或者电池电力不足情况，其测量方法会受到很大的限制，不能进行长期性实时检测。同样，中国新型实用200820191482.3“架空输电线路和避雷针雷电流全参数在线监测装置”，其供能部分也利用太阳能电池板、蓄电池和变压器，需要定期对备用电池进行检查，增加工作量，同样遇到阴雨天气或者电池电力不足时，其方法也会受到很大限制。

因此，有必要提出一种雷电流检测系统，能持续实现对架空输电线路和避雷针是否遭受雷击进行监测，并可以准确记录雷击发生的时刻、幅值和极性，同时不需要外接电源。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种自供能雷电流检测系统，能持续实现对输电线路或建筑物的避雷针是否遭受雷击进行监测，并可以准确记录雷击发生的时刻和幅值、极性，无需专门的触发电路，具有精度高，结构简单，体积小，成本低，安全性高等特点。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：该自供能雷电流检测系统包括信号取样保持单元、取能装置、单片机控制单元、硬件时钟单元和数据存储单元；

所述信号取样保持装置包括依次联接的电流传感单元、限压保护单元I、正/负峰值保持单元，所述电流传感单元采用罗戈夫斯基线圈，所述正/负峰值保持单元的输出端与单片机控制单元的输入端相联接；

所述取能装置包括依次联接的取能线圈、前端保护装置、整流滤波单元、限压保护单元II、稳压单元和DC/DC单元，所述DC/DC单元的输出端与单片机控制单元的电源输入端相联接；

所述硬件时钟单元和数据存储单元分别与单片机控制单元的对应端口相联接；

使用时，所述电流传感器和取能线圈耦合设置在避雷装置上。

进一步，所述信号取样调理单元包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第一电容和运算放大器，所述信号取样单元的输入端通过第一电阻与运算放大器的正相输入端相联接，所述运算放大器的反相输入端与输出端相联接，所述运算放大器的输出端与第二电阻相联接，所述第三电阻和第一电容并联后，一端与第二电阻串联后接入限压保护单元，另一端与运算放大器的负电源输入端联接后接地；

进一步，所述限压保护单元I包括第一电阻、第二电阻、限压二极管和三极管，所述第一电阻的一端为输入端，另一端与限压二极管的负极相联接，所述第一电阻与限压二极管的公共接点与三极管的集电极相联接，所述三极管的基极与限压二极管的正极相联接，所述三极管的发射极与第二电阻的一端相联接，所述第二电阻的另一端联接第一电阻和限压二极管公共接点，所述限压保护单元II与限压保护单元I的电路架构相同；

进一步，所述正/负峰值保持单元包括正峰值保持电路和负峰值保持电路，还包括联接到限压保护单元I的取样电阻，所述取样电阻的取样端分别联接到正峰值保持电路和负峰值保持电路，另一端接地；

所述正峰值保持电路包括第一二极管、第五电阻、第七电阻和第二电容，所述取样电阻的取样端与第一二极管的正极相联接，所述第一二极管的负极与第五电阻串联后接入单片机控制单元，所述第一二极管与第五电阻的公共接点与第二电容联接后接地，所述第五电阻与单片机控制单元的公共接点联接第七电阻后接地；

所述负峰值保持电路包括第二二极管、第六电阻、第八电阻和第三电容，所述取样电阻的取样端与第二二极管的正极相联接，所述第二二极管的负极与第六电阻串联后接入单片机控制单元，所述第二二极管与第六电阻的公共接点与第三电容联接后接地，所述第六电阻与单片机控制单元的公共接点联接第八电阻后接地；

进一步，所述取能装置的前端保护单元包括接入取能线圈两输出端之间的冲击保护电阻；

所述整流滤波单元包括由第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第四电容和第十电阻；所述第三二极管、第四二极管、第五二极管和第六二极管组成整流桥，其中，所述第三二极管的正极与第四二极管的负极相联接，所述第四二极管的负极与第六二极管的负极相联接，所述第六二极管的正极与第五二极管的负极相联接，所述第五二极管的正极与第三二极管的正极相联接；

