CN202710643U - 一种雷电流能量检测系统以及防雷设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种雷电流能量检测系统以及防雷设备，包括：对引入传播路径中的雷电流进行采样并且采样电流与雷电流成固定比例的雷电流采样装置；对采样电流进行整流的采样电流整流装置；对整流后的采样电流的电荷进行存储并且所存储的总电荷量与雷电流的总电荷量成正比的采样电流存储装置；检测所述存储的总电荷量的电压值、计算出雷电流的总电荷量并归一化为雷电流标准波形函数的总电荷量最后计算出所对应的雷电流标准波形函数的雷电流的峰值的采样电流分析装置。在本实用新型中，以雷电流能量为检测依据，而不是以雷电流峰值为检测依据，修正了仅以雷电流峰值为检测依据的方法所产生的不可控性误差。

Description

一种雷电流能量检测系统以及防雷设备

技术领域

本实用新型涉及雷电流检测技术领域，尤其涉及一种雷电流能量检测系统以及防雷设备。

背景技术

雷电灾害是国际公布的十种最严重的自然灾害中的一种。每年雷电灾害事故频繁，涉及面广，对广大人民群众的生命财产安全构成严重威胁。

与此同时人们对于雷电的研究也在不断地深化当中，其中对雷电流的定义和测量可以说是所有针对雷电研究的基石，由此可见它的重要性。

但自然界的雷电错综复杂，几乎每一次的雷击都有不同的形态。即使人们通过大量的数据分析也不能找到唯一的波形函数来表征所有的雷击。为了便于定量分析，IEC提出了一类波形用来对雷电进行描述。如图1所示，Ip表示雷电波的峰值，T1表示视在波前时间，T2表示视在半峰值时间。通过指定T1/T2的值就基本定型了一种雷电流波形，再指定Ip的数值后就把雷电流的大小也指定了，这样就基本可以描述一次雷电流的大致特征。

IEC（国际电工委员会）归纳了若干种不同情况下具有代表性的雷电流标准波形函数。比较常用的雷电流标准波形函数有以下几种波形：8/20μs波形表征感应雷击的雷电流标准波形函数、10/350μs波形表征首次雷击的雷电流标准波形函数、0.25/100μs波形表征首次以后的雷电流标准波形函数，其他的雷电流标准波形函数还有1.2/50μs、10/700μs、10/1000μs等等。

针对雷击电流的检测方法也一直在探索当中，其形式也多种多样，但基本上都由三个部分组成：

一、雷电流采集部分；

二、数据处理部分；

三、数据输出部分。

比较常见的采集雷电流方法如：分流器法，铁心互感器法，Rogowski线圈法，霍尔器件法，电光、磁光法等，并得到了一些实际应用。

数据处理一般都使用单片机、微机等设备。

而对于数据输出部分，实际上无论检测方法如何及数据处理方式如何，现有技术大都呈现出了两种表现形式：

1、精确地描绘出雷电流的实时波形。

2、只检测雷电流的峰值，而忽略或默认雷电流的波形函数。

从现有技术数据输出的表现形式可以看出，第一种方式最精确，能够良好的体现雷电流的特征。但是需要精密的仪器、高昂的成本、非常好的屏蔽措施……。这些特性决定了第一种方法一般都要进行专门的建设，包括各个设备间的配合、屏蔽措施、电源净化、接地等等。一般用在实验室居多，很难在用户终端进行实施。

而第二种方式最方便，由于只需要检测一个雷电流的峰值即可，因此它可以用非常简单的设备进行采集和处理运算，成本极低、体积很小便于携带，可以方便的用于对检测要求不高的众多场合，包括用户终端的雷电流检测。

但问题是这种方法过于简化，有时甚至根本无法反映出雷电流的能量大小。

举个实际的例子来讲，同样峰值Ip=10KA的雷电流，一个是8/20μs波形的，一个是10/350μs波形的。下面计算一下他们的能量分别是多少。

为方便计算，这里选择脉冲函数模型来描述雷电流波，其表达式如下：

$i\left(t\right)=\frac{\mathrm{Ip}}{\mathrm{\η}}{(1-e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}1}})}^n*e^{-\frac{t}{\mathrm{\τ}2}}$

