雷电冲击响应测量系统的制作方法

本发明涉及电力系统技术领域，具体而言，涉及一种雷电冲击响应测量系统。

背景技术：

目前，雷击是危及输电线路安全可靠运行的最主要因素。国家电网公司的2005～2010年运行情况统计表明，由于雷击造成的线路跳闸数占线路总跳闸数的40.52％，高出排名第二原因的由于外力破坏引起的线路跳闸数一倍左右。随着我国特高压开始步入快速发展时期，电压等级和杆塔高度的提高以及电网规模的进一步扩大、电网结构的更加复杂化，随之而来的防雷问题更加突出，迫切需要进行深入的研究。

在影响线路防雷性能的诸多因素中，可进行设计改善的最主要因素为输电线路杆塔的冲击接地电阻。降低杆塔冲击接地电阻，对于提高线路防雷性能，保障线路的安全稳定运行，具有十分重要的意义。

目前在工程的设计和施工中，主要采取伸长接地体、在高土壤电阻率的情况下增加射线根数等措施。这些措施可降低杆塔的工频接地电阻值，但是否降低冲击接地电阻值却不得而知。实际上真正影响雷电反击概率的因素正是冲击接地电阻。杆塔接地体受冲击电流在大地散流行为特征的影响而呈现出冲击接地电阻，与稳态接地电阻之间存在较大差异，这导致了在实际工程中往往出现工频接地电阻达标，但输电线路仍频繁发生雷害事故。因此，正确的线路防雷分析应该是考虑到杆塔及接地装置实际的冲击特性。对冲击特性规律及其有效评估方法进行研究，这对电力系统安全运行具有较大的实际价值。

输电线路杆塔及接地装置实际的冲击特性研究方法有仿真计算和试验两种手段。由于冲击电流经接地装置泄流时产生的时变电场的复杂性，很难从理论上推导出比较精确的数学表达式，因此目前只能从试验研究的角度出发来揭示冲击特性。

目前的试验手段主要为模拟试验，即采用对接地装置注入小电流进行试验测量，但小电流经接地装置泄流时在土壤中很难发生火花放电，与实际工程中雷电大电流火花流经杆塔及接地装置在土壤中的放电情况不符，进而导致测量结果不准确。

技术实现要素：

鉴于此，本发明提出了一种雷电冲击响应测量系统，旨在解决目前采用模拟试验导致的测量结果不准确的问题。

一个方面，本发明提出了一种雷电冲击响应测量系统。该系统包括：冲击电流发生回路装置、第一测量装置、第二测量装置和散流装置；其中，冲击电流发生回路装置、待测杆塔与大地电串连接构成一电路回线；或冲击电流发生回路装置、待测接地装置与大地电串连接构成一电路回线，冲击电流发生回路装置用于产生冲击电流，并将冲击电流输出至待测杆塔或待测接地装置中；第一测量装置与待测杆塔或待测接地装置电连接，用于测量待测杆塔或待测接地装置冲击电流注入点处的冲击电压；第二测量装置用于测量流经待测杆塔或待测接地装置的冲击电流；散流装置用于强迫经待测杆塔或待测接地装置注入大地的冲击电流在土壤中向四周均匀散流。

进一步地，上述雷电冲击响应测量系统中，冲击电流发生回路装置包括：冲击电流发生器、发电装置、隔离变压装置和电流极；其中，发电装置通过隔离变压装置与冲击电流发生器电连接，用于为冲击电流发生器提供工作电源；冲击电流发生器的接地端和输出端分别与电流极和待测杆塔电连接；或冲击电流发生器的接地端和输出端分别与电流极和待测接地装置电连接，冲击电流发生器用于产生冲击电流，并将冲击电流输出至待测杆塔或待测接地装置；电流极插设于地面，用于汇集土壤中的冲击电流。

进一步地，上述雷电冲击响应测量系统中，第一测量装置包括：分压器、电压极和第一示波器；其中，电压极插设于地面，并与分压器的接地端电连接，用于为分压器提供零电位；分压器的输入端与待测杆塔或待测接地装置电连接，用于接收待测杆塔或待测接地装置的冲击电压信号，并按第一预设分压比例将冲击电压信号降低为可供第一示波器允许接收的电压信号，以及通过输出端将该电压信号输出至第一示波器；第一示波器的输入端与分压器的输出端电连接，用于接收并显示待测杆塔或待测接地装置的冲击电压波形。