所述取能线圈的输出端分别接入第三二极管与第四二极管的公共接点以及第五二极管与第六二极管的公共接点，所述第四电容与第十电阻并联后两端分别接入第四二极管与第六二极管的公共接点以及第三二极管与第五二极管的公共接点，其中，联接到第三二极管与第五二极管的公共接点的一端接地；

进一步，所述整流滤波单元的输出级联接相互并联的第一单向TVS管和第五电容后输出至限压保护单元II，所述第一单向TVS管和第五电容均与第四电容和第十电阻并联，用于稳压；

进一步，所述稳压单元包括稳压芯片及其外围电路；

进一步，所述稳压芯片采用Max5035，所述限压保护单元II的输出端联接到稳压芯片的V_IN端，所述V_IN端与SGND端之间连接有串联在一起的第十一电阻和第十二电阻，所述稳压芯片的ON/OFF端与第十一电阻和第十二电阻的公共接点联接后通过开关与SGND端相联接，所述VD端通过第八电容分别与GND端和SGND联接后接地；所述稳压芯片的BST端通过第七电容与LX端联接后，再通过第二单向TVS管接地；所述第七电容与LX端的公共接点通过第十三电阻联接到DC/DC单元，所述稳压芯片的FB端联接到第十三电阻与DC/DC单元之间；

所述稳压单元的输入端上联接有接地的第六电容，所述稳压单元的输出端上联接有接地的第九电容；

进一步，所述DC/DC单元包括转换芯片及其外围电路，所述转换芯片采用TL7660。

本发明的有益效果是：

1.本发明直接利用架空输电线路或避雷针遭受雷击时的能量，通过取能线圈耦合最终得到±5V的电源，无需外部电源提供能量驱动检测设备，能够确保长期稳定持续的进行实时检测，不用考虑因外部电力不足引起设备失效以至于检测不到雷击的情况；

2.本发明的信号取样保持单元和取能单元在雷击发生时，能够同时起作用，实时检测雷击发生信息，不需要外加触发电路，可靠性更高；

3.能够长期工作于工频交流环境中，并且能承受较大的冲击电压，通过罗戈夫斯基线圈和取能线圈，电流传感器的输出信号和取能单元与电网一次侧完全电气隔离，具有很好的安全特性；

4.本发明能够准确地检测输电线路或避雷针是否遭受过雷击，实时记录雷击发生的时间、雷电流的幅值、极性，能够较好地满足检测需要；

5.本发明的取能单元能够提供±5V的电源，可以用以单片机和硬件时钟供能，扩展性好；

6.本发明电流测量范围从正负几千安到几百千安，包括了输电线路和避雷针可能遭受雷电流的几乎全部范围，满足实际工程的需要；

7.本发明结构简单，具有体积小，重量轻，取能方便，便于安装，可以灵活调节等优点。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明的原理示意图；

图2为罗氏线圈结构示意图；

图3为本发明的结构示意图；

图4为限压保护单元I的电路连接图；

图5为正/负峰值保持单元电路图；

图6为前端保护单元和整流滤波单元电路图；

图7为稳压单元电路图；

图8为DC/DC单元电路图；

图9为实例取能单元的输入波形；

图10为实例取能单元的输出波形；

图11为实例检测雷电流输入波形；

图12为实例雷电流检测波形。

具体实施方式

以下将参照附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

如图1和图2所示，本发明的自供能雷电流检测系统，用于与避雷装置配合使用，实现雷电流相关参数的检测，包括信号取样保持单元、取能装置、单片机控制单元1、硬件时钟单元2和数据存储单元3；

如图3所示，信号取样保持单元包括依次联接的电流传感单元4、限压保护单元I 7和正/负峰值保持单元8，电流传感单元4采用罗戈夫斯基线圈，正/负峰值保持单元8的输出端与单片机控制单元1的输入端相联接；

