CN204595059U - 高塔雷电流测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高塔雷电流测量装置，包括罗氏线圈、与罗氏线圈并联连接的气体放电管、与气体放电管输出相连的衰减器、与气体放电管输出相连的光发射机、全介质光缆、光接收机及供能激光器。本实用新型具有以下效果：抗干扰能力非常强、电路结构简单可靠、扩大测量雷电流的动态范围、实现双重保护功能、可靠性极高、成本低廉。

Description

高塔雷电流测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于激光供能和光纤传输的高塔雷电流测量装置，特别是一种用于强电磁脉冲场干扰环境中的高塔雷电流测量装置。

背景技术

雷电是自然界大气中最强的放电现象，同时产生强烈的电磁辐射。雷电以其超强的电磁能量严重威胁电子设备的安全可靠运行。在微电子设备被广泛使用的今天，因雷电的作用而蒙受损失的事件每年都有很多，且有越来越多的趋势。而人们对雷电现象的认识还远远不够，尚有大量的科学问题有待研究。无论是对雷电机理研究，还是对雷电效应、雷电防护和雷电定位研究等，都需要对雷电流和雷电电磁脉冲进行测量。迄今为止，准确可靠的自然雷电波形在我国还非常少。

传统对雷电流全波测量的探头主要有两种：一种采用罗氏线圈，将罗氏线圈围绕被测量雷电流，利用变压器原理，得到雷电流信号；另一种是在雷电流通道中串联阻值非常小的大功率电阻(毫欧量级)，俗称分流器，测量分流器上的电压，利用欧姆定律，可得到要测的雷电流信号。电流信号通过同轴屏蔽电缆或光电转换装置与后续的采集装置连接。这是目前普遍采用的雷电流测量方式，但其有一个致命的缺陷，就是抗电磁干扰能力差。如果采用同轴电缆传输雷电流信号，受到的电磁干扰是非常强的，甚至信号被湮灭；如果用光纤来传输雷电流信号，电光转换需要电源。如果采用电池供电，工作时间受电池容量限制；如果采用外电源供电，需要电缆来传输，又会引入电磁干扰。

实用新型内容

针对传统的雷电流测量中所存在电磁干扰的问题和不足，本实用新型的目的是设计一种基于激光供能和光纤传输的高塔雷电流测量装置，抗电磁干扰能力强，方便安装在容易受雷击的高塔上。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：一种高塔雷电流测量装置，包括罗氏线圈、气体放电管、衰减器、光发射机、全介质光缆、光接收机及供能激光器，罗氏线圈、气体放电管、衰减器、光发射机安装在室外的高塔上并构成高塔部分，而光接收机和供能激光器安放在室内并构成室内部分，且高塔部分与室内部分由全介质光缆连接；所述的光发射机由半导体发光组件将雷电流电信号转换成光信号，并由激光供能的光电池供电；所述的光接收机将雷电流光信号转换成电信号。

所述气体放电管、衰减器、光发射机均安装在具有防水和屏蔽功能的金属壳内。

雷电流电信号分成大信号和衰减后的小信号进行双路传输。

光发射机直接由罗氏线圈输出的雷电流信号直接驱动。

光发射机的供能由全介质光缆送来的激光供能。

还包括由与半导体发光组件串联的调整电阻以及与调整电阻、半导体发光组件支路并联的TVS瞬变电压抑制二极管构成的第二级保护。

当流过半导体发光组件电流达到其能承受的最大电流时，调整电阻的电压降与半导体发光组件的电压降之和正好等于TVS瞬变电压抑制二极管限幅电压阈值。

本实用新型采用罗氏线圈作为电流探头，而罗氏线圈围绕被流过雷电流的引雷杆，输出与被测雷电流波形一致的小电流，直接驱动半导体发光组件，将雷电流的强弱信号直接转换成发光组件的光强信号，通过光纤传送到远端的光接收机。由于半导体发光组件是一个PN结，具有单向导电性，当负向雷电流流过时，发光组件截止、不发光，不能传输负向雷电流信号。通过给半导体发光组件预先通过一个直流偏置小电流，将其静态工作点提高，就能让正或负的雷电流通过并转换成光信号由光纤传输。为了得到这个直流偏置小电流，利用光纤将激光器发出的光能送来，再由光电转换器件(光电池)将光能转换为电能，给半导体发光组件提供一个直流偏置。这样完全由全介质的光纤来传输信号和提供能量，克服了电磁干扰的问题。

