CN107607888A - 一种三维暂态磁场测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三维暂态磁场测量系统，包括依次连接的三维磁场测量探头、三维信号合成单元、光纤传输单元和信号处理单元；三维磁场测量探头包括绝缘配重底座、有机玻璃支柱和三个磁场探头；有机玻璃支柱竖直固定在绝缘配重底座上；三个磁场探头分别为三维Y轴垂直方向磁场B‑dot探头、三维Z轴垂直方向磁场B‑dot探头和三维X轴垂直方向磁场B‑dot探头；三个磁场探头固定在有机玻璃支柱上。本发明在恶劣电磁工况下采用三维硬件合成进行暂态磁场测量，可用于电力、军事、航空、航天和铁路等需要进行三维暂态磁场测量的领域。

Description

一种三维暂态磁场测量系统

技术领域

本发明属于高电压与电磁兼容技术领域，涉及一种三维暂态磁场测量系统。

背景技术

随着智能电网和特高压技术的发展，电网中智能化设备越来越多、高压设备的耐压水平要求越来越高，而这些设备的电磁暂态过程影响机理及防护措施尚不十分明确，在智能电网的建设中，曾发生多起由于暂态电磁骚扰造成变电站无法投运、在运电子设备损坏导致保护装置误动或拒动的事故；在特高压电网的建设中，由于电压等级高，开关分合闸过程暂态磁场影响较为严重，且特高压设备的电磁暂态作用过程影响没有深入研究，从而阻碍了智能电网和特高压电网的快速建设，因此电网设备的电磁暂态现象逐渐成为研究热点，越来越引起电力系统的关注。

对于空间强暂态磁场的测量目前主要是采用一维磁场探头，大多通过一维暂态磁场信号来判断空间暂态电磁骚扰的强度。目前对暂态磁场的测量主要使用B-dot线圈的原理。B-dot是一种特殊结构的罗氏线圈，又称磁耦合环，用于快速变化磁场的测量，其特点是频率响应好、体积小使用方便，B-dot原理如图1所示。

B-dot线圈由一段弯成环状的同轴结构组成，右半环末端内导体同外导体短路，环的对称轴上方外导体处开一个小缝隙，当电磁波在线圈的外导体屏蔽层上的透入深度远小于外导体层的厚度时，只有外导体能感应出电压，而内导体处于被屏蔽状态。通过一系列公式计算，B-dot线圈的传递函数可简化表示为：

其中，U₁(s)为线圈感应电压，U₀(s)为线圈最终输出电压；L₀和R_L分别为线圈自身电感和负载电阻。输出信号U₀与磁场的微分呈正比，3dB的转折频率为：

当被测磁场的频率低于转折频率时，线圈输出的信号与磁场的微分呈正比。

由于现场磁场信号由电磁骚扰源发出后向空间发射，存在反射、折射等，会产生非常复杂的三维空间暂态磁场工况，空间某一点的暂态磁场信号可能来自四面八方，如果只采用一维的测量的方法，只能测量到一个方向的暂态磁场信号，这个方向可能不是三维磁场中最强的方向，因此很有可能产生非常大的测量误差。

目前对于三维暂态磁场的测量基本上都是采用三个天线，分别垂直X、Y、Z三维的三个方向放置，分别采集信号，然后通过后台软件进行合成，由于高频的暂态信号数据量非常大，很难能做到实时信号采集和处理，例如对于现场敞开式的隔离开关，分合过程基本上都在秒级以上，采用50M的采集卡，0.66秒数据量就已经达到1个G，现场测试数据量非常大，如何实现实时三维暂态磁场信号大数据量的采集和处理现在是难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种三维暂态磁场测量系统，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种三维暂态磁场测量系统，包括依次连接的三维磁场测量探头、三维信号合成单元、光纤传输单元和信号处理单元；三维磁场测量探头包括绝缘配重底座、有机玻璃支柱和三个磁场探头；有机玻璃支柱竖直固定在绝缘配重底座上；三个磁场探头分别为三维Y轴垂直方向磁场B-dot探头、三维Z轴垂直方向磁场B-dot探头和三维X轴垂直方向磁场B-dot探头；三个磁场探头固定在有机玻璃支柱上。

进一步的，三个磁场探头固定安装于紧固螺丝上，有机玻璃支柱上设有带标尺的滑动槽(F1)，紧固螺丝能够和三个磁场探头一起在带标尺的滑动槽中上下滑动。

进一步的，紧固螺丝的顶端固定有水平仪和指南针。

进一步的，三个磁场探头的输出端各连接一个磁场信号输出端子。

进一步的，绝缘配重底座的底部四周均匀安装4个可升降螺杆。

进一步的，磁场探头包括导线外壳和中心导线；导线外壳包括带缺口的环形部，环形部的一端连接有下端部；中心导线设置于导线外壳内；中心导线与导线外壳之间填充绝缘材料；环形部的缺口处，中心导线一短连接导线外壳的下端部；磁场探头的输出为下部的中心导线和导线外壳的下端部。