取能装置包括依次联接的取能线圈9、前端保护单元10、整流滤波单元11、限压保护单元II12、稳压单元13和DC/DC单元14，DC/DC单元14的输出端与单片机控制单元1的电源输入端相联接；

硬件时钟单元2和数据存储单元3分别与单片机控制单元1的对应端口相联接；

使用时，电流传感单元4和取能线圈9耦合设置在避雷装置上，本专利所述的避雷装置包括用于输电线路、建筑以及设备的避雷针和避雷器等，耦合是指将线圈套设在上述避雷装置的引雷导线的外部。

如图4所示，所述限压保护单元I包括第一电阻R1、第二电阻R2、限压二极管D0和三极管Q1，所述第一电阻R1的一端为输入端，另一端与限压二极管D0的负极相联接，所述第一电阻R1与限压二极管D0的公共接点与三极管Q1的集电极相联接，所述三极管Q1的基极与限压二极管D0的正极相联接，所述三极管Q1的发射极与第二电阻R2的一端相联接，所述第二电阻R2的另一端联接第一电阻R1和限压二极管D0公共接点，三极管Q1采用NPN三极管，另外，限压保护单元II也采用而后限压保护单元I同样的架构。

如图5所示，正/负峰值保持单元8包括联接到限压保护单元I7的取样电阻R4，取样电阻R4的取样端分别联接到正峰值保持电路和负峰值保持电路，另一端接地；

正峰值保持电路包括第一二极管D1、第五电阻R5、第七电阻R7和第二电容C2，取样电阻R4的取样端与第一二极管D1的正极相联接，第一二极管D1的负极与第五电阻R5串联后接入单片机控制单元1，第一二极管D1与第五电阻R5的公共接点与第二电容C2联接后接地，第五电阻R5与单片机控制单元1的公共接点联接第七电阻R7后接地；

负峰值保持电路包括第二二极管D2、第六电阻R6、第八电阻R8和第三电容C3，取样电阻R4的取样端与第二二极管D2的正极相联接，第二二极管D2的负极与第六电阻R6串联后接入单片机控制单元1，第二二极管D2与第六电阻R6的公共接点与第三电容C3联接后接地，第六电阻R6与单片机控制单元1的公共接点联接第八电阻R8后接地。

如图6所示，取能装置的前端保护单元包括接入取能线圈9两输出端之间的冲击保护电阻R9；

整流滤波单元包括第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第四电容C4和第十电阻R10；其中，第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6组成整流桥，其中，第三二极管D3的正极与第四二极管D4的负极相联接，第四二极管D4的负极与第六二极管D6的负极相联接，第六二极管D6的正极与第五二极管D5的负极相联接，第五二极管D5的正极与第三二极管D3的正极相联接；

取能线圈9的输出端分别接入第三二极管D3与第四二极管D4的公共接点以及第五二极管D5与第六二极管D6的公共接点，第四电容C4与第十电阻R10并联后两端分别接入第四二极管D4与第六二极管D6的公共接点以及第三二极管D3与第五二极管D5的公共接点，其中，联接到第三二极管D3与第五二极管D5的公共接点的一端接地。

整流滤波单元11的输出级联接相互并联的第一单向TVS管TVS1和第五电容C5后输出至限压保护单元II12，第一单向TVS管TVS1和第五电容C5均与第四电容C4和第十电阻R10并联，用于稳压。

如图7所示，稳压单元13包括稳压芯片U1及其外围电路。本实施例中，稳压芯片U1采用Max5035，Max5035芯片的输入量程是7.5v～75v，输出是5v的电压。其具体联接如下：

限压保护单元II11的输出端联接到稳压芯片U1的V_IN端，V_IN端与SGND端之间连接有串联在一起第十一电阻R11和第十二电阻R12，稳压芯片U1的ON/OFF端与第十一电阻R11和第十二电阻R12的公共接点联接后通过开关K与SGND端相联接，VD端通过第八电容C8分别与GND端和SGND联接后接地；稳压芯片U1的BST端通过第七电容C7与LX端联接后，再通过第二单向TVS管TVS2接地；第七电容C7与LX端的公共接点通过第十三电阻R13联接到DC/DC单元14，稳压芯片U1的FB端联接到第十三电阻R13与DC/DC单元14之间；

