CN105652075A - 一种高压杆塔避雷线雷电冲击电流监测系统 - Google Patents

Abstract

一种高压杆塔避雷线雷电冲击电流监测系统，包括雷电流检测装置、监控中心，所述雷电流检测装置与监控中心通过GPRS移动网络连接，所述雷电流检测装置包括三维磁场检测传感器，三维磁场检测传感器连接一级放大电路，一级放大电路连接直流分量去除电路，直流分量去除电路连接二级放大电路，二级放大电路连接带通滤波电路，带通滤波电路连接数据采集模块，数据采集模块连接GPRS数据传输模块。本发明监测系统，采用X、Y、Z三轴磁场传感器，在监控中心中可以通过数据观察雷电波形变化情况。

Description

一种高压杆塔避雷线雷电冲击电流监测系统

技术领域

本发明一种高压杆塔避雷线雷电冲击电流监测系统，涉及输电铁塔防雷领域。

背景技术

特高压输电线路架设高度高，覆盖范围广，所经地形复杂，易受雷击，做好特高压线路防雷工作迫在眉睫。雷电监测是特高压线路防雷工作的重点，主要内容包括线路遭受雷击时雷电流幅值的检测和线路雷击故障类型的判别。通过雷电流幅值的测量可以获得雷击线路雷电流幅值的分布规律，以及通过对雷电流的时间特性的测量可以获得雷击线路雷电流冲击速度，为特高压输电线路的防雷优化设计提供依据；还可以记录雷击次数，雷击时间以及雷击地点，分析输电线路环境的雷击状况，从而为特高压输电线路的防雷设计特殊环境特殊化提供依据。正确判别线路雷击故障类型，将会使特高压输电线路的防雷更有针对性。

目前主要研究技术有三类：1、采用磁钢棒检测雷电流的幅值；2、采用雷电定位系统对线路雷电活动进行检测；3、采用罗氏线圈来检测雷电流。这三类方法对雷电检测都有各自优点和缺点。

方法1：采用磁钢棒检测雷电流的幅值，避雷线中雷电流在其周围产生磁场，而磁刚棒在磁场中会被磁化，产生剩磁，其剩磁强度与磁钢棒放置位置的最大磁场成正比，且最大磁场强度则由产生磁场的电流最大值来决定。因此冲击电流的幅值与磁钢棒的剩磁存在一一对应的关系，而且相同极性的冲击电流多次作用下，磁钢棒剩磁对应的是最大一次的电流幅值。故通过磁通计测量出磁钢棒的剩磁，再利用预先作好的剩磁与雷电流幅值的关系曲线，就可以推算出雷电流幅值。这种方法能很好检测雷电流的幅值（强度）大小，但是不能检测一次雷电流的整个波过程，而且由于磁化过程非线性，其实际检测值会与雷电流值有一定误差。磁钢棒的暗转方向还要与雷电流产生的磁场方向成一定关系，不然检测就会有误差。

方法2：采用雷电定位系统对线路雷电活动进行检测，利用两个或多个相隔一定距离的定位站同时观测同一闪电产生的雷电信号，确定闪电所在位置。雷电定位系统虽然能够很好的对雷电进行定位，但对雷电流的幅值测量误差还是无法确定。

方法3：采用罗氏线圈来检测雷电流。罗氏线圈测量电流的理论依据是法拉第电磁感应定律和安培环路定律,当被测电流沿轴线通过罗氏线圈中心时,在环形绕组所包围的体积内产生相应变化的磁场，强度为H,由安培环路定律得到相应电流。罗氏线圈对雷电流幅值和时间特性都能很好的进行检测，但对于微秒级的雷电流，罗氏线圈需要进行特定制造，其造价较高。而且罗氏线圈需要套在被测量的线路上才能很好的测量电流，安装测量相对不方便。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种高压杆塔避雷线雷电冲击电流监测系统，采用X、Y、Z三轴磁场传感器，该传感器能够时时检测空间磁场的强度大小，再通过后续直流去除、滤波、放大信号处理，可得到高速瞬时雷电流磁场信号。再通过高速AD采样得到磁场时时数字数据。再将雷电流磁场数据通过GPRS传输到监控中心中，在监控中心中可以通过数据观察雷电波形变化情况。