进一步的，三维信号合成单元包括分别连接三个磁场探头输出端的第一高频1:1变压器、第二高频1:1变压器和第三高频1:1变压器；第一高频1:1变压器、第二高频1:1变压器和第三高频1:1变压器的输出端连接对应第一高速锗二极管整流桥、第二高速锗二极管整流桥和第三高速锗二极管整流桥的输入端；第一高速锗二极管整流桥、第二高速锗二极管整流桥和第三高速锗二极管整流桥的第一输出端共接作为三维信号合成单元的第一输出端，第一高速锗二极管整流桥、第二高速锗二极管整流桥和第三高速锗二极管整流桥的第二输出端共接作为三维信号合成单元的第二输出端。

进一步的，光纤传输单元包括依次连接的光电转换器、光纤和电光转换器；光电转换器的输入端连接三维信号合成单元的输出端；电光转换器的输出端连接信号处理单元的输入端。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明在恶劣电磁工况下采用三维硬件合成进行暂态磁场测量，可用于电力、军事、航空、航天和铁路等需要进行三维暂态磁场测量的领域。在一定误差范围内，可实现实时利用硬件来实现三维暂态磁场测量，可避免后台软件的短时大数据量的处理，为在开关分合闸、雷击和短路接地等情况下，设备本身及周围所产生的强暂态磁场信号提供便携、可靠的测量方法。

附图说明

图1为B-dot原理图；

图2为本发明一种三维暂态磁场测量系统的原理图；

图3为三维暂态磁场探头原理图；

图4为三维信号合成单元原理图；

图5为光纤传输单元原理图。

具体实施方式

请参阅图2所示，本发明一种三维暂态磁场测量系统，包括三维磁场测量探头A、三维信号合成单元B、光纤传输单元C和信号处理单元D四部分。本发明一种三维暂态磁场测量系统使用硬件三维信号合成的方法，可实现实时三维信号采集、合成和处理。

三维磁场测量探头A由以下部分组成，其中3个磁场探头固定于水平有机玻璃板上：

A1：水平仪和指南针，用于三维磁场方向标定，固定于紧固螺丝E1顶端；

B1：三维Y轴垂直方向磁场B-dot探头；

C1：三维Z轴垂直方向磁场B-dot探头；

D1：三维X轴垂直方向磁场B-dot探头；

J1：3个方向三维磁场信号输出端子；

E1：紧固螺丝，用于固定三维磁场上下位置；

G1：有机玻璃支柱，用于支撑三维磁场探头；

F1：带标尺的滑动槽，用于三维磁场探头上下位置滑动，当固定三维磁场探头的有机玻璃板滑动至某一位置，使用E1将其固定，通过标尺可以知道三维磁场探头的高度；

H1：圆形绝缘配重底座，该底座底部四周均匀安装4个可升降螺杆，可用于地面不平时，通过一边观察水平仪，一边调节螺杆，使磁场探头始终处于水平位置。

其中，三维B-dot暂态磁场测量探头如图3所示，由全屏蔽导线做成，导线外壳BB和中心导线AA采用铜制，外壳与中心导线之间填充聚四氟绝缘材料。该结构中外壳BB与中心导线AA不连续，在圆环右下部断开，断开处外壳BB与中心导线AA连接，再通过导线连接至下部的外壳上，此时输出为下部的中心导线和外壳，可通过连接BNC输出。

三维信号合成单元B，如图4所示。

其中：

TT1：连接B1的高频1:1变压器：

TT2：连接C1的高频1:1变压器：

TT3：连接D1的高频1:1变压器：

这三个变压器用于隔离和极性变换作用。

DD1：高速锗二极管整流桥，连接TT1，用于将B1暂态磁场信号转换为直流信号；

DD2：高速锗二极管整流桥，连接TT2，用于将C1暂态磁场信号转换为直流信号；

DD3：高速锗二极管整流桥，连接TT3，用于将D1暂态磁场信号转换为直流信号；

将DD1、DD2和DD3的输出分别连接在一起，即将三个直流信号进行硬件实时叠加，输出接光纤传输单元C。

光纤传输单元C，如图5所示。

光纤传输单元由以下部分组成：

DG：光电转换器，连接三维信号合成单元B的输出端K1；

PP：光纤，用于采集信号抗干扰传输；

GD：电光转换器，连接信号处理单元D的输入端N1。

信号处理单元D主要由计算机及处理软件组成。对于暂态磁场测量，目前现场最关注的是磁场的三维合成最大值，因为对于磁场干扰，被干扰设备能够耐受干扰是以最大值为考评标准的。