稳压单元13的输入端上联接有接地的第六电容C6，稳压单元13的输出端上联接有接地的第九电容C9。

如图8所示，DC/DC单元14包括转换芯片U2及其外围电路，转换芯片U2采用TL7660。

本发明的自供能雷电流检测装置在使用时，将装置装设于建筑的避雷针底部，分别将取能线圈和电流传感单元耦合于避雷针，当建筑物的避雷针遭受雷击时，雷电流通过避雷针的引流形成幅值很高的暂态冲击电流，在导线或避雷针上安装电流传感单元通过电磁感应原理(罗戈夫斯基线圈)耦合出雷电流波形，变换为电压信号经电缆传输到信号取样单元的输入端；此时取能电源也捕捉到暂态雷电流信号，通过前端保护电路和电磁耦合捕获电能信号，经电路转换保持，变为稳定的±5V电压输出给单片机供电，在电流传感单元和取能单元的同时作用下，实时地对雷电流的极性、幅值和发生时间进行检测，结果存储在数据存储单元。

系统仿真效果：

1.检测效果：当输入波形为8us/20us，50kA时，如图9所示，得到的检测信号如图10所示，由图中可以看出：当输入8us/20us雷电流波形时，通过正/负峰值保持电路，可以监测到输出端的波形为8.5us/20.3us，输出波形陡度能够较好的反映输入波形的陡度。

2.取能效果：当输入波形如图11所示时，得到的电源信号如图12所示，由图中可以看出：当输入8us/20us，50kA的雷电流波形时，经过取能单元转换，获得输出电压为12V左右，此电压可以经过进一步的稳压，可最终获取5V电压。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.自供能雷电流检测系统，用于与避雷装置配合使用，实现雷电流相关参数的检测，其特征在于：所述自供能雷电流检测系统包括信号取样保持单元、取能装置、单片机控制单元(1)、硬件时钟单元(2)和数据存储单元(3)；

所述信号取样保持单元包括依次联接的电流传感单元(4)、限压保护单元I(7)和正/负峰值保持单元(8)，所述电流传感单元(4)采用罗戈夫斯基线圈，所述正/负峰值保持单元(8)的输出端与单片机控制单元(1)的输入端相联接；所述正/负峰值保持单元(8)包括正峰值保持电路和负峰值保持电路，还包括联接到限压保护单元I(7)的取样电阻(R4)，所述取样电阻(R4)的取样端分别联接到正峰值保持电路和负峰值保持电路，另一端接地；

所述取能装置包括依次联接的取能线圈(9)、前端保护单元(10)、整流滤波单元(11)、限压保护单元II(12)、稳压单元(13)和DC/DC单元(14)，所述DC/DC单元(14)的输出端与单片机控制单元(1)的电源输入端相联接；

所述硬件时钟单元(2)和数据存储单元(3)分别与单片机控制单元(1)的对应端口相联接；

使用时，所述电流传感单元(4)和取能线圈(9)耦合设置在避雷装置上。

2.根据权利要求1所述的自供能雷电流检测系统，其特征在于：所述取能线圈(9)处于电流传感单元(4)的上方。

3.根据权利要求2所述的自供能雷电流检测系统，其特征在于：所述限压保护单元I(7)包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、限压二极管(D0)和三极管(Q1)，所述第一电阻(R1)的一端为输入端，另一端与限压二极管(D0)的负极相联接，所述第一电阻(R1)与限压二极管(D0)的公共接点与三极管(Q1)的集电极相联接，所述三极管(Q1)的基极与限压二极管(D0)的正极相联接，所述三极管(Q1)的发射极与第二电阻(R2)的一端相联接，所述第二电阻(R2)的另一端联接第一电阻(R1)和限压二极管(D0)公共接点。

