CN104914288A - 一种雷电流测量线圈及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明的雷电流测量线圈，包括多个并联的量程不同的线圈，所述线圈包括直线型骨架，所述直线型骨架上均匀缠绕着漆包线构成空心单层直线式线圈，所述线圈内部设有匹配电阻，所述匹配电阻使用环氧树脂浇注集成到所述线圈内，所述匹配电阻串入线圈电缆首端的芯线中。本发明的雷电流测量线圈通过多组线圈测量雷电流，可以减小测量数据的分散性，得到的雷电流幅值参数更为准确，并使用多个不同量程线圈并联，进一步提高了线圈的测量精度，相较于现有的磁钢棒法、磁带法及罗氏线圈法测量的雷电流幅值更为可靠。

Description

一种雷电流测量线圈及设计方法

技术领域

本发明涉及了一种雷电流测量装置，具体涉及一种测量雷电流的线圈及其设计方法。

背景技术

雷电是一种能产生大电流、高电压的自然现象，雷电事故会对人们的生产生活造成巨大危害。而雷电流测量对研究雷电特性及研究相应的雷电防护措施有着重要的意义。目前常用的针对雷电流测量方法主要包括磁钢棒法、磁带法和罗氏线圈测量法三种。磁钢棒法利用雷电流产生的强磁场使钢棒磁化，由于磁钢棒有较强的磁骄顽特性，雷电流通过之后会残留较大的剩磁，通过检测剩磁的大小即可得知雷电流的大小，磁钢棒一般放置于避雷针处进行测量。磁带法主要采用高灵敏度的磁带预录基准信号，安装在避雷针等载流体附近，雷电流产生的磁场及磁带上的感应电流会改变磁带上的磁筹，抹掉基准信号。且抹去部分的长度与幅值大小呈现比例关系，从而可以测量出雷电流幅值。罗氏线圈测量是利用电磁感应原理，使用罗氏线圈作为电流互感器，将罗氏线圈环绕在测针上，通过电缆、光纤或无线通讯等手段将信号传输到计算机上进行分析处理。

磁钢棒法由于磁钢棒的原料配方及生产工艺具有分散性，其检测方法受环境因素的影响较大，可能会，剩磁的检测方法对结果偏差影响较大，在磁钢棒的运输过程中也可能会倒是磁性减弱。所以磁钢棒发的测试灵敏度较低，误差较大，通常误差可达10％-30％。

磁带法不能实时测量雷电流数据，且在测量过程中需要预制大量磁带，需要的磁带数较多，处理操作不便，不能满足雷电流测量现场快速简单的操作需求，不利于广泛开展雷电流参数及特性的实时测量。

罗氏线圈法量程固定，对超过量程的雷电流会产生截止效应，固定安装于避雷针上，且由于固定物遭受雷击的概率较小，所以测量周期较长。

发明内容

本申请的发明目的在于解决目前的雷电流测量设备存在的上述技术问题，而提供一种测量全面，准确性高，测量周期短且应用简便的雷电流测量线圈及其设计方法。

为了完成本申请的发明目的，本申请采用以下技术方案：

本发明的雷电流测量线圈，包括多个并联的量程不同的线圈，所述线圈包括直线型骨架，所述直线型骨架上均匀缠绕着漆包线构成空心单层直线式线圈，所述线圈内部设有匹配电阻，所述匹配电阻使用环氧树脂浇注集成到所述线圈内，所述匹配电阻串入线圈电缆首端的芯线中。

本发明所述测量线圈的外部设置保护盒，所述保护盒垂直漆包线方向上开槽，槽内放置所述线圈屏蔽外部磁场。

本发明所述直线型骨架采用非铁磁性材料制成，所述测量线圈和匹配电阻使用BNC接头与外部的数据采集卡连接。

本发明所述线圈和数据采集卡之间串联调压模块，所述数据采集卡通过光纤模块使用光纤传输信号给计算机。

本发明还提供一种雷电流测量线圈的设计方法，用于设计上述的雷电流测量线圈，所述线圈设计的约束条件如下：

(1)符合内积分式线圈的积分条件；

(2)符合同轴电缆首端匹配条件R+Rm＝Z及转换特性的一致条件R<<Rm，其中端口电阻为R，匹配电阻为Rm，在加压之初，电缆相当于一个波阻抗Z。

本发明测量线圈的结构参数有：n匝数，A线圈截面积，l线圈长度，匝距l/n，S漆包线截面积，线圈端口电压和匝距成正比，根据所述约束条件进行线圈结构参数设计，线圈的结构参数设计方法如下：