对于本发明涉及的三维暂态磁场测量装置，设三个方向X、Y和Z磁场所测暂态交流信号电压峰值为U₁、U₂和U₃，且电磁波三个方向同频率，则整流后的直流电压为∣U₁∣、∣U₂∣和∣U₃∣，通过输，测量得到的暂态电磁场强度为∣U₁∣+∣U₂∣+∣U₃∣。

此时可以计算本发明涉及方法的误差，对于三维磁场辐射区间内，任一点其真实磁场强度为则本方法误差为三维磁场在该点的数值和与其矢量和的比值，即由于误差公式中没有符号关系，因此计算过程中取空间第一象限，三维量取值范围为(0～∞)，通过计算仿真，其误差δ数值区间为(0-0.73)。当三维坐标上的一个点退化为一维坐标上的点，即当三维磁场垂直三维中某一坐标轴传播时，误差最小为0；当U₁＝U₂＝U₃时，即当三维磁场合成的方向沿三维坐标轴中线传播时，误差最大为0.73。

因此，本发明三维磁场测量方法，在实际测量过程中，如果对磁场精度要求高的情况下，可通过旋转三维天线方向寻找输出的最小值，该值即为实际三维磁场的矢量合成真实值；如果对磁场精度要求不高的情况下，可直接测量，误差范围在0.73以内，可对工程实践提供具有实用参考价值的最大磁场强度。

Claims (8)

1.一种三维暂态磁场测量系统，其特征在于，包括依次连接的三维磁场测量探头(A)、三维信号合成单元(B)、光纤传输单元(C)和信号处理单元(D)；三维磁场测量探头(A)包括绝缘配重底座(H1)、有机玻璃支柱(G1)和三个磁场探头；有机玻璃支柱(G1)竖直固定在绝缘配重底座(H1)上；三个磁场探头分别为三维Y轴垂直方向磁场B-dot探头、三维Z轴垂直方向磁场B-dot探头和三维X轴垂直方向磁场B-dot探头；三个磁场探头固定在有机玻璃支柱(G1)上。

2.根据权利要求1所述的一种三维暂态磁场测量系统，其特征在于，三个磁场探头固定安装于紧固螺丝(E1)上，有机玻璃支柱(G1)上设有带标尺的滑动槽(F1)，紧固螺丝(E1)能够和三个磁场探头一起在带标尺的滑动槽中上下滑动。

3.根据权利要求2所述的一种三维暂态磁场测量系统，其特征在于，紧固螺丝(E1)的顶端固定有水平仪和指南针。

4.根据权利要求1所述的一种三维暂态磁场测量系统，其特征在于，三个磁场探头的输出端各连接一个磁场信号输出端子(J1)。

5.根据权利要求1所述的一种三维暂态磁场测量系统，其特征在于，绝缘配重底座(H1)的底部四周均匀安装4个可升降螺杆。

6.根据权利要求1所述的一种三维暂态磁场测量系统，其特征在于，磁场探头包括导线外壳(BB)和中心导线(AA)；导线外壳(BB)包括带缺口的环形部，环形部的一端连接有下端部；中心导线(AA)设置于导线外壳(BB)内；中心导线(AA)与导线外壳(BB)之间填充绝缘材料；环形部的缺口处，中心导线(AA)一短连接导线外壳(BB)的下端部；磁场探头的输出为下部的中心导线和导线外壳(BB)的下端部。

7.根据权利要求1所述的一种三维暂态磁场测量系统，其特征在于，三维信号合成单元(B)包括分别连接三个磁场探头输出端的第一高频1:1变压器(TT1)、第二高频1:1变压器(TT2)和第三高频1:1变压器(TT3)；第一高频1:1变压器(TT1)、第二高频1:1变压器(TT2)和第三高频1:1变压器(TT3)的输出端连接对应第一高速锗二极管整流桥(DD1)、第二高速锗二极管整流桥(DD2)和第三高速锗二极管整流桥(DD3)的输入端；第一高速锗二极管整流桥(DD1)、第二高速锗二极管整流桥(DD2)和第三高速锗二极管整流桥(DD3)的第一输出端共接作为三维信号合成单元(B)的第一输出端，第一高速锗二极管整流桥(DD1)、第二高速锗二极管整流桥(DD2)和第三高速锗二极管整流桥(DD3)的第二输出端共接作为三维信号合成单元(B)的第二输出端。

8.根据权利要求1所述的一种三维暂态磁场测量系统，其特征在于，光纤传输单元(C)包括依次连接的光电转换器(DG)、光纤(PP)和电光转换器(GD)；光电转换器(DG)的输入端连接三维信号合成单元(B)的输出端；电光转换器(GD)的输出端连接信号处理单元(D)的输入端。