CN104392832A - 一种非接触式监测雷电流的磁芯线圈 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式监测雷电流的磁芯线圈，包括高导磁率磁芯、金属屏蔽层、采样电阻、缠绕在磁芯外的线圈；其中，线圈绕线的两端串接采样电阻，金属屏蔽层设置在线圈的外围，并通过磁芯线圈表面涂覆的封蜡与磁芯线圈连接。本发明采用高磁导率磁芯电感对导体中雷电流的辐射磁场进行耦合，并通过采样电阻取出雷电流波形和幅值。通过本发明，可以得到线路中雷电流的波形及幅值，从而可以进一步了解雷电流的频谱分布规律、雷电流在线路中的传输特点，为雷电流的监测与研究提供硬件支持。

Description

一种非接触式监测雷电流的磁芯线圈

技术领域

本发明涉及一种非接触式监测雷电流的磁芯线圈，属于雷电科学与技术领域。

背景技术

雷电流的监测在雷电防护中具有非常重要的作用，准确的雷电流参数不仅是雷电防护的设计基础，还是研究雷电流特征、幅值大小、频谱分布、分析雷击事故的依据。目前，我国雷电流参数的监测取值主要来自于局部地区的线路上和间接地计算，具有很大的局限性。

在雷电流参数监测方面，目前国内外主要有：磁钢棒、磁带、雷电定位系统和罗氏线圈法。磁钢棒在我国最早得到广泛应用，磁钢棒测量误差大，不能重复记录。磁带较磁钢棒在测量精度、稳定性和测量方便性等方面有了明显的改善。雷电定位系统是目前全世界应用最广泛的雷电监测技术，具有监测范围大、测量自动化程度高等特点。但是，它只是测量直击雷发生时的电流幅值，无法测量线路中的雷电流波形及幅值。罗氏线圈法能够测量雷电流幅值和波形，其测量精度高、抗干扰能力强。但是，测量时必须将被测载流导体穿过线圈的中心，安装及操作不方便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种非接触式监测雷电流的磁芯线圈，利用法拉第第一电磁感应定律，雷电流通过载流导体时产生变化的磁场，磁力线穿过磁芯线圈，在磁芯线圈的负载上产生感应电势，利用感应电势的波形及幅值，推导出雷电流波形及幅值。本发明采用高磁导率磁芯电感对导体中雷电流的辐射磁场进行耦合，并通过采样电阻取出雷电流波形和幅值。通过本发明，可以得到线路中雷电流的波形及幅值，从而可以进一步了解雷电流的频谱分布规律、雷电流在线路中的传输特点，为雷电流的监测与研究提供硬件支持。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种非接触式监测雷电流的磁芯线圈，包括高导磁率磁芯、金属屏蔽层、采样电阻、缠绕在高导磁率磁芯外的线圈；其中，线圈绕线的两端串接采样电阻，金属屏蔽层设置在线圈的外围，并通过高导磁率磁芯和线圈表面涂覆的封蜡与线圈连接。

作为本发明的进一步方案，所述高导磁率磁芯采用高导磁率的软导体材料。

作为本发明的进一步方案，所述线圈采用多股漆包线绕制。

作为本发明的进一步方案，所述采样电阻为无感电阻。

作为本发明的进一步方案，所述金属屏蔽层上设置有用于屏蔽层接地的端子。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1)本发明具有安装方便、与带电导体非接触、安全可靠的特点，且安装位置不受环境因素影响，可安装在与距离导体10cm处并于导体垂直，测量精度高；

2)本发明具有较好的线性、测量范围大，为1kA～100kA；应用广泛，可以监测不同传输导线上的雷电流；

3)本发明的磁芯采用软导磁材料，可进行连续性测量，不影响测量精度；

4)本发明结构简单，可调整磁芯线圈的匝数以及磁芯线圈的输出电压灵敏度。

附图说明

图1是本发明的结构图。

图2是本发明监测导体上雷电流的等效电路原理图。

其中：1-磁芯；2-线圈；3-金属屏蔽层；4-端子；5-采样电阻；6-封蜡；7-雷电流通过的导体。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明设计一种非接触式监测雷电流的磁芯线圈，如图1所示，包括高导磁率磁芯1、缠绕在磁芯外的线圈2、金属屏蔽层3、采样电阻5；线圈2绕线的两端串接采样电阻5，金属屏蔽层3设置在磁芯线圈的外围，通过磁芯1和线圈2表面涂覆的封蜡6与线圈连接。金属屏蔽层3屏蔽磁芯周围干扰磁场，使测量结果更加准确。封蜡6有两个作用，一是用于将金属屏蔽层3固定在磁芯1上，二是保证金属屏蔽层3与磁芯1之间的绝缘性。