由于用于传输信号的半导体发光组件的动态范围不大，一般在40dB左右。而自然界的雷电流可从几千安培到几百千安培，动态变化范围非常大。为了增大测量动态范围，将罗氏线圈输出的雷电流信号分成两路传输(大量程和小量程)，其中一路信号直接进行电光转换(第1路，灵敏度高)，另一路先经过一个衰减器衰减后再进行电光转换(第2路，灵敏度低但测量范围大)。当雷电流较小时可由灵敏度高的第1路测量；当雷电流很大时可由测量范围大的第2路测量。这就保证了大的测量动态范围。

自然雷电流的大小分布具有随机性，有时较小，有时可能出现超强的情况，可能超出半导体发光组件的输入电流范围，对其造成损坏。为了防止出现过电流损坏情况，半导体发光组件串联一只调整电阻，再与6.8V的TVS瞬态抑制二极管并联，起保护作用。串联的调整电阻起到调整输入电流的保护阈值作用，当输入电流超过测量量程时，TVS瞬变电压抑制二极管开始限压保护，流过调整电阻和半导体发光组件的电流也就被限流了，得到了保护。为了进一步增强在超强雷电流下的保护能力，在罗氏线圈的输出端并联上气体放电管，对罗氏线圈的后续电路起到第一级保护。这样测量电路得到双重保护，可靠性大大提高了。

由于任何以光纤直接传输模拟信号的系统，虽然抗电磁干扰能力非常强，但都受光电器件的噪声影响，信噪比跟以电缆传输信号相比，低得较多。分大量程和小量程两路来传输雷电流信号可提高信噪比。通过下面的测量方法进一步提高信噪比：

1)在实验室内用8/20μs标准雷电流波形全量程标定高塔雷电流测量装置；

2)根据标定结果，将高塔雷电流测量装置的双路量程传输的每一路传输电流的转移阻抗，按其测量动态范围分成三段，给出每一段测量范围内的转移阻抗系数；

3)将高塔雷电流测量装置的高塔部分安装在高楼楼顶或高塔上的引雷杆上，室内部分安放在室内的屏蔽柜中，并用全介质光缆连接；

4)将采集装置采集到的雷电流波形根据幅值大小，按预先的测量值分段方法分段，将每一段的数据分别除以其转移阻抗系数；

5)雷电流数据主要采用小量程传输的数据，如有饱和的数据段才用大量程传输的数据替换掉，得到信噪比最大的数据波形；

6)对信噪比最大的数据波形进行低通滤波，得到最终的雷电流波形。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点是：

1、高塔雷电流测量基于激光供能和光纤传输，抗干扰能力非常强。

2、利用罗氏线圈输出的雷电流信号直接驱动半导体发光组件实现电光转换，没有放大电路，电路结构简单可靠。

3、利用激光供能，克服半导体发光组件的单极性传输的问题，实现雷电流信号的双极性传输。

4、将信号分成大信号和衰减后的小信号进行双路传输，扩大测量雷电流的动态范围，能测量几安培到几百千安培这样大的电流动态范围，并通过幅值分段求传输雷电流的转移阻抗，提高信噪比。

5、由输入端的气体放电管保护和半导体发光组件支路的TVS保护实现双重保护功能，过载不会损坏，可靠性极高。

6、电路结构简单，不用电池和电缆，实现了体积小、重量轻，便于安装在高塔上；只要一次安装，之后不需要爬上塔进行维护；成本低廉。

附图说明

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型的原理图。

图2为本实用新型中高塔部分的原理图。

具体实施方式

实施例：参考图1-2所示，本实用新型提供了一种高塔雷电流测量装置的具体实施例，其包括罗氏线圈3、与罗氏线圈3并联连接的气体放电管4、与气体放电管4输出相连的衰减器5、与气体放电管4输出相连并将雷电流电信号转换成光信号的光发射机6、将雷电流光信号转换成电信号的光接收机12、向光发射机6提供光能的供能激光器13、连接光发射机6和光接收机12之间的全介质信号光缆9、以及连接光发射机6和供能激光器13之间的全介质供能光缆10，其中罗氏线圈3、气体放电管4、衰减器5、光发射机6安装在室外的高塔上并构成高塔部分1，而光接收机12和供能激光器13安放在室内并构成室内部分11，且高塔部分1与室内部分11由全介质光缆9、10连接；所述的光发射机6由半导体发光组件组成的电光转换电路8将雷电流电信号转换成光信号，并由激光供能的光电池7供电；所述的光接收机12将雷电流光信号转换成电信号。罗氏线圈3套在高塔上的引雷杆2上。当雷电击中引雷杆2时，罗氏线圈3会输出相应的雷电流信号，并经过气体放电管4构成的第一级保护后往下一级传输。雷电流信号分成两路传输，其中一路信号直接送到光发射机6中的电光转换电路8进行电光转换(第1#路，灵敏度高)，另一路先经过衰减器5衰减后再到电光转换电路8进行电光转换(第2#路，灵敏度低但测量范围大)。雷电流信号由全介质信号光缆9传送到室内部分11中的光接收机12完成光电转换，输出电信号由示波器或采集卡等采集装置进行数字化采集、存储和处理。室内部分11中的供能激光器13输出激光由全介质供能光缆10送到高塔部分1的光发射机6中的激光光电池7，将光能转换成电能，为电光转换电路8提供直流偏置电流。

