一種雷電流測量線圈及設計方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及了一種雷電流測量裝置，具體涉及一種測量雷電流的線圈及其設計方 法。
【背景技術】
[0002] 雷電是一種能產生大電流、高電壓的自然現象，雷電事故會對人們的生產生活造 成巨大危害。而雷電流測量對研宄雷電特性及研宄相應的雷電防護措施有著重要的意義。 目前常用的針對雷電流測量方法主要包括磁鋼棒法、磁帶法和羅氏線圈測量法三種。磁鋼 棒法利用雷電流產生的強磁場使鋼棒磁化，由于磁鋼棒有較強的磁驕頑特性，雷電流通過 之后會殘留較大的剩磁，通過檢測剩磁的大小即可得知雷電流的大小，磁鋼棒一般放置于 避雷針處進行測量。磁帶法主要采用高靈敏度的磁帶預錄基準信號，安裝在避雷針等載流 體附近，雷電流產生的磁場及磁帶上的感應電流會改變磁帶上的磁籌，抹掉基準信號。且抹 去部分的長度與幅值大小呈現比例關系，從而可以測量出雷電流幅值。羅氏線圈測量是利 用電磁感應原理，使用羅氏線圈作為電流互感器，將羅氏線圈環(huán)繞在測針上，通過電纜、光 纖或無線通訊等手段將信號傳輸到計算機上進行分析處理。
[0003] 磁鋼棒法由于磁鋼棒的原料配方及生產工藝具有分散性，其檢測方法受環(huán)境因素 的影響較大，可能會，剩磁的檢測方法對結果偏差影響較大，在磁鋼棒的運輸過程中也可能 會倒是磁性減弱。所以磁鋼棒發(fā)的測試靈敏度較低，誤差較大，通常誤差可達10% -30%。
[0004] 磁帶法不能實時測量雷電流數據，且在測量過程中需要預制大量磁帶，需要的磁 帶數較多，處理操作不便，不能滿足雷電流測量現場快速簡單的操作需求，不利于廣泛開展 雷電流參數及特性的實時測量。
[0005] 羅氏線圈法量程固定，對超過量程的雷電流會產生截止效應，固定安裝于避雷針 上，且由于固定物遭受雷擊的概率較小，所以測量周期較長。