进一步地，上述雷电冲击响应测量系统中，第二测量装置包括：线圈和第二示波器；其中，线圈套设于电流极与冲击电流器接地端的电连接线上，并与电连接线保持预设电气绝缘，用于测量待测杆塔或待测接地装置的冲击电流；第二示波器的输入端与线圈电连接，用于接收待测杆塔或待测接地装置的冲击电流并显示该冲击电流的波形。

进一步地，上述雷电冲击响应测量系统中，冲击电流发生器的输出端与待测杆塔电连接，并将产生的冲击电流输出至待测杆塔中，待测杆塔电连接有待测接地装置；第一测量装置与待测杆塔电连接，用于测量待测杆塔和待测接地装置冲击电流注入点处的冲击电压；第二测量装置用于测量待测杆塔和待测接地装置的冲击电流；散流装置用于强迫经待测杆塔和待测接地装置注入大地的冲击电流在土壤中向四周散流。

进一步地，上述雷电冲击响应测量系统中，分压器的输入端与待测杆塔电连接，用于接收待测杆塔和待测接地装置的冲击电压信号，并按第二预设分压比例将待测杆塔或待测接地装置的冲击电压信号降低为可供第一示波器允许接收的电压信号，以及通过输出端将该电压信号输出至第一示波器；第一示波器用于接收并显示待测杆塔和待测接地装置的冲击电压波形。

进一步地，上述雷电冲击响应测量系统中，线圈用于测量待测杆塔和待测接地装置的冲击电流，第二示波器用于接收待测杆塔和待测接地装置的冲击电流并显示该冲击电流的波形。

进一步地，上述雷电冲击响应测量系统中，散流装置包括：多个回流电极和铜环；其中，铜环环设于待测杆塔周围，各回流电极的第一端均与铜环相连接，各回流电极的第二端均插设于地面。

进一步地，上述雷电冲击响应测量系统，还包括：第一绝缘装置，冲击电流发生器、发电装置、隔离变压装置与地面之间均设置有第一绝缘装置。

进一步地，上述雷电冲击响应测量系统，还包括：第一供电装置，与第一测量装置和第二测量装置均电连接，用于对第一测量装置和第二测量装置供电。

进一步地，上述雷电冲击响应测量系统中，第一供电装置包括：第一蓄电池和第一逆变器；其中，第一蓄电池与第一逆变器的输入端电连接，第一逆变器的输出端与第一测量装置和第二测量装置均电连接。

进一步地，上述雷电冲击响应测量系统，还包括：还包括：控制装置，用于控制冲击电流发生器的充电过程和放电过程。

进一步地，上述雷电冲击响应测量系统，还包括：还包括：第二供电装置，与控制装置电连接，用于对控制装置供电。

进一步地，上述雷电冲击响应测量系统中，第二供电装置包括：第二蓄电池和第二逆变器；其中，第二蓄电池与第二逆变器的输入端电连接，第二逆变器的输出端与控制装置电连接。

进一步地，上述雷电冲击响应测量系统，还包括：第二绝缘装置，控制装置、第一测量装置和第二测量装置与地面之间均设置有第二绝缘装置。

本发明中，通过冲击电流发生装置对待测杆塔或待测接地装置注入数千安甚至数十千安的大冲击电流，流散装置强迫经待测杆塔或待测接地装置注入大地的冲击电流在土壤中均匀向四周散流，以真实模拟自然界中雷电流在土壤中的散流情况，使得测量结果更加准确；第一测量装置测量待测杆塔或待测接地装置的冲击电压，第二测量装置测量待测杆塔或待测接地装置的冲击电流，实现了对待测杆塔或待测接地装置进行冲击响应的现场实测，可以检验降阻措施对待测杆塔冲击接地电阻的实际影响。此外，结合待测杆塔工频电阻的测量结果，可以分析提出待测杆塔的冲击系数，为降低待测杆塔冲击接地电阻的工程设计和施工提供了可靠依据。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例提供的雷电冲击响应测量系统的结构示意图；

图2本发发明实施例提供的雷电冲击响应测量系统中，待测杆塔的冲击电压波形示意图；

图3为本发明实施例提供的雷电冲击响应测量系统中，待测接地装置的冲击电压波形示意图；

图4为本发明实施例提供的雷电冲击响应测量系统中，待测杆塔的冲击电流波形示意图；

图5为本发明实施例提供的雷电冲击响应测量系统中，待测接地装置的冲击电流波形示意图；

图6为本发明实施例提供的雷电冲击响应测量系统中，待测杆塔与待测接地装置的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的雷电冲击响应测量系统中，待测杆塔与待测接地装置的冲击电压波形示意图；