本发明中，磁芯1采用高导磁率的软导体材料，其磁损耗小、稳定性好，能够快速适应外界磁场变化。采样电阻5采用无感电阻，其感抗小，使用中不易产生振荡，还可以起到缓冲作用，能够较准确地反映出信号波形。

采用本发明监测导体上雷电流的原理为：将非接触式监测雷电流的磁芯线圈安放至待测导体附近，并保证磁芯线圈与待测导体垂直。当雷电流流过导体时，周围就会形成变化的磁场，通过磁芯线圈耦合就会形成感应电流，通过采样电阻5即得到感应电压，该电压的大小和波形反映感应电流的大小和波形，于是可反推得雷电流的波形和大小。

图2是本发明监测导体上雷电流的等效电路原理图，其中，i(t)为雷电流；M为载流导体与磁芯线圈的距离；e(t)为雷电流流过导体7时，周围形成的变化磁场在磁芯线圈上形成的感应电势；L为磁芯线圈的电感；r为磁芯线圈的内阻；C为磁芯线圈的杂散电容；R为取样电阻5。其工作过程是：当导体7上有雷电流流过时，周围形成变化磁场，在磁芯线圈上产生感应电势e(t)，在取样电阻R上产生电压u(t)，该电压的大小和波形反映i(t)的大小和波形。

本发明磁芯线圈的安装位置与载流导体7相互垂直，载流导体7周围的磁感应强度为u₀为介质磁导率；取样电阻R产生的电压为N为磁芯线圈的匝数，S为磁芯线圈的截面积。本发明磁芯线圈的安装位置，通常可取M＝10cm。

本实施例中，磁芯1采用高导磁率的棒状软导体材料，其磁导率μ_r＝1000、直径为1cm、长为10cm。线圈2采用多股漆包线绕制，其线径为0.02mm、匝数为50～100、线圈2的电感为85μH～340μH、线圈2的内阻为2Ω～9Ω，该磁芯线圈的输出灵敏度为0.4V/kA～3V/kA。采样电阻5采用无感电阻，其电阻值为1Ω。在磁芯1外面加一层金属屏蔽层3，用于屏蔽磁芯1周围的干扰磁场。金属屏蔽层3上还设有用于接地的端子4，安装监测雷电流时通过端子4来使金属屏蔽层3接地。

本发明一种非接触式监测雷电流的磁芯线圈的工作过程为：当导体7上有雷电流流过时，导体7周围形成变化磁场。安装在导体7附近的磁芯线圈上就会产生感应电势，通过采样电阻5形成电流，在取样电阻5上产生电压。取样电阻5上产生的电压的大小和波形，即反映通过导体的雷电流的大小和波形，从而推出雷电流的大小与波形。进一步，可以通过示波器采集采样电阻5上的电流波形。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种非接触式监测雷电流的磁芯线圈，其特征在于，包括高导磁率磁芯、金属屏蔽层、采样电阻、缠绕在高导磁率磁芯外的线圈；其中，线圈绕线的两端串接采样电阻，金属屏蔽层设置在线圈的外围，并通过高导磁率磁芯和线圈表面涂覆的封蜡与线圈连接。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式监测雷电流的磁芯线圈，其特征在于，所述高导磁率磁芯采用高导磁率的软导体材料。

3.根据权利要求1所述的一种非接触式监测雷电流的磁芯线圈，其特征在于，所述线圈采用多股漆包线绕制。

4.根据权利要求1所述的一种非接触式监测雷电流的磁芯线圈，其特征在于，所述采样电阻为无感电阻。

5.根据权利要求1所述的一种非接触式监测雷电流的磁芯线圈，其特征在于，所述金属屏蔽层上设置有用于屏蔽层接地的端子。