结合图2所示，本实用新型的高塔部分1中罗氏线圈L1输出雷电流分成两路，第1路经过电阻R3和R5直接驱动半导体发光组件LD1，由LD1转换成光信号进行传输。另一路经过R1和R2组成的衰减器衰减后，经R4和R6直接驱动半导体发光组件LD2，由LD2转换成光信号进行传输。半导体发光组件的工作点直流偏置电流由激光光电池提供。其中R5为LD1半导体发光组件的调整电阻，TVS1为6.8V的双向瞬变电压抑制二极管。R6为LD2半导体发光组件的调整电阻，TVS2为6.8V的双向瞬变电压抑制二极管。半导体发光组件最大允许电流为100mA，相对应电压降为2V。R5、R6电阻值均为48Ω。当流过半导体发光组件电流达到100mA时，对应的TVS瞬态电压抑制二极管开始限幅，对半导体发光组件进行保护，实现第二级保护功能。激光供能的激光光电池选用武汉凹伟能源科技有限公司研制的PPC光电池，可提供大于100mW的功率，能够长时间供电。

结合上面的高塔雷电流测量装置，对高塔雷电流进行测量：

1)在实验室内用8/20μs标准雷电流波形全量程标定高塔雷电流测量装置；

2)根据标定结果，将高塔雷电流测量装置的双路传输的每一路传输电流的转移阻抗，按其测量雷电流幅度大小分成三段，分别是±(0～0.3)、±(0.3～0.7)、±(0.7～1)，给出每一段测量范围内的转移阻抗系数；

3)将高塔雷电流测量装置的高塔部分安装在高楼楼顶或高塔上的引雷杆上，室内部分安放在室内的屏蔽柜中，并用全介质光缆连接，光缆从光纤波导管穿过屏蔽柜；

4)将采集装置采集到的雷电流波形根据幅度大小，按预先的测量值分段方法分段，将每一段的数据分别除以其转移阻抗系数；

5)雷电流数据主要采用小量程传输的数据，如有饱和的数据段就用大量程传输的数据替换掉，得到信噪比最大的数据波形；

6)设计一个截止频率为1MHz的低通数字滤波器，对数据进行滤波，得到最终的雷电流波形。

当然上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型主要技术方案的精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高塔雷电流测量装置，包括罗氏线圈、与罗氏线圈并联连接的气体放电管、与气体放电管输出相连的衰减器、光发射机、全介质光缆、光接收机及供能激光器，其特征在于：罗氏线圈、气体放电管、衰减器、光发射机安装在室外的高塔上并构成高塔部分，而光接收机和供能激光器安放在室内并构成室内部分，且高塔部分与室内部分由全介质光缆连接；所述的光发射机由半导体发光组件将雷电流电信号转换成光信号，并由激光供能的光电池供电；所述的光接收机将雷电流光信号转换成电信号。

2.如权利要求1所述的高塔雷电流测量装置，其特征在于：所述气体放电管、衰减器、光发射机均安装在具有防水和屏蔽功能的金属壳内。

3.如权利要求1所述的高塔雷电流测量装置，其特征在于：所述雷电流电信号分成大信号和衰减后的小信号进行双路传输。

4.如权利要求1所述的高塔雷电流测量装置，其特征在于：光发射机直接由罗氏线圈输出的雷电流信号直接驱动。

5.如权利要求1所述的高塔雷电流测量装置，其特征在于：光发射机的供能由全介质光缆送来的激光供能。

6.如权利要求1所述的高塔雷电流测量装置，其特征在于还包括由与半导体发光组件串联的调整电阻以及与调整电阻、半导体发光组件支路并联的TVS瞬变电压抑制二极管构成的第二级保护。

7.如权利要求6所述的高塔雷电流测量装置，其特征在于：当流过半导体发光组件电流达到其能承受的最大电流时，调整电阻的电压降与半导体发光组件的电压降之和正好等于TVS瞬变电压抑制二极管限幅电压阈值。