(1)确定端口电压u_R取值；

(2)根据端口电压u_R确定匝距l/n；

(3)选取匝数n；

(4)根据匝距l/n和匝数n可确定l；

(5)根据约束条件(1)，确定A；

(6)根据确定的线圈结构参数对系统的动态特性进行校核

本发明的雷电流测量线圈与现有技术相比区别在于：1)通过多组线圈测量雷电流，可以减小测量数据的分散性，得到的雷电流幅值参数更为准确，并使用多个不同量程线圈并联，进一步提高了测量线圈的测量精度，相较于现有的磁钢棒法、磁带法及罗氏线圈法测量的雷电流幅值更为可靠。

2)有完整的线圈理论分析及电气参数分析，并通过电气参数分析选定合适的线圈结构参数，整体测量线圈的设计过程及应用过程较为简便。

3)测量时测量线圈不用设在雷电流载体上，由于雷电流通常有较大幅值，测量线圈在测量时距离雷电流载流体距离相对较远，保证了测量系统的安全性。

4)考虑匹配电阻的特性，将线圈与匹配电阻进行封装，使测量线圈在测量过程中使用更加简便。

附图说明

图1是本发明的线圈的结构示意图；

图2是本发明的内积分式线圈等效电路图；

图3是本发明的雷电流测量线圈与一次导体的位置关系示意图；

图4是本发明的雷电流测量线圈的整体结构示意图；

图5是本发明的雷电流测量线圈的参数优化流程图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例的雷电流测量线圈，包括多个并联的量程不同的线圈，线圈包括直线型骨架1，直线型骨架1上均匀缠绕着漆包线2构成空心单层直线式线圈，直线型骨架1采用非铁磁性材料制成，线圈内部设有匹配电阻，匹配电阻串入电缆首端的芯线中，匹配电阻使用环氧树脂浇注集成到线圈内。测量时，测量线圈具有多个量程不同的线圈，可以提高测量线圈的准确性。如果雷电流幅值较大，则量程小的线圈截止，以量程大的线圈测量结果为准；如果雷电流幅值较小，则以量程小的线圈测量结果为准。设计线圈的输出电压为一百到几百伏，并尽可能大。通过电缆传输到室内的数据采集卡进行数据的采集，并数据采集卡及光电模块由太阳能供电系统供电，保证系统的独立性。由于电缆的传输需要考虑波过程，以及采集卡的输入电压范围，需要在线圈输出电压后增加匹配电阻及降压模块进行数据采集。

具体实施时，线圈的外部设置保护盒，保护盒垂直漆包线2方向上开槽，槽内放置线圈屏蔽外部磁场，线圈和匹配电阻使用BNC接头与外部的数据采集卡连接，线圈和数据采集卡之间串联调压模块，数据采集卡通过光纤模块使用光纤传输信号给计算机，通过计算机记录并储存雷电流发生的时间、幅值、波形等参数，数据采集卡及光纤模块由太阳能供电系统供电，保证系统的独立性。

本实施例还提供一种雷电流测量线圈的设计方法，具体是对线圈结构参数优化，测量线圈的结构参数有：n匝数，A线圈截面积，l线圈长度，匝距l/n，S漆包线截面积，从提高被测信号在传输过程中的抗干扰性能及改善测量系统的动态特性角度出发，确立线圈结构参数优化的两个目标：(1)端口电压u_R设计为100-1000伏(不包括1000伏)，并且尽可能大，(2)系统阶跃波响应时间T(部分响应时间Tα)不大于被测雷电流波形波前时间的1/10。

具体地，线圈设计的约束条件如下：

(1)符合内积分式线圈的积分条件。

如图2所示，对于测量快速变化的雷电流，采用内积分式线圈(即不需外加积分电路)，u₂为线圈感应的二次电压，L为线圈自感，Rs为线圈内阻，R为端口电阻，线圈自感L和端口电阻R构成LR积分器，实现对二次电压u₂的积分，从而得到和一次电流i₁成比例的电压信号u_R。

一次电流i₁在线圈两端感应的二次电压u₂和其自身的微分成正比，罗氏线圈相当于一个微分环节，u₂和i₁的关系为其中，M为一次导体和罗氏线圈的互感。同时，根据图2所示线圈的等效电路，可以列出回路方程：其中i₂为线圈感应的二次电流。

对于内积分式线圈，为满足L和Rs+R构成的LR积分器的积分条件，需使LR积分器的时间常数远大于二次电压的上升时间，即ωL＞＞R_s+R，其中ω为二次电压的等效角频率，所以有 $L\frac{{\mathrm{di}}_2}{dt}>>i_2(R_s+R),$ 即 $u_2=M\frac{{\mathrm{di}}_1}{dt}\&ap;L\frac{{\mathrm{di}}_2}{dt}.$