其中

$\mathrm{\η}={(1-a)}^n*\frac{\mathrm{\τ}1}{\mathrm{a\τ}2}$

$a=\frac{\mathrm{\τ}1}{\mathrm{\τ}1+n*\mathrm{\τ}2}$

那么雷电流作用在电阻R上0-t1的时间内的所做的功W为：

$W=R*{\∫}_0^{t1}{i}^2\left(t\right)\mathrm{dt}$

（1）8/20μs波形：

雷电流Ip=10KA，作用在R=1Ω的电阻上；

8/20μs波形应取n=3;τ1=15.5;τ2=5.7;

为便于比较令t1=10000μs;

代入上式，可解得：

W8/20=1.23*103(焦耳)

（2）10/350μs波形：

雷电流Ip=10KA，作用在R=1Ω的电阻上；

10/350μs波形应取n=3;τ1=3.2;τ2=476;

为便于比较令t1＝10000μs;

代入上式，可解得：

W10/350=2.53*104(焦耳)

由上面计算可知，同样雷电流峰值的8/20μs雷电流和10/350μs雷电流，作用在同样的电阻上面其能量相差20.6倍。

以上例子说明如果只按Ip作为表现形式那么势必会带来巨大的误差，即使实际情况中不会表现的如上面例子中那么极端，也必然存在非常大的不可靠性。

比如说某设备需要记录感应雷击的强度数据，这种情况典型波形是8/20μs波形。但实际雷击情况不可能是标准的8/20μs波形只是会比较接近，有可能是9/25、5/30、8/35、7/15μs……等等，如果仅仅按峰值Ip来表征雷电流那么实际上能量误差可能会有几倍。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种雷电流能量检测系统，旨在解决现在的雷电流检测系统中，精确地描绘出雷电流的实时波形的方式需要精密的仪器、高昂的成本以及非常好的屏蔽措施，很难在用户终端进行实施，而只检测雷电流的峰值，而忽略或默认雷电流的波形函数的方式过于简化，有时甚至根本无法反映出雷电流的能量大小的问题。

本实用新型是这样实现的，一种雷电流能量检测系统，包括：

对引入传播路径中的雷电流进行采样并且采样电流与雷电流成固定比例的雷电流采样装置；

输入端与所述雷电流采样装置的输出端连接，对采样电流进行整流的采样电流整流装置；

输入端与所述采样电流整流装置的输出端连接，对整流后的采样电流的电荷进行存储并且所存储的总电荷量与雷电流的总电荷量成正比的采样电流存储装置；

输入端与所述采样电流存储装置的输出端连接，检测所述存储的总电荷量的电压值、计算出雷电流的总电荷量并归一化为雷电流标准波形函数的总电荷量最后计算出所对应的雷电流标准波形函数的雷电流的峰值的采样电流分析装置。

上述结构中，所述系统还包括：

输入端与所述采样电流分析装置连接，显示所述雷电流标准波形函数名及其雷电流峰值的显示输出装置。

上述结构中，所述雷电流采样装置包括Rogowski线圈B101，所述Rogowski线圈B101的两端为所述雷电流采样装置的输出端，与采样电流整流装置的输入端连接。

上述结构中，所述采样电流整流装置包括整流桥堆U201，所述整流桥堆U201的两个输入端为所述采样电流装置的输入端，与雷电流采样装置的输出端连接，所述整流桥堆U201的两个输出端为所述采样电流装置的输出端，与采样电流存储装置连接。

上述结构中，所述采样电流存储装置包括电容C301，所述电容C301的第一端分别与所述采样电流整流装置的输出端以及采样电流分析装置的输入端连接，所述电容C301的第二端分别与所述采样电流整流装置的输出端以及采样电流分析装置的输入端连接。