本发明采取的技术方案为：

一种高压杆塔避雷线雷电冲击电流监测系统，包括雷电流检测装置、监控中心，所述雷电流检测装置与监控中心通过GPRS移动网络连接，所述雷电流检测装置包括三维磁场检测传感器，三维磁场检测传感器连接一级放大电路，一级放大电路连接直流分量去除电路，直流分量去除电路连接带通滤波电路,带通滤波电路连接二级放大电路，二级放大电路连接数据采集模块，数据采集模块连接GPRS数据传输模块。

所述监控中心包括GPRS网络数据接收模块，所述GPRS网络数据接收模块将GPRS数据转换成串口数据形式上传到监控中心。

所述一级放大电路包括三个AD622仪表放大器，三个AD622仪表放大器分别连接三维磁场检测传感器的X、Y、Z三个信号输出端，三维磁场检测传感器连接由MOSFET场效应管组成的推勉电路。

所述直流分量去除电路包括三个运算放大器AD825，三个运算放大器AD825分别连接经过一级放大电路处理后的三维磁场检测传感器的X、Y、Z的一级信号放大端：X-1、Y-1、Z-1。

所述带通滤波电路由截止频率为2KHz的高通切比雪夫电路和低通开关电容滤波电路组成，频带为2~300kHz。

所述二级放大电路包括三个运算放大器AD825，三个运算放大器AD825的输出端分别连接微处理器模块。

所述数据采集模块包括微处理器模块、按键电路、指示灯电路、GPRS通讯电路，所述微处理器模块分别连接按键电路、指示灯电路和GPRS数据传输模块。

所述三维磁场检测传感器为HMC1023型磁场检测传感器。

所述微处理器模块为ARM微处理器STM32F103。

所述监控中心为PC机。

本发明一种高压杆塔避雷线雷电冲击电流监测系统，技术效果如下：

1）、采用三维磁场检测传感器，可以实现一定距离检测，检测装置不需要安装在杆塔顶端，可以直接安装在杆塔底部就可以，不需要像罗氏线圈、磁钢棒要在安装在避雷线上或者杆塔顶端，方便了检测设备的安装。

2）、采用三维磁场检测传感器，磁场传感器检测时就不需要考虑检测方向，因为三维磁场传感器检测的是空间某个点的磁场在X、Y、Z空间坐标下的三个坐标系上的分量，通过检测到三个磁场分量，就可以合成出监测点的总的磁场大小。

3）、雷电流检测装置和监控中心采用GPRS移动数据传输，可以减少线路传输过程中的电磁干扰，并且可以方便实现检测设备数量增加和减少。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

图2为本发明系统的雷电流检测装置内部模块连接图。

图3为本发明系统的一级放大电路图。

图4为本发明系统的直流分量去除电路图。

图5为本发明系统的高通切比雪夫电路图。

图6为本发明系统的低通开关电容滤波电路图。

图7为本发明系统的二级放大电路图。

图8为本发明系统的数据采集电路图。

具体实施方式

根据实验检测，在没有雷电流出现的的输电线路正常运行环境下，有三类磁场存在：1、输电线路中交流电流产生的磁场；2、地球磁极产生的固定的地磁场；3、移动通讯设备产生的高频磁场。这三类磁场都是必须要在检测雷电流产生磁场的过程中滤除。

1、在高压输电线路环境中，有线路上50Hz正弦交流电流产生的50Hz交流磁场，还有与50Hz其成倍数关系的谐波电流产生磁场，幅值比较的大谐波频率大概为50Hz额定频率的三十几倍。所以对于输电线路上产生的磁场频率最高可达4kHz，这个部分是在检测设备中所必须要滤除的。

