CN104076185A - 基于印制电路板和数字积分的微分环雷电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于印制电路板和数字积分的微分环雷电流传感器，包括上屏蔽壳2、下屏蔽壳3、印制电路板微分环4，所述上屏蔽壳2与下屏蔽壳3配合形成一个密闭的空心壳体，所述印制电路板微分环4设置于空心壳体内的空腔内；所述印制电路板微分环4包括基板，所述基板上设置有经蚀刻而成的螺旋线圈，所述线圈的两端分别经过导线6引出空心壳体外。本发明利用基于法拉第电磁感应定律的印制电路板微分环，实现非接触式测量，能够准确的测量输电线路中的雷电流波形，可对雷电流全波参数进行测量，测量精度高，成本低，可实现批量生产。

Description

基于印制电路板和数字积分的微分环雷电流传感器

技术领域

本发明属于雷电流测量技术领域，涉及架空输电线路的雷电流参数在线监测传感器，具体涉及一种基于印制电路板和数字积分的微分环雷电流传感器。

背景技术

输电线路是电力系统的基础，但由于其分布幅员辽阔，极易遭受雷击从而发生雷击故障事故。为了减小雷害事故，提高电网供电的可靠性，必须采取切实有效的防雷保护措施。雷电参数在电网防雷中具有非常重要的作用，准确的雷电参数不仅是电网防雷设计的基础，还是研究雷电特性、分析雷害事故等的前提。目前我国线路防雷措施的制定因缺乏雷电参数而具有一定的盲目性，且由于地域等差异导致各地雷电参数大相近庭，故需要根据当地雷击情况针对性地采取合理的防雷措施，从而实现差异化防雷。广泛开展对雷电流的直接测量获得准确的雷电参数，对解决雷电参数缺乏的难题具有非常重要的意义

现有直接测量雷电流装置有基于磁带、磁棒法的传感器，如申请号为200410037602.0的“磁带式雷电流陡度记录测量仪”专利，利用外壳、两个非平行放置的磁卡、预录有基准信号的磁带测量磁带上所流过的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。

应用最广泛的是能够测量雷电流全波形的罗格夫斯基线圈，如申请号为200820029454.1的“架空输电线路雷击记录装置”专利，其雷电流传感器为罗格夫斯基线圈(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。再如申请号为CN102944716A的“基于印制电路板的罗戈夫斯基线圈的雷电流传感器”专利，该专利能够测量雷电流并且具有测量频带宽，测量精度高，工作可靠且稳定性好，便于安装和推广等特点。再如申请号为CN103558448A的“一种输电线路多通道雷电流监测装置”专利，该利用多个金属棒和多个雷电流传感器以实现多通道雷电流监测。再如申请号为200520070558.3的“基于数字积分的空芯线圈电流互感器”专利，利用数字积分对空芯线圈的输出信号进行积分，积分由可编程逻辑控制期间FPGA实现，FPGA同时完成对电路的逻辑控制及有关数字计算。以上几种专利中所涉及到的传感器均为罗格夫斯基线圈，其主要缺点是：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。

为了解决穿心式线圈的缺点，实现非接触式监测的目的，一种新型的雷电流传感器出现。如申请号为CN202601406U的“基于非贯穿式空心线圈智能化/网络化电子式电流互感器”专利，该专利电流采样传感器包括空心电感线圈和矩形导电骨架，空心电感线圈焊接于矩形导电骨架印制板上，结合数字积分器实现对微分信号的还原以获得被测电流全波形。该传感器的缺点主要是：该传感器感应的是矩形导电骨架区域中的磁场，而空心电感线圈与载流导体电流形成的磁场方向相平行，无法真正起到感应电流的作用，且数字积分、放大移相等单元仍为有源元件，因此存在电源问题而无法应用于野外环境中。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种基于印制电路板和数字积分的微分环雷电流传感器，该传感器作为基于微分环的雷电流测量传感器的改进形式，在具有其非接触式、准确度高、响应速度快、安装方便等特点外，采用印制电路板的结构形式，有利于批量生产加工，为传感器的推广提供可能；结合数字积分形式，可对传感器所测的微分信号，利用数字积分程序实现波形的还原，保留了传感器无源化的特点。

