CN103487627A - 一种无源的杆塔接地雷电流强度检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种无源的杆塔接地雷电流强度检测器，利用电磁感应原理、电容储能和电源变换技术，将部分雷击能量转换为瞬时的电压源，启动编码电路发出带有雷击强度信息的红外信号，再通过光纤传输到监测终端机上，用于杆塔对地的雷电流强度检测，为输电线杆塔雷电监测系统提供雷击的时间、位置与放电强度信息，解决了高电压和强电磁干扰环境下，杆塔接地线路雷电泄放信号采集、耦合与电气隔离问题，从根本上避免了信号记录装置一端设备的使用安全，实现了输电线路雷击发生的时间和空间状态信息的获取。
Description
技术领域
一种无源的杆塔接地雷电流强度检测器，以雷击的瞬时能量转换成红外信号，用于杆塔对地的雷电流强度检测，为输电线杆塔雷电监测系统提供本地的雷击信息。属于电气工程学科高压线路安全防护技术领域。
背景技术
雷电在线监测是高压输电线路安全防护的重要环节，其中雷电流参数获取是在线监测的关键技术，能够为电网雷电防护工程提供重要的原始数据，为电力部门提供雷击规律统计以及事故原因分析的资料。
一般常用的雷电流传感器主要用于检测变电站或进户系统的二级防雷设备保护动作。而对于高压输电线接地回路的雷击信号采集，存在着过压保护和设备可靠性等技术问题，通常是利用杆塔上的避雷器推动指针计数器，粗略指示雷电泄放次数。由于功能过于简单，作为雷电在线监测的信息量还不够充足。
本发明利用电磁感应原理、电容储能和电源变换技术，将部分雷击能量转换为瞬时的恒压电源，启动编码电路发出带有雷击强度信息的红外信号，再通过光纤传输到监测终端机上，很好地解决了一般传感器的自身供电问题和监测设施与高压电网的隔离问题。
发明内容
本发明公布了一种无源的杆塔接地雷电流强度检测器，为输电线杆塔雷电监测系统提供了雷击的时间、位置与放电强度信息，便于监测系统及时采集雷击数据。本发明的主要特征如下：
1.本发明的雷电流强度检测器，由绕在铁氧体磁环上的感应线圈（1）、穿在磁环中间的导流铜片（2）、带有过压保护的红外信号发射板（3）、带有光纤接头的密封外壳（4）、带有护套的光纤（5）、能直接安装在接地回路上的条状金属分流底板（6）和带有红外接收功能的雷击信息采集记录模块（7）组成。
2.所述的雷电流强度检测器的红外信号发射板（3）由依次连接的带有过压保护的整流电路（3-a）、储能积分的RLC电路（3-b）、红外脉冲信号产生电路（3-c）和红外发射管（3-d）构成，（3-a）的输入端与感应线圈（1）的端头连接，红外发光管（3-d）可通过（4）的光纤接头连接光纤（5）的入射端。
3. 所述的雷电流强度检测器的导流铜片（2），两端接在密封外壳（4）的底部，通过螺丝压接在金属分流底板（6）上。当线路受到雷击，闪络电流通过金属分流底板（6）泄放入地时，部分电流流过导流铜片（2），使绕在磁芯上的线圈（1）两端产生互感电流脉冲，加到红外信号发射板（3）输入端。
4. 所述的雷电流强度检测器，接收到的电流脉冲经过整流电路（3-a）给储能电容（3-b）充电，为调制编码电路（3-c）和红外发射管（3-d）供电，发出红外编码调制信号，经插在（4）上的光纤（5）传出。
5. 所述的雷电流强度检测器的光纤(5)信号射出端，与配套的带有红外接收功能的雷击信息采集记录模块（7）相连接，（7）安装于安全范围内的杆塔线路附近，可以随时接收、记录并上传发生雷击的时间、次数和线路的位置信息。
要解决的技术问题
1.本发明首先要根据检测器的分流金属底板（6）和导流铜片（2）的等效电阻计算泄放电流的分流系数λ，以确定检测量程。
设泄放电流I=Ic+If, 分流系数λ决定了流经导流铜片的泄放电流的比例。根据检测器的机械与电气结构，分流系数为λ= Ic/If =σc·Sc/σf·Sf，其中：
σc为导流铜片(2)的电阻率；Sc为（2）的横截面积；
σf为检测器分流底板（6）材料（钢）的电阻率；Sf(6)的横截面积。
由于流过导流铜片的电流峰值只需在1KA以下，对近百千安培的泄放电流量程，λ可以通过机械设计与材质选择来确定，一般在0.01数量级即可。
2.将泄放电流的强度转变成与之对应的电流脉冲串。
对于感应到的雷电泄放电流，通过RLC积分电路后，积分储能电容的电压Vc=Q/C,与电容容量C和充电电量Q有关。对机械结构已经确定的电流检测器而言，只要磁环未达到饱和，储能电容的电量Q基本正比于雷电强度。所以在红外发射电路的工作电流远小于积分充电电流的条件下，积分电容有足够的放电的时间为红外发射电路供电，而且电量Q的大小决定了红外信号发送时间的长短，因此只要测量发送信号脉冲的个数，即可实现雷击强度的分级。