【發(fā)明內容】

[0006] 本申請的發(fā)明目的在于解決目前的雷電流測量設備存在的上述技術問題，而提供 一種測量全面，準確性高，測量周期短且應用簡便的雷電流測量線圈及其設計方法。
[0007] 為了完成本申請的發(fā)明目的，本申請采用以下技術方案：
[0008] 本發(fā)明的雷電流測量線圈，包括多個并聯的量程不同的線圈，所述線圈包括直線 型骨架，所述直線型骨架上均勻纏繞著漆包線構成空心單層直線式線圈，所述線圈內部設 有匹配電阻，所述匹配電阻使用環(huán)氧樹脂澆注集成到所述線圈內，所述匹配電阻串入線圈 電纜首端的芯線中。
[0009] 本發(fā)明所述測量線圈的外部設置保護盒，所述保護盒垂直漆包線方向上開槽，槽 內放置所述線圈屏蔽外部磁場。
[0010] 本發(fā)明所述直線型骨架采用非鐵磁性材料制成，所述測量線圈和匹配電阻使用 BNC接頭與外部的數據采集卡連接。
[0011] 本發(fā)明所述線圈和數據采集卡之間串聯調壓模塊，所述數據采集卡通過光纖模塊 使用光纖傳輸信號給計算機。
[0012] 本發(fā)明還提供一種雷電流測量線圈的設計方法，用于設計上述的雷電流測量線 圈，所述線圈設計的約束條件如下：
[0013] (1)符合內積分式線圈的積分條件；
[0014] (2)符合同軸電纜首端匹配條件R+Rm = Z及轉換特性的一致條件R〈〈Rm，其中端 口電阻為R，匹配電阻為Rm，在加壓之初，電纜相當于一個波阻抗Z。
[0015] 本發(fā)明測量線圈的結構參數有：η匝數，A線圈截面積，1線圈長度，匝距1/n，S漆 包線截面積，線圈端口電壓和匝距成正比，根據所述約束條件進行線圈結構參數設計，線圈 的結構參數設計方法如下：
[0016] (1)確定端口電壓uK取值；
[0017] (2)根據端口電壓uK確定匝距l(xiāng)/η ;
[0018] (3)選取匝數η;
[0019] (4)根據匝距l(xiāng)/η和匝數η可確定1 ;
[0020] (5)根據約束條件（1)，確定A ;
[0021] (6)根據確定的線圈結構參數對系統(tǒng)的動態(tài)特性進行校核
[0022] 本發(fā)明的雷電流測量線圈與現有技術相比區(qū)別在于：1)通過多組線圈測量雷電 流，可以減小測量數據的分散性，得到的雷電流幅值參數更為準確，并使用多個不同量程線 圈并聯，進一步提高了測量線圈的測量精度，相較于現有的磁鋼棒法、磁帶法及羅氏線圈法 測量的雷電流幅值更為可靠。
[0023] 2)有完整的線圈理論分析及電氣參數分析，并通過電氣參數分析選定合適的線圈 結構參數，整體測量線圈的設計過程及應用過程較為簡便。
[0024] 3)測量時測量線圈不用設在雷電流載體上，由于雷電流通常有較大幅值，測量線 圈在測量時距離雷電流載流體距離相對較遠，保證了測量系統(tǒng)的安全性。
[0025] 4)考慮匹配電阻的特性，將線圈與匹配電阻進行封裝，使測量線圈在測量過程中 使用更加簡便。
【附圖說明】
[0026] 圖1是本發(fā)明的線圈的結構示意圖；
[0027] 圖2是本發(fā)明的內積分式線圈等效電路圖；
[0028] 圖3是本發(fā)明的雷電流測量線圈與一次導體的位置關系示意圖；
[0029] 圖4是本發(fā)明的雷電流測量線圈的整體結構示意圖；
[0030] 圖5是本發(fā)明的雷電流測量線圈的參數優(yōu)化流程圖。
【具體實施方式】
[0031] 如圖1所示，本實施例的雷電流測量線圈，包括多個并聯的量程不同的線圈，線圈 包括直線型骨架1，直線型骨架1上均勻纏繞著漆包線2構成空心單層直線式線圈，直線型 骨架1采用非鐵磁性材料制成，線圈內部設有匹配電阻，匹配電阻串入電纜首端的芯線中， 匹配電阻使用環(huán)氧樹脂澆注集成到線圈內。測量時，測量線圈具有多個量程不同的線圈，可 以提高測量線圈的準確性。如果雷電流幅值較大，則量程小的線圈截止，以量程大的線圈測 量結果為準；如果雷電流幅值較小，則以量程小的線圈測量結果為準。設計線圈的輸出電壓 為一百到幾百伏，并盡可能大。通過電纜傳輸到室內的數據采集卡進行數據的采集，并數據 采集卡及光電模塊由太陽能供電系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)的獨立性。由于電纜的傳輸需要考慮 波過程，以及采集卡的輸入電壓范圍，需要在線圈輸出電壓后增加匹配電阻及降壓模塊進 行數據采集。
[0032] 具體實施時，線圈的外部設置保護盒，保護盒垂直漆包線2方向上開槽，槽內放置 線圈屏蔽外部磁場，線圈和匹配電阻使用BNC接頭與外部的數據采集卡連接，線圈和數據 采集卡之間串聯調壓模塊，數據采集卡通過光纖模塊使用光纖傳輸信號給計算機，通過計 算機記錄并儲存雷電流發(fā)生的時間、幅值、波形等參數，數據采集卡及光纖模塊由太陽能供 電系統(tǒng)供電，保證系統(tǒng)的獨立性。
[0033] 本實施例還提供一種雷電流測量線圈的設計方法，具體是對線圈結構參數優(yōu)化， 測量線圈的結構參數有：η匝數，A線圈截面積，1線圈長度，匝距1/n，S漆包線截面積，從提 高被測信號在傳輸過程中的抗干擾性能及改善測量系統(tǒng)的動態(tài)特性角度出發(fā)，確立線圈結 構參數優(yōu)化的兩個目標：（1)端口電壓uK設計為100-1000伏（不包括1000伏），并且盡可 能大，⑵系統(tǒng)階躍波響應時間T(部分響應時間Ta )不大于被測雷電流波形波前時間的 1/10〇
[0034] 具體地，線圈設計的約束條件如下：
[0035] (1)符合內積分式線圈的積分條件。
[0036] 如圖2所示，對于測量快速變化的雷電流，采用內積分式線圈（即不需外加積分電 路），U2為線圈感應的二次電壓，L為線圈自感，Rs為線圈內阻，R為端口電阻，線圈自感L 和端口電阻R構成LR積分器，實現對二次電壓U2的積分，從而得到和一次電流i 1成比例的 電壓信號Uk。
[0037] 一次電流^在線圈兩端感應的二次電壓1!2和其自身的微分成正比，羅氏線圈相當
于一個微分環(huán)節(jié)，U2和込的關系為 其中，M為一次導體和羅氏線圈的互感。同 O
時，根據圖2所示線圈的等效電路，可以列出回路方程 其中i2為線 ， 圈感應的二次電流。
[0038] 對于內積分式線圈，為滿足L和Rs+R構成的LR積分器的積分條件，需使LR積分 器的時間常數遠大于二次電壓的上升時間，即《L>>RS+R，其中ω為二次電壓的等效角 頻率，所以確

[0039] 所以可得端口電壓 由于每次雷擊的雷電流幅值差異 〇 較大，從提高測量精度的角度考慮，對每個線圈的靈敏度進行階梯式設計，即使用多個量程 不同的線圈感應雷電流產生的磁場，如果雷電流幅值較大，則量程小的線圈截止，以量程大 的線圈測量結果為準，如果雷電流幅值較小，則以量程小的線圈測量結果為準。由于此線圈 設計測量距離相對線圈幾何尺寸較大，從簡化設計的角度考慮，可以將線圈的結構由弧形 改為直