本发明的工作原理：如图1所示，图中i(t)为雷电流，M为互感，e(t)为感应电势，L为印制电路板微分环自感，r为印制电路板微分环电阻，C为杂散电容，u(t)为微分信号。当输电线路导线1和避雷线流过雷电流时，在导线和避雷线周围会产生一个暂态磁场。当暂态磁场穿过印制电路板微分环时，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 $e\left(t\right)=-\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}},$ 对其进行整理可得： $e\left(t\right)=-\frac{\mathrm{d\Φ}}{\mathrm{dt}}=-\frac{d\left(\mathrm{BS}\right)}{\mathrm{dt}}=-\frac{\mathrm{\π}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{a_i}^{2}B}{\mathrm{dt}},$ 其中N为印制电路板微分环匝数，a_i为印制电路板微分环各匝半径，B为印制电路板微分环处的磁感应强度。

根据麦克斯韦方程以及忽略近场区辐射场的影响，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：

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

式中h为印制电路板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为印制电路板微分环相对于载流导线起始端的高度，H为载流导线长度，RH为印制电路板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： $B=\frac{{\mathrm{\μ}}_{0}i\left(t\right)}{2\mathrm{\πh}}.$

印制电路板微分环两端感应的是一个与被测电流成正比的微分信号，即：

$e\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0\mathrm{di}\left(t\right)}{2\mathrm{\πhdt}}\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i=M\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$

为了对该信号积分以及简化系统提高系统工作的稳定性，本发明采用了利用数字积分以实现无源外积分的目的，经过数字积分之后，还原后的电压信号u(t)为：

$u\left(t\right)=\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}=\∫M\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}\mathrm{dt}=\mathrm{Mi}\left(t\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{2\mathrm{\πh}}\·\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_i\·i\left(t\right)$

式中，M为互感系数。空气磁导率为常数，N为印制电路板微分环匝数，S_i是各层印制电路板微分环面积，h为印制电路板微分环与被测导线的距离。因此，一旦微分环的匝数、面积以及印制电路板微分环的安装位置确定，则互感系数M为常数，印制电路板微分环的微分信号还原后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，本发明基于印制电路板和数字积分的微分环雷电流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。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：基于印制电路板和数字积分的微分环雷电流传感器，包括环状上屏蔽壳2和环状下屏蔽壳3，还包括印制电路板微分环4，所述环状上屏蔽壳2与环状下屏蔽壳3配合形成一个密闭的具有内环和外环的环状空心壳体；所述印制电路板微分环4设置于空心壳体的空腔内；所述印制电路板微分环4包括基板，所述基板上设置有沿内环依次环绕并向外延伸的螺旋线圈，所述螺旋线圈的两端分别经过导线6引出空心壳体外。

进一步，所述环状上屏蔽壳的端面上沿着内环的内边缘设置有一圈凸缘，所述环状下屏蔽壳的端面沿着内环的边缘下凹形成一圈与凸缘配合的台阶；所述环状上屏蔽壳的端面上沿着外环的外边缘设置有一圈凸缘，所述环状下屏蔽壳的端面沿着外环的外边缘下凹形成一圈与凸缘配合的台阶。

进一步，所述环状上屏蔽壳与环状下屏蔽壳的材料相同，为铝或铜；所述环状上屏蔽壳与环状下屏蔽壳一侧沿传感器的轴线方向开设有1-2mm贯通缝隙。

进一步，所述螺旋线圈的匝数为1-100，螺旋线圈的绕线线宽为6-50mil，螺旋线圈的绕线直径为2000-5000mil。

进一步，所述空心壳体的外侧安装有一带法兰盘的同轴电缆7，螺旋线圈的两端分别通过导线与同轴电缆的地线和芯线连接，所述同轴电缆的另一端与数据采集设备的输入端相连，用以实时采集雷电流微分信号。