3.信号采集记录模块（7）的微处理器利用红外信号作为触发计数值，经过线性化处理得到雷电流强度，加上实时时钟一起保存，即可实现雷击发生时刻、强度和次数的记录数据。
4.在很大的感应电流动态范围内要具有可靠的过载保护能力。
积分电路中RLC的参数的选择，要通过计算使电路处于临界阻尼状态，避免产生过冲震荡。同时回路上并联的多级瞬态抑制器件和高反压高速响应整流器件，是在电流强度超过量程时，实现过压过流保护。
本发明利用雷电自身能量产生红外信号，解决了高电压和强电磁干扰环境下，杆塔接地线路雷电泄放信号采集、耦合与电气隔离问题，从根本上避免了信号记录装置一端设备的使用安全，实现了输电线路雷击发生的时间和空间状态信息的安全获取。
附图说明与具体实施方式
作为本发明的一个实例，在地处西南山区电网110KV输电线路的无线雷电监测系统实施项目中，其杆塔接地线的雷电信号采集部分使用了本发明的装置和技术。使用证明,本发明实现了预期设计功能和达到了应用目的。下面结合具体实例说明如下：
图1：雷电闪络电流信号采集装置的系统构成与安装示意图
图2：雷电闪络电流传感器的机械结构图
图3：雷电流传感器的电路原理图
图4：雷电流检测器的电流强度/脉冲串转换的波形示意图
如图1所示的雷电流信号采集装置，主要由带有本发明的雷电流检测器和带有红外接收功能的雷击信息采集记录模块两部分组成。雷电流检测器可以根据现场情况串接在杆塔的接地回路中。雷击信息采集记录模块，安装于杆塔线路下方的安全范围内，通过光纤与检测器遥相对应。
如图2所示的雷电流检测器由绕在铁氧体磁环的感应线圈（1）、穿在磁环中间的分流铜片（2）、带有过压保护的红外信号发射板（3）和带有光纤接头的，能直接安装在接地回路上的密封外壳（4）组成。（1）、（2）、（3）均安装在外壳（4）的内部，其中（2）的两端由导电螺丝将平行固定于外壳（4）的两端底板上。
如图3所示的雷电流检测器的红外信号发射板（3）的电路原理图，其电路中（3-a）、（3-b）、（3-c）、（3-d）的电气元件依次串联连接。红外信号可通过（4）的光纤接头向连接的光纤（5）发射信号。
如图4所示的雷电流检测器的电流强度/脉冲串转换的波形示意图，对于三个不同强度的雷电脉冲，只要积分电压信号处于Vmax和Vmin之间，信号编码器均会产生脉冲串输出，而且脉冲串的长度与雷电强度呈现递增关系，只要用处理器对计数值进行非线性校正和标定，精度可优于3%。
本发明解决了高电压和强电磁干扰环境下，杆塔线路雷电泄放信号采集、耦合与电气隔离问题，从根本上避免了信号记录装置一端设备的运行和使用安全，从而实现了输电线路雷击发生时间和空间状态信息的安全获取。
应用实例的电流检测器主要技术指标：
工作温度 -40℃--85℃
响应时间 ≤2mS
发射持续时间 ≥20mS
红外光纤传输距离 ≥20m
强度分级范围： 5KA--100KA
防护等级 IP67
外形尺寸 350X50X30mm
本发明的范围并不局限于此，凡是相似的结构和方法均为本发明的保护之内。
Claims (5)
1.本发明所涉及的一种无源的杆塔接地雷电流强度检测器，由绕在铁氧体磁环上的感应线圈（1）、穿在磁环中间的导流铜片（2）、带有过压保护的红外信号发射板（3）、带有光纤接头的密封外壳（4）、带有护套的光纤（5）、能直接安装在接地回路上的条状金属分流底板（6）和带有红外接收功能的雷击信息采集记录模块（7）组成。
2.如权利要求1所述的雷电流强度检测器的红外信号发射板（3）由依次连接的带有过压保护的整流电路（3-a）、储能积分的RLC电路（3-b）、红外脉冲信号产生电路（3-c）和红外发射管（3-d）构成，（3-a）的输入端与感应线圈（1）的端头连接，红外发光管（3-d）可通过（4）的光纤接头连接光纤（5）的入射端。
3.如权利要求1所述的雷电流强度检测器的导流铜片（2），两端接在密封外壳（4）的底部，通过螺丝压接在金属分流底板（6）上，当线路受到雷击，闪络电流通过金属分流底板（6）泄放入地时，部分电流流过导流铜片（2），使绕在磁芯上的线圈（1）两端产生互感电流脉冲，加到红外信号发射板（3）输入端。
4.如权利要求2所述的雷电流强度检测器的红外信号发射板（3），接收到的电流脉冲经过整流电路（3-a）给储能电容（3-b）充电，为调制编码电路（3-c）和红外发射管（3-d）供电，发出红外编码调制信号，经插在（4）上的光纤（5）传出。
5.如权利要求1所述的雷电流强度检测器的光纤(5)信号射出端，与配套的带有红外接收功能的雷击信息采集记录模块（7）相连接，（7）安装于安全范围内的杆塔线路附近，可以随时接收、记录并上传发生雷击的时间、次数和线路的位置信息。
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