2、地球固定的地磁场，其磁场强度为恒定值，可以直接采用直流去除电路。

3、移动通讯设备的通讯频段，这类移动通讯设备工作频段一般在800MHz以上。如我国模拟蜂窝移动通讯频段为905MHz~915MHz和950~960MHz。

而雷电流波形是，在雷电流从零上升到最大的这个区段时间称之为波前时间，其时间大概为1.2us。雷电流从最大值降到其最大值一半的时间称之为半峰值时间，该时间一般为50us。以波前时间来看，可以设定雷电流最高频率可以达到1000000/(4*1.2)=208kHz。版峰值时间来看，可以设定雷电流的最低频率为1000000/(8*50)=2500Hz。

通过上述频率分析可以知道，雷电流频率和谐波电流产生的频率有2.5kHz~4kHz之间的重叠。不过在2.5kHz~4kHz之间谐波电流产生的磁场非常微小，可以忽略。所以可以设置一个带宽频率在2kHz~300kHz的带通滤波器，将不需要的电磁场去除掉，减少在检测雷电流电磁场时的干扰。

本发明一种高压杆塔避雷线雷电冲击电流监测系统，数据传输结构示意图如图1所示。雷电流检测装置感应到检测到雷电流磁场后，将磁场信号通过GPRS移动网络形式传送到监控中心的GPRS网络数据接收模块，然后该模块将GPRS移动数据转换成串口数据形式上传到监控中心，然后监控中心通过接受的数据，监控中心即为PC机，可以绘制出雷电流波形图，并且还能记录雷电流次数、时间等相关信息。

雷电流检测装置内部结构示意图如图2。三维磁场传感器检测到X、Y、Z轴磁场后，将磁场信号转换成电流信号；然后电流信号再通过“一级放大电路”进行放大，将电流信号转换成一定幅值的电压信号；电压信号再通过“直流分量去除电路”除去掉地磁场产生的恒定的直流磁场信号；剩下的交流电压信号过对应的“二级放大电路”，将交流电压信号进一步放大，满足STM32F103ARM微控制器的AD检测范围；交流电压信号再经过“带通滤波电路”去除掉交流电压信号中输电线路交流产生的磁场信号和移动通讯产生的高频信号，最终得到雷电流产生的磁场信号；雷电流产生的磁场信号通过STM32F103的AD采样转化成数字信号，然后STM32F103再将数字信号通过GPRS移动网络传输到“电脑(监控中心)”。

图3是磁场信号一级放大电路。该电路的功能有将磁场传感器HMC1023中出来的电流信号进行放大，并转换成电压信号输出。该电路的运放芯片是有AD系列的AD622仪表放大器，该芯片具有高共模抑制比，能够很好去除振动信号中的共模干扰信号，该芯片还有低噪声，高带宽的特点。该电路由HMC1023型号三轴磁场传感器H3-1，AD622仪表放大器U3-1、U3-2、U3-3，MOSFET场效应管Q31（型号2SJ56）、Q32（2SK133），电容C31~C39，电阻R31~R38组成。HMC1023磁场传感器H3-1的8、9号引脚为X轴信号输出的正负引脚，14、1号引脚为Y轴信号输出的正负引脚，11、12号引脚为Z轴信号输出的正负引脚，X、Y、Z轴三个信号输出引脚分别接于AD622仪表放大器U3-1、U3-2、U3-3的3、4号引脚。AD622仪表放大器U3-1、U3-2、U3-3的1、8号引脚所接的电阻R31、R32、R33，这三个电阻分别是调三个放大电路的放大倍数。AD622仪表放大器U3-1、U3-2、U3-3的4、7号引脚分别接-5V、+5V电源，5号引脚接地。AD622仪表放大器U3-1、U3-2、U3-3的6号引脚为信号输出引脚，分别接到输出端X-1、Y-1、Z-1。HMC1023磁场传感器H3-1输出的微弱信号通过仪表放大器AD622放大后，会传输到“直流分量滤除电流”去除信号中直流分量。电容C31、C32是U3-1的正负电源滤波电容，电容C33、C34是U3-2的正负电源滤波电容，电容C35、C36是U3-3的正负电源滤波电容。在图中HMC1023磁场传感器H3-1左边的电路是由MOSFET场效应管组成的推勉电路，用于驱动HMC1023在对磁场检测之前进行复位（由于HMC1023长期暴露于地磁场下，可能会存在偏执，因此在每次测量之前通过脉冲对其进行一次复位，保证测量准确性）。该推勉电流由场效应管Q31、Q32，电容C37、C38、C39，电阻R34~R38组成，其中P(PA4)连接到STM32F103的11号（PA4）引脚，在测量磁场前，STM32F103的PA4引脚产生一个5us的高电平脉冲，Q31管截止，Q32管导通，在Q31、Q32连接的漏极产生一个快速的脉冲信号，电容C39迅速放电，形成一个尖峰的电流脉冲，电流脉冲从HMC1023的10号引脚进入，使HMC1023复位。