所以可得端口电压由于每次雷击的雷电流幅值差异较大，从提高测量精度的角度考虑，对每个线圈的灵敏度进行阶梯式设计，即使用多个量程不同的线圈感应雷电流产生的磁场，如果雷电流幅值较大，则量程小的线圈截止，以量程大的线圈测量结果为准，如果雷电流幅值较小，则以量程小的线圈测量结果为准。由于此线圈设计测量距离相对线圈几何尺寸较大，从简化设计的角度考虑，可以将线圈的结构由弧形改为直线形，雷击脉冲电流在线圈内产生的磁场分布和弧形结构时的差异可以忽略不计。

雷电流的幅值通常在几十到几百千安量级，高幅值的雷电流使得测量线圈在采用空心结构时可在线圈两端获得足够大的感应电压，并可以避免磁芯的磁滞损耗和磁饱和造成的测量精度的下降，所以需要对直线式线圈的自感及互感进行计算，螺旋线圈自感的求解过程比较复杂，具体推导过程及解析式可参阅相关文献(Lorenz,L.(1879).“die Fortpflanzung der”.Annalender Physik VII:161–193.)。

直线式线圈的互感求解过程如下：

如图3所示，OO’表示一次导体的中心轴线，线圈中心及内、外侧距一次导体的距离分别为c、a、b，在雷击发生时，雷电流经过一次导体入地，线圈位于雷电流磁场中。通过全电流定理可以推导出线圈与一次导体之间的互感为:

$R_s=\mathrm{\&rho;}\frac{l_w}{S}$

$l_w=n\sqrt{{(l/n)}^2+{\left(\mathrm{\&pi;}d\right)}^2}$

式中，Cu的电阻率Cu＝1.68×10-8Ω·m(20℃)；lw为漆包线长度，S为漆包线截面积。

(2)符合同轴电缆首端匹配条件R+Rm＝Z及转换特性的一致条件R<<Rm。

匹配电阻采用首端匹配方式，将匹配电阻串入电缆首端的芯线中，这一电阻在设计制造时可以直接集成到线圈内部，便于系统各组件的装设和连接。

如图4所示，Rm为匹配电阻，为满足匹配条件R+Rm＝Z，在雷电流作用在线圈上的初始时刻，通过感应一次电流产生的磁场输出的线圈端口电压u_R作用在同轴电缆上。在加压之初，电缆相当于一个波阻抗Z，在加压到波在电缆中的传播趋于稳态时，电缆又相当于一个集中电容。电缆在加压之初及加压到趋于稳态之后的这一特性变化将对整个测量系统的转换特性造成影响。因此，需要对包括电缆在内的整个测量系统的初始和稳态转换特性进行研究，合理选择电路参数，保证系统初始和稳态换特性的一致。

在加压之初，此时端口电压为电压波U_R在波阻抗Z上的分压沿电缆传输到达开路的末端，电压波全反射。因此信号电压为

$u_m=2u_R\frac{Z}{Z+R_m}.$

当电缆加压时间t超过波在电缆中来回一次的时间之后直到t→∞的时刻，电缆表现为一个电容C₀。由于C₀较小，Rm与C₀的串联阻抗较大，R与Rm+1/(C₀)的并联支路的阻抗值仍可近似为R，故同时由于C₀的容抗远大于Rm，因此信号电压u_m≈u_R。

对上述测量系统的初始和稳态转换特性进行分析可知，选取R<<Rm，可保证测量系统初始和稳态转换特性的一致且u_m≈u_R。计算U_R时，可忽略接在端口电阻R后面的匹配电阻Rm以及传输系统的影响。根据上述分析，取R≤1Ω可以满足要求。

如图5所示，测量线圈的结构参数有：n匝数，A线圈截面积，l线圈长度，匝距l/n，S漆包线截面积，根据上述约束条件对线圈进行设计，线圈的结构参数设计方法如下：

(1)确定端口电压u_R取值，u_R是选定的一个输出值，如果太大示波器等测量设备不能承受，太小则测量精度较低，所以要选择合适的输出值，一般设计为：u_R大于等于100伏且小于1000伏，并且在这个范围内尽可能大。

(2)根据端口电压u_R确定匝距l/n，线圈端口电压和匝距成正比，根据线圈自感公式和互感公式可以得出端口电压和匝距的比例关系，具体地，直线式线圈自感公式：

1)k长冈系数，取决于w

w	0.1	0.2	0.3	0.4	0.6	0.8	1.0
								k	0.96	0.92	0.88	0.85	0.79	0.74	0.69
w	1.5	2.0	3.0	4.0	5.0	10	20
								k	0.60	0.52	0.43	0.37	0.32	0.20	0.12