由于采用了以上技术方案，本发明具有以下有益技术效果：

1、本发明利用基于法拉第电磁感应定律的印制电路板微分环，实现非接触式测量，能够准确的测量输电线路中的雷电流波形，可对雷电流全波参数进行测量，测量精度高，成本低，可实现批量生产。

2、本发明能够长期工作于工频交流环境中，利用印制电路板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之间保持安全距离，消除了对电网安全运行的潜在威胁，安全性高。

3、本发明采用了数字积分方式，代替传统有源外积分方式，实现无源化，进而简化印制电路板传感器自身的结构。大大减小体积，重量更轻，具有测量稳定，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

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为本发明的原理图；

图2为实施例的结构示意图；

图3为图2的下屏蔽壳与印制电路板微分环示意图；

图4为实施例实测8/20μs的数字积分后的雷电流波形；

图5为型号为101的Pearson线圈实测的8/20μs的雷电流波形；

图6为实施例实测20/40μs的数字积分后的雷电流波形；

图7为型号为101的Pearson线圈实测的20/40μs的雷电流波形；

图8为实施例实测8/20μs的雷电流波形的线性度曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图，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2、3所示，一种装设在架空输电线路杆塔上的基于印制电路板和数字积分的微分环雷电流传感器，包括环状上屏蔽壳2和环状下屏蔽壳3，还包括印制电路板微分环4，所述环状上屏蔽壳2与环状下屏蔽壳3配合形成一个密闭的具有内环和外环的环状空心壳体，所述环状上屏蔽壳与环状下屏蔽壳通过螺钉5固定；所述印制电路板微分环4设置于空心壳体的空腔内；所述印制电路板微分环4包括基板，所述基板上设置有沿内环依次环绕并向外延伸的螺旋线圈，所述螺旋线圈的两端分别经过导线6引出空心壳体外。

所述环状上屏蔽壳的端面上沿着内环的内边缘设置有一圈凸缘，所述环状下屏蔽壳的端面沿着内环的边缘下凹形成一圈与凸缘配合的台阶；所述环状上屏蔽壳的端面上沿着外环的外边缘设置有一圈凸缘，所述环状下屏蔽壳的端面沿着外环的外边缘下凹形成一圈与凸缘配合的台阶。环状上屏蔽壳与环状下屏蔽环紧密连接，用以防止雨水进入印制电路板微分环上。

所述环状上屏蔽壳的环形空心壳体壁厚为4～10mm、内环半径为20～50mm、外环半径为40～100mm、空心的高度为3～10mm；所述的环状下屏蔽壳的环形空心壳体的壁厚为4～10mm、内环半径为20～50mm、外环半径为40～100mm、空心的高度为3～10mm。

本实施例中，空心壳体为环状空心壳体，也可以是正方形或其他形状的壳体，只要满足密闭的空心壳体就在本发明的保护范围内。

当环状上屏蔽壳2与环状下屏蔽壳3的材料相同，都为铝或铜；所述环状上屏蔽壳与环状下屏蔽壳一侧沿传感器的轴线方向开设有1-2mm贯通缝隙，优选为1mm，用于防止形成涡流而影响传感器的测量精度。

所述印制电路板微分环4水平的设置在下屏蔽壳3内。

所述螺旋线圈的匝数为1-100，优选为10匝；螺旋线圈的绕线线宽为6-50mil，优选为20mil；螺旋线圈的绕线直径为2000-5000mil，优选为2741-4070mil。

所述环状空心壳体的一侧设置有一开口，所述导线6通过开口引用到接线箱8中，所述接线箱通过螺钉或一体成型的方式固定在空心壳体上。在接线箱外侧安装有一带法兰盘的同轴电缆7，螺旋线圈的两端分别通过导线与同轴电缆的地线和芯线连接，所述同轴电缆的别一端与数据采集设备的输入端相连，用以实时采集雷电流微分信号。

实验结果

对本实施例的基于印制电路板和数字积分的微分环雷电流传感器进行以下测试：

1、冲击大电流试验。试验方法：采用冲击大电流发生装置产生能够模拟雷电流的大电流波形，将该冲击大电流发生装置产生的雷电流从一段2.5m长的垂直导线上端注入，垂直导线下端直接接地。基于印制电路板和数字积分的微分环雷电流传感器水平放置，使垂直导线产生的磁场垂直穿过印制电路板微分环所在的平面。微分信号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101的Pearson线圈搭配同轴电缆作为标准测量系统，测试结果如图4～7所示，其中u₂为数字积分后的电压信号。