图4是直流分量滤除电路。该电路的主要功能是滤除X、Y、Z轴磁场信号中的直流分量（地磁场信号、输电线路中直流偏置、以及雷电流中直流分量）。该电路主要采用的高速运算放大器AD825，以便满足300kH的信号。该电路由三个AD825高速运放U4-1、U4-2、U4-3，电容C41、C42、C43组成。运放U4-1、电容C41组成X轴信号处理电路，运放U4-2、电容C42组成Y轴信号处理电路，运放U4-3、电容C43组成Z轴信号处理电路。现在对X轴信号处理电路进行介绍，端口X-1出来的放大信号通过电容C41，该电容只允许交流信号流通，阻隔直流信号，所以从电容C41出来的就只有变化的交流信号，交流信号通过U4-1（AD825）的3号引脚进入运放，再通过6号引脚流出道端口X-2。U4-1的2、6号引脚短接组成电压跟随器，使输入信号和输出信号进行隔离。X、Y、Z轴的一级放大信号端X-1、Y-1、Z-1中信号通过“直流分量滤除电路”后留到端口X-2、Y-2、Z-2。端口X-2、Y-2、Z-2连接到下一级电路“高通切比雪夫电路”

图5是高通切比雪夫电路。该电路的作用将端口X-2、Y-2、Z-2的磁场信号，分别经过X、Y、Z轴高通滤波电路滤波，出去掉低于2kHz的交流信号（输电线路中50Hz的交流磁场、以及与50Hz成倍数的谐波磁场），然后得到高于2kHz的磁场信号（雷电流磁场信号、移动通讯的高频信号等）。由于X、Y、Z轴三个高通滤波电路的电路形式和参数完全一致。所以接下只X轴的高通滤波电路做详细介绍。滤波电路形式采用切比雪夫5阶，该形式有很好的频率截止特性。X轴滤波电路由两片OP37A运放U5-1:A、U5-1:B，电容C51~C55，电阻R51~R55组成。运放U5-1:A，电容C51~C53，电阻R51~R53组成前3阶，运放U5-1:B，电容C54、C55，电阻R54、R55组成后2阶，共5阶。端口X-2出来的信号通过高通滤波器，由U5-1:B的6号引脚输出，6号引脚连接到端口X-3。同理Y-2、Z-2对应的高通滤波后的输出端口为Y-3、Z-3。端口X-3、Y-3、Z-3连接到下一级“低通开关滤波电路”。