互感公式： $M=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_{0}nA}{\mathrm{\&pi;}c}\&CenterDot;\frac{1}{1+\sqrt{1-{(d/2c)}^2}}$

对于互感来说，其中基本保持不变，所以M∝nA

且 $L=\frac{{\mathrm{\&mu;}}_0{n}^{2}A}{l}k,$ 所以 $L\&Proportional;\frac{n^{2}A}{l}$

$\left(u_R=\frac{M}{L}Ri\right)$

可以得出幅值I_1m可固定,R取1Ω

所以有 $u_R=\frac{l}{n}\&CenterDot;\frac{Ri}{k\mathrm{\&pi;}c(1+\sqrt{1-{(d/2c)}^2})}$

其中，c为线圈与雷击点的距离，d为线圈直径，R为采样电阻,端口电压uR已知可计算出相应的匝距l/n。

例如通过ADTD地闪定位系统采集的北京地区闪电回击放电特征参量的统计结果，正极性雷电流次数较少，负极性雷电流幅值主要分布在100kA以下，所以可以根据100kA幅值的雷电流对线圈进行设计，设定距离c即线圈安装位置与避雷塔之间的距离取100m，电阻R为采样电阻取1欧姆，线圈直径d取30-60cm，端口电压应尽量大，但需要调压之后在采集卡的量程范围之内，所以端口电压取100V为宜，然后可以根据上述参数计算得到匝距。

(3)选取匝数n；

(4)根据匝距l/n和匝数n可确定线圈长度l；

(5)根据约束条件(1)，确定A；

约束条件(1)自积分：ωL＞＞R+R_s，雷电流等效频率约为f＝100kHz，线圈自感与A相关需要满足约束条件，确定A的值。

(6)根据确定的线圈结构参数对系统的动态特性进行校核。

例如，首先确定一个端口电压u_R的取值如100V，然后确定线圈的匝距l/n，随后即可选取一组匝数n和对应的线圈长度l，接着从满足约束条件(1)出发，确定线圈截面积A，最后根据确定的这一套线圈结构参数对系统的动态特性进行校核，这样便完成了参数设计的一个流程。如果系统的动态特性不理想，可以重新回到匝数n选取的步骤，或者回到端口电压u_R选取的第一步，按照上述步骤重新对参数进行设计，直至达到理想的效果。

以上描述是对本发明的解释，不是对发明的限定，本发明所限定的范围参见权利要求，在不违背本发明的精神的情况下，本发明可以作任何形式的修改。

Claims (6)

1.一种雷电流测量线圈，其特征在于：包括多个并联的量程不同的线圈，所述线圈包括直线型骨架，所述直线型骨架上均匀缠绕着漆包线构成空心单层直线式线圈，所述线圈内部设有匹配电阻，所述匹配电阻使用环氧树脂浇注集成到所述线圈内，所述匹配电阻串入线圈电缆首端的芯线中。

2.根据权利要求1所述的雷电流测量线圈，其特征在于：所述多个并联的量程不同的线圈外部设置保护盒，所述保护盒垂直漆包线方向上开槽，槽内放置所述线圈屏蔽外部磁场。

3.根据权利要求2所述的雷电流测量线圈，其特征在于：所述直线型骨架采用非铁磁性材料制成，所述测量线圈和匹配电阻使用BNC接头与外部的数据采集卡连接。

4.根据权利要求3所述的雷电流测量线圈，其特征在于：所述线圈和数据采集卡之间串联调压模块，所述数据采集卡通过光纤模块使用光纤传输信号给计算机。

5.一种雷电流测量线圈的设计方法，用于设计如权利要求1所述的雷电流测量线圈，其特征在于：所述线圈设计的约束条件如下：

(1)符合内积分式线圈的积分条件；

(2)符合同轴电缆首端匹配条件R+Rm＝Z及转换特性的一致条件R<<Rm，其中端口电阻为R，匹配电阻为Rm，在加压之初，电缆相当于一个波阻抗Z。

6.根据权利要求5所述的雷电流测量线圈的设计方法，其特征在于：测量线圈的结构参数有：n匝数，A线圈截面积，l线圈长度，匝距l/n，S漆包线截面积，线圈端口电压和匝距成正比，根据所述约束条件进行线圈结构参数设计，线圈的结构参数设计方法如下：

(1)确定端口电压u_R取值；

(2)根据端口电压u_R确定匝距l/n；

(3)选取匝数n；

(4)根据匝距l/n和匝数n可确定l；

(5)根据约束条件(1)，确定A；

(6)根据确定的线圈结构参数对系统的动态特性进行校核。