其中：图4为对8/20μs标准雷电流波形测试结果经过数字积分后的波形图，纵轴为电压5×10^-4mV/格，横轴为时间20μs/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50V/格，横轴为时间20μs/格；图6为对20/40μs的雷电流波形测试结果经过数字积分后的波形图，纵轴为电压5×10^-4mV/格，横轴为时间50μs/格；图7为Pearson线圈对20/40μs的雷电流波形测试的结果图，纵轴为电20V/格，横轴为时间50μs/格。

从该试验知：本发明的基于印制电路板和数字积分的微分环雷电流传感器的经数字积分后的输出波形与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16.6kA，通过本发明的基于印制电路板和数字积分的微分环雷电流传感器经过数字积分后的雷电流幅值为16kA，误差为3.75％。

2、线性度的测试。试验方法：采用冲击大电流发生装置模拟8/20μs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5kA)，电流幅值由Pearson线圈测出，本发明的基于印制电路板和数字积分的微分环雷电流传感器的微分信号由示波器测出，电压幅值由数字积分输出结果提供。测试结果如图8。

以上的测量结果表明，本发明的基于印制电路板和数字积分的微分环雷电流传感器作为基于微分环的雷电流测量传感器的改进形式，在保持原有的能较好的还原雷电流的波形、线性度好、测量准确、实现非接触式测量、安全性高、具有体积小、成本低、安装方便、重量轻等优点基础上，更有利于批量生产加工，为传感器的大量推广提供可能，同时，结合数字积分形式，可对传感器所测的微分信号，利用数字积分程序实现波形的还原，保留了传感器无源化的特点；可广泛的应用于110kV～500kV架空输电线路的雷电流测量。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.基于印制电路板和数字积分的微分环雷电流传感器，包括环状上屏蔽壳(2)和环状下屏蔽壳(3)，其特征在于：还包括印制电路板微分环(4)，所述环状上屏蔽壳(2)与环状下屏蔽壳(3)配合形成一个密闭的具有内环和外环的环状空心壳体；所述印制电路板微分环(4)设置于空心壳体的空腔内；所述印制电路板微分环(4)包括基板，所述基板上设置有沿内环依次环绕并向外延伸的螺旋线圈，所述螺旋线圈的两端分别经过导线(6)引出空心壳体外。

2.根据权利要求1所述的基于印制电路板和数字积分的微分环雷电流传感器，其特征在于：所述环状上屏蔽壳的端面上沿着内环的内边缘设置有一圈凸缘，所述环状下屏蔽壳的端面沿着内环的边缘下凹形成一圈与凸缘配合的台阶；所述环状上屏蔽壳的端面上沿着外环的外边缘设置有一圈凸缘，所述环状下屏蔽壳的端面沿着外环的外边缘下凹形成一圈与凸缘配合的台阶。

3.根据权利要求2所述的基于印制电路板和数字积分的微分环雷电流传感器，其特征在于：所述环状上屏蔽壳与环状下屏蔽壳的材料相同，为铝或铜；所述环状上屏蔽壳与环状下屏蔽壳一侧沿传感器的轴线方向开设有1-2mm贯通缝隙。

4.根据权利要求1所述的基于印制电路板和数字积分的微分环雷电流传感器，其特征在于：所述螺旋线圈的匝数为1-100，螺旋线圈的绕线线宽为6-50mil，螺旋线圈的绕线直径为2000-5000mil。

5.根据权利要求1所述的基于印制电路板和数字积分的微分环雷电流传感器，其特征在于：所述空心壳体的外侧安装有一带法兰盘的同轴电缆(7)，螺旋线圈的两端分别通过导线与同轴电缆的地线和芯线连接，所述同轴电缆的另一端与数据采集设备的输入端相连，用以实时采集雷电流微分信号。