图6是低通开关电容滤波电路。该电路的作用将端口X-3、Y-3、Z-3的磁场信号，分别经过X、Y、Z轴低通开关电容滤波电路滤波，出去掉高于300kHz的交流信号（移动通讯等高频信号），然后得到低于300kHz的磁场信号，最终通过得到2kHz~300kHz之间的雷电流磁场信号。由于X、Y、Z轴三个低通开关电容滤波电路的电路形式和参数完全一致。所以接下只X轴的低通开关电容滤波电路做详细介绍。滤波电路采用截止频率为电阻可编程的开关电容滤波芯片LTC1596-7。X轴滤波电路由一片LTC1596-7芯片U6-1，电容C61、C62组成，电路接线形式见图，电筒C61、C62为正负电源滤波电容。LTC1596-7的截止频率由其5号CLK时钟输入引脚的时钟信号决定。在此处时钟信号选中10MHz，由TXCO有源时钟芯片T1产生。图中，T1的8号引脚连接到U6-1的5号引脚。端口X-3出来的信号连接到U6-1的1号引脚，经过滤波后，由U6-1的8号引脚输出，8号引脚连接到端口X-4。同理Y-3、Z-3对应的低通滤波后的输出端口为Y-4、Z-4。端口X-4、Y-4、Z-4连接到下一级“二级放大电路”。

图7为二级放大电路。信号二级放大电路的功能是对滤波后的信号再进行幅值调节，因为滤波过程除了滤除不需要的频率信号外，或多或少会对需要的振动信号有一定幅值衰减。所以加一个反向放大电路，调节信号幅值，使其满足STM32F103的AD采样的输入范围。该电路由3片AD825放大器U7-1、U7-2、U7-3，电阻R71~R79，电容C71~C76组成。在该电路中有三个放大电路，分别对应端口X-4、Y-4、Z-4中信号，三个放大电路的电路形式和参数是一致的，在此只对X轴的二级放大电路进行讲解。该放大电路由图中AD825运放U7-1、电阻R71~R73，电容C71、C73组成。在这个电路中通过调节R71，R72的电阻比值，就可以调节电路放大倍数。电容C71、C73分别是+5V、-5V电源的滤波电容端口X-4、Y-4、Z-4中信号通过电阻R71进入放大电路，再通过U7-1的6号引脚输出，输出的信号连接到端口X-5。同理Y-4、Z-4对应的二级放大后的输出端口为Y-5、Z-5。端口X-5、Y-5、Z-5连接到STM32F103的AD输入端。

图8为数据采集模块。数据采集模块采用ARM微处理器STM32F103。该电路由3个部分组成：按键电路、指示灯电路和GPRS通讯电路。

1）、按键电路有以一控制按键，电路由按键B1、电阻R81组成。STM32F103微处理器U8-1的17号引脚PB2通过按键B1与+3.3V电源相接，并且还通过R81电阻接地。按键B1功能是用于开通或关闭数据采集功能。当B1按下后，+3.3V电源导通，使U8-1的PB2引脚上为高电平，U8-1检测PB2引脚上的高电平后，判断按键按下；当按键B1弹开后，+3.3V电源断开，电阻R81作为下拉电阻使U8-1上的PB2引脚为低电平，U8-1检测PB2引脚上的低电平后，判断按键B1断开。

2）、指示灯电路主要功能是通过LED来显示那个检测装置是否正常运行，如图中LED灯D4为绿灯，该灯亮表示装置正常运行，LED灯D5为红灯，该灯亮表示装置异常运行。该电路由三极管Q1、Q2，电阻R5、R6、R7、R8，LED灯D4、D5组成。三极管Q1、电阻R5、R7、D4组成LED灯D4的驱动电路，其连接到STM32F103微处理器U1的15号引脚（PB0）。三极管Q2、电阻R6、R8、D5组成LED灯D5的驱动电路，其连接到STM32F103微处理器U1的16号引脚（PB1）。当U1的PB0、PB1的引脚输出为高电平时，D4、D5被点亮。为低电平时熄灭。