4.根据权利要求3所述的自供能雷电流检测系统，其特征在于：

所述正峰值保持电路包括第一二极管(D1)、第五电阻(R5)、第七电阻(R7)和第二电容(C2)，所述取样电阻(R4)的取样端与第一二极管(D1)的正极相联接，所述第一二极管(D1)的负极与第五电阻(R5)串联后接入单片机控制单元(1)，所述第一二极管(D1)与第五电阻(R5)的公共接点与第二电容(C2)联接后接地，所述第五电阻(R5)与单片机控制单元(1)的公共接点联接第七电阻(R7)后接地；

所述负峰值保持电路包括第二二极管(D2)、第六电阻(R6)、第八电阻(R8)和第三电容(C3)，所述取样电阻(R4)的取样端与第二二极管(D2)的正极相联接，所述第二二极管(D2)的负极与第六电阻(R6))串联后接入单片机控制单元(1)，所述第二二极管(D2)与第六电阻(R6)的公共接点与第三电容(C3)联接后接地，所述第六电阻(R6)与单片机控制单元(1)的公共接点联接第八电阻(R8)后接地。

5.根据权利要求4所述的自供能雷电流检测系统，其特征在于：所述取能装置的前端保护单元包括接入取能线圈(9)两输出端之间的冲击保护电阻(R9)；

所述整流滤波单元(11)包括由第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第四电容(C4)和第十电阻(R10)；所述第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)和第六二极管(D6)组成整流桥，其中，所述第三二极管(D3)的正极与第四二极管(D4)的负极相联接，所述第四二极管(D4)的负极与第六二极管(D6)的负极相联接，所述第六二极管(D6)的正极与第五二极管(D5)的负极相联接，所述第五二极管(D5)的正极与第三二极管(D3)的正极相联接；

所述取能线圈(9)的输出端分别接入第三二极管(D3)与第四二极管(D4)的公共接点以及第五二极管(D5)与第六二极管(D6)的公共接点，所述第四电容(C4)与第十电阻(R10)并联后两端分别接入第四二极管(D4)与第六二极管(D6)的公共接点以及第三二极管(D3)与第五二极管(D5)的公共接点，其中，联接到第三二极管(D3)与第五二极管(D5)的公共接点的一端接地。

6.根据权利要求5所述的自供能雷电流检测系统，其特征在于：所述整流滤波单元(11)的输出级联接相互并联的第一单向TVS管(TVS1)和第五电容(C5)后输出至限压保护单元II(12)，所述第一单向TVS管(TVS1)和第五电容(C5)均与第四电容(C4)和第十电阻(R10)并联，用于稳压。

7.根据权利要求6所述的自供能雷电流检测系统，其特征在于：所述稳压单元(13)包括稳压芯片(U1)及其外围电路。

8.根据权利要求7所述的自供能雷电流检测系统，其特征在于：所述稳压芯片(U1)采用Max5035，所述限压保护单元II(12)的输出端联接到稳压芯片(U1)的V_IN端，所述V_IN端与SGND端之间连接有串联在一起的第十一电阻(R11)和第十二电阻(R12)，所述稳压芯片(U1)的ON/OFF端与第十一电阻(R11)和第十二电阻(R12)的公共接点联接后通过开关(K)与SGND端相联接，所述稳压芯片的VD端通过第八电容(C8)分别与GND端和SGND联接后接地；所述稳压芯片(U1)的BST端通过第七电容(C7)与LX端联接后，再通过第二单向TVS管(TVS2)接地；所述第七电容(C7)与LX端的公共接点通过第十三电阻(R13)联接到DC/DC单元(14)，所述稳压芯片(U1)的FB端联接到第十三电阻(R13)与DC/DC单元(14)之间；

所述稳压单元(13)的输入端上联接有接地的第六电容(C6)，所述稳压单元(13)的输出端上联接有接地的第九电容(C9)。

9.根据权利要求8所述的自供能雷电流检测系统，其特征在于：所述DC/DC单元(14)包括转换芯片(U2)及其外围电路，所述转换芯片(U2)采用TL7660。

Images