上述结构中，采样电流分析装置包括MCU芯片U401,所述MCU芯片U401的第一输入端in1和第二输入端in2为所述采样电流分析装置的输入端，与所述采样电流存储装置的输出端连接，所述MCU芯片U401的输出端out为所述采样电流分析装置的输出端，与显示输出装置的输入端连接。

上述结构中，所述显示输出装置包括LCD显示器D501，所述LCD显示器D501的输入端为所述显示输出装置的输入端，与所述采样电流分析装置的输出端连接。

本实用新型的另一目的在于提供一种包括上述的雷电流能量检测系统的防雷设备。

在本实用新型中，以雷电流能量为检测依据，而不是以雷电流峰值为检测依据。因为雷电流的破坏能力是和其能量成正比的而不和其峰值成正比，因此修正了仅以雷电流峰值为检测依据的方法所产生的不可控性误差，能更加真实的反映出人们真正关心的雷电流破坏能力。本实用新型具有成本低、实施简便、适用范围广等优点。

附图说明

图1是雷电流标准波形图；

图2是本实用新型实施例提供的雷电流能量检测系统的结构框图；

图3是本实用新型实施例提供的雷电流能量检测系统的具体电路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、原理及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型中，通过电荷储存器件，将雷电流能量按固定比例分流并存储，然后检测所存储的能量大小，最后通过公式将这些能量等效换算为所需要进行分析的雷电流标准波形函数及其峰值。

图2示出了本实用新型实施例提供的雷电流能量检测系统的具体结构，为了便于说明，仅示出了与本实用新型相关的部分，详述如下。

本实用新型的另一目的在于提供一种雷电流能量检测系统，包括：

对引入传播路径中的雷电流进行采样并且采样电流与雷电流成固定比例的雷电流采样装置100；

输入端与所述雷电流采样装置100的输出端连接，对采样电流进行整流的采样电流整流装置200；

输入端与所述采样电流整流装置200的输出端连接，对整流后的采样电流的电荷进行存储并且所存储的总电荷量与雷电流的总电荷量成正比的采样电流存储装置300；

输入端与所述采样电流存储装置300的输出端连接，检测所述存储的总电荷量的电压值、计算出雷电流的总电荷量并归一化为雷电流标准波形函数的总电荷量最后计算出所对应的雷电流标准波形函数的雷电流的峰值的采样电流分析装置400。

作为本实用新型一实施例，所述雷电流能量检测系统还包括：

输入端与所述采样电流分析装置400的输出端连接，显示所述雷电流标准波形函数名及其雷电流峰值的显示输出装置500。

图3示出了本实用新型实施例提供的雷电流能量检测系统的具体电路，为了便于说明，仅示出了与本实用新型相关的部分，详述如下。

作为本发明一实施例，所述雷电流采样装置100包括Rogowski线圈B101，所述Rogowski线圈B101的两端为所述雷电流采样装置100的输出端，与采样电流整流装置200的输入端连接。

比较常见的采集雷电流方法还有：分流器法，铁心互感器法，霍尔器件法，电光、磁光法等。

作为本实用新型一实施例，所述采样电流整流装置200包括整流桥堆U201，所述整流桥堆U201的两个输入端与雷电流采样装置100的输出端连接，作为所述采样电流装置的输入端，所述整流桥堆U201的两个输出端为所述采样电流装置的输出端，与采样电流存储装置300连接。

作为本实用新型一实施例，所述采样电流存储装置300包括电容C301，所述电容C301的第一端分别与所述采样电流整流装置200的输出端以及采样电流分析装置400的输入端连接，所述电容C301的第二端分别与所述采样电流整流装置200的输出端以及采样电流分析装置400的输入端连接。

作为本实用新型一实施例，采样电流分析装置400包括MCU芯片U401,所述MCU芯片U401的第一输入端in1和第二输入端in2为所述采样电流分析装置的输入端，与所述采样电流存储装置300的输出端连接，所述MCU芯片U401的输出端out为所述采样电流分析装置的输出端，与显示输出装置500的输入端连接。