3）、GPRS数据传输模块，主要功能是将STM32F103自带的USART串行协议转换成485半双工的协议，再转化成GPRS通讯协议，并将数据发送出去。该电路由SP3485协议转换芯片U8-3，非门U8-4组成，USR-GPRSDTU-710移动通讯模块P8-1，电阻R813、R814、R815、R816，电容C81，二极管D81、D82组成。SP3485是协议转换芯片，将USART串行协议转换成RS485半双工协议。U8-3的1、4号引脚（发送、接收）分别接到STM32F103微处理器U8-1的21、20号引脚(对应USART串行端口的TX、RX)。U8-1的23号引脚直接连接到U8-3的3号引脚，还通过非门U8-4连接到U8-3的2号引脚，U8-3的2、3号引脚分别是U8-3的1、4号引脚的使能端，2号引脚是低电平使能，3号引脚是高电平使能。由于RS485是半双工通讯，收和发数据不能同时进行，所以采用非门电路，可使U8-1只通过一个引脚就可以控制U8-3的接收和发送功能切换使能，优化资源利用。U8-3的6、7号引脚通过电阻R815、R816与USR-GPRSDTU-710移动通讯模块P8-1连接，通过P8-1就可以将RS485数据转换到GPRS数据。其中电路二极管的D81、D82、D83是线路防止电流冲击。电阻R815、R816是传输线路匹配阻抗。

Claims (10)

1.一种高压杆塔避雷线雷电冲击电流监测系统，包括雷电流检测装置、监控中心，所述雷电流检测装置与监控中心通过GPRS移动网络连接，其特征在于，所述雷电流检测装置包括三维磁场检测传感器，三维磁场检测传感器连接一级放大电路，一级放大电路连接直流分量去除电路，直流分量去除电路连接带通滤波电路,带通滤波电路连接二级放大电路，二级放大电路连接数据采集模块，数据采集模块连接GPRS数据传输模块。

2.根据权利要求1所述一种高压杆塔避雷线雷电冲击电流监测系统，其特征在于，所述监控中心包括GPRS网络数据接收模块，所述GPRS网络数据接收模块将GPRS数据转换成串口数据形式上传到监控中心。

3.根据权利要求1所述一种高压杆塔避雷线雷电冲击电流监测系统，其特征在于，所述一级放大电路包括三个AD622仪表放大器，三个AD622仪表放大器分别连接三维磁场检测传感器的X、Y、Z三个信号输出端，三维磁场检测传感器连接由MOSFET场效应管组成的推勉电路。

4.根据权利要求1所述一种高压杆塔避雷线雷电冲击电流监测系统，其特征在于，所述直流分量去除电路包括三个运算放大器AD825，三个运算放大器AD825分别连接经过一级放大电路处理后的三维磁场检测传感器的X、Y、Z的一级信号放大端：X-1、Y-1、Z-1。

5.根据权利要求1所述一种高压杆塔避雷线雷电冲击电流监测系统，其特征在于，所述带通滤波电路由高通切比雪夫电路、低通开关电容滤波电路组成。

6.根据权利要求1所述一种高压杆塔避雷线雷电冲击电流监测系统，其特征在于，所述二级放大电路包括三个运算放大器AD825，三个运算放大器AD825的输出端分别连接微处理器模块。

7.根据权利要求1所述一种高压杆塔避雷线雷电冲击电流监测系统，其特征在于，所述数据采集模块包括微处理器模块、按键电路、指示灯电路、GPRS通讯电路，所述微处理器模块分别连接按键电路、指示灯电路和GPRS数据传输模块。

8.根据权利要求1或3所述一种高压杆塔避雷线雷电冲击电流监测系统，其特征在于，所述三维磁场检测传感器为HMC1023型磁场检测传感器。

9.根据权利要求7所述一种高压杆塔避雷线雷电冲击电流监测系统，其特征在于，所述微处理器模块为ARM微处理器STM32F103。

10.根据权利要求1所述一种高压杆塔避雷线雷电冲击电流监测系统，其特征在于，所述监控中心为PC机。