作为本实用新型一实施例，所述显示输出装置500包括LCD显示器D501,所述LCD显示器D501的输入端为所述显示输出装置的输入端，与所述采样电流分析装置400的输出端连接。

举例说明本实用新型的工作原理如下：

本方法将实际雷击中产生的9/25、5/30、8/35、7/15μs……等等波形雷电流的总能量归一换算为8/20μs波形的总能量，然后取相对应的电流峰值进行显示。如果需要的话甚至可以同时归一换算为10/350μs波形，然后取其对应的电流峰值同时进行显示。此时可以理解为：“本次雷击能量等效为8/20μs波形雷击Ip=x(安培)，或等效为10/350μs波形雷击Ip=y(安培)”。

本实用新型的另一目的在于提供一种包括上述的雷电流能量检测系统的防雷设备。

在本实用新型中，以雷电流能量为检测依据，而不是以雷电流峰值为检测依据。因为雷电流的破坏能力是和其能量成正比的而不和其峰值成正比，因此修正了仅以雷电流峰值为检测依据的方法所产生的不可控性误差，能更加真实的反映出人们真正关心的雷电流破坏能力。本实用新型具有成本低、实施简便、适用范围广等优点。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种雷电流能量检测系统，其特征在于，所述系统包括：

对引入传播路径中的雷电流进行采样并且采样电流与雷电流成固定比例的雷电流采样装置；

输入端与所述雷电流采样装置的输出端连接，对采样电流进行整流的采样电流整流装置；

输入端与所述采样电流整流装置的输出端连接，对整流后的采样电流的电荷进行存储并且所存储的总电荷量与雷电流的总电荷量成正比的采样电流存储装置；

输入端与所述采样电流存储装置的输出端连接，检测所述存储的总电荷量的电压值、计算出雷电流的总电荷量并归一化为雷电流标准波形函数的总电荷量最后计算出所对应的雷电流标准波形函数的雷电流的峰值的采样电流分析装置。

2.如权利要求1所述的雷电流能量检测系统，其特征在于，所述系统还包括：

输入端与所述采样电流分析装置的输出端连接，显示所述雷电流标准波形函数名及其雷电流峰值的显示输出装置。

3.如权利要求1所述的雷电流能量检测系统，其特征在于，所述雷电流采样装置包括Rogowski线圈B101，所述Rogowski线圈B101的两端为所述雷电流采样装置的输出端，与采样电流整流装置的输入端连接。

4.如权利要求1所述的雷电流能量检测系统，其特征在于，所述采样电流整流装置包括整流桥堆U201，所述整流桥堆U201的两个输入端为所述采样电流装置的输入端，与雷电流采样装置的输出端连接，所述整流桥堆U201的两个输出端为所述采样电流装置的输出端，与采样电流存储装置连接。

5.如权利要求1所述的雷电流能量检测系统，其特征在于，所述采样电流存储装置包括电容C301，所述电容C301的第一端分别与所述采样电流整流装置的输出端以及采样电流分析装置的输入端连接，所述电容C301的第二端分别与所述采样电流整流装置的输出端以及采样电流分析装置的输入端连接。

6.如权利要求1所述的雷电流能量检测系统，其特征在于，采样电流分析装置包括MCU芯片U401,所述MCU芯片U401的输入端为所述采样电流分析装置的输入端，与所述采样电流存储装置的输出端连接，所述MCU芯片U401的输出端为所述采样电流分析装置的输出端，与显示输出装置的输入端连接。

7.如权利要求1所述的雷电流能量检测系统，其特征在于，所述显示输出装置包括LCD显示器D501,所述LCD显示器D501的输入端为所述显示输出装置的输入端，与所述采样电流分析装置的输出端连接。

8.一种包括如权利要求1-7任一项所述的雷电流能量检测系统的防雷设备。

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