图8为本发明实施例提供的雷电冲击响应测量系统中，待测杆塔与待测接地装置的冲击电流波形示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

参见图1，图中示出了本实施例提供的雷电冲击响应测量系统的优选结构。如图所示，该系统包括：冲击电流发生回路装置1、第一测量装置2、第二测量装置3和散流装置4。

其中，冲击电流发生回路装置1、待测待测杆塔5与大地电串连接构成一电路回线，或者，冲击电流发生回路装置1、待测接地装置6与大地电串连接构成一电路回线。冲击电流发生回路装置1可以产生冲击电流并将该冲击电流输出至待测杆塔5或待测接地装置6中。具体实施时，冲击电流发生回路装置1为可以移动式。为便于运输，可以以集装箱为底座，将冲击电流发生回路装置1安装于集装箱。冲击电流发生回路装置1的标称电压可以为±1200kv，额定能量可以为360kj，可模拟输出电流波形为8μs/20μs的雷电波，当负载电阻为30ω时可输出冲击电流最大幅值为40ka。第一测量装置2与待测杆塔5或待测接地装置6电连接，进而测得待测杆塔5或待测接地装置6的冲击电流注入点处冲击电压，第二测量装置3测得待测杆塔5或待测接地装置6的冲击电流。

测量之前，首先要进行输电线路杆塔测量点的现场调研，要求测量点交通便利，载有该测量系统集装箱的货车可直达待测杆塔5下，且待测杆塔5处于开阔地带，以便于该测量系统的装卸和布置。其次，需要现场实测测量点处的土壤电阻率，待测杆塔5的接地电阻(不连接待测接地装置6)、待测杆塔5连接待测接地装置6的总接地电阻、待测接地装置6的接地电阻。再次，制定该测量系统的现场布置方案，按照布置方案，吊车分别将冲击电流发生回路装置1、第一测量装置2、第二测量装置3等设备安置在相应位置，并进行散流装置4的布置。将各个设备连接好之后，即可进行测量。

本实施例中，通过冲击电流发生装置1对待测杆塔5或待测接地装置6注入数千安甚至数十千安的大冲击电流，流散装置强迫经待测杆塔5或待测接地装置6注入大地的冲击电流在土壤中均匀向四周散流，以真实模拟自然界中雷电流在土壤中的散流情况，使得测量结果更加准确；第一测量装置2测量待测杆塔5或待测接地装置6的冲击电压，第二测量装置3测量待测杆塔5或待测接地装置6的冲击电流，实现了对待测杆塔5或待测接地装置6进行冲击响应的现场实测，可以检验降阻措施对待测杆塔5冲击接地电阻的实际影响。此外，结合待测杆塔5工频电阻的测量结果，可以分析提出待测杆塔5的冲击系数，为降低待测杆塔5冲击接地电阻的工程设计和施工提供了可靠依据。

上述实施例中，冲击电流发生回路装置1可以包括：冲击电流发生器11、发电装置12、隔离变压装置13和电流极14。其中，隔离变压装置13的输入端131可以与发电装置12电连接，隔离变压装置13的输出端132可以与冲击电流发生装置器11电连接，即发电装置12通过隔离变压装置13与冲击电流发生装置器11电连接。隔离变压装置13可以防止冲击电流试验中，冲击电流发生装置器11上可能出现的过电压反击到发电装置12。具体实施时，隔离变压装置13可以为1:1的隔离变压装置13。发电装置12可以为冲击电流发生器11提供工作电源。当测量待测杆塔5的冲击电压和冲击电流时，冲击电流发生器11的接地端和高压输出端分别与电流极14和电连接待测杆塔5电连接；当测量待测接地装置6的冲击电压和冲击电流时，冲击电流发生器11的接地端和高压输出端分别与电流极14和电连接待测接地装置6电连接。电流极14可以插设于地面，以汇集土壤中的冲击电流。具体实施时，冲击电流发生器11可以为h形组合结构，双边对称充电，一级可以有两个电容器，一边一个电容器。主电容器可以采用干式绝缘结构，例如mwf100-3.6型电容器。各电容器组成的电容塔模块的结构可以优化设计，以便控制冲击电流发生装置器11的重量。具体实施时，为了解决在户外冲击电流发生装置器11的供电问题，发电装置12可以为大功率柴油发电机，经现场测试，柴油发电机的功率至少应为30kw。具体实施时，冲击电流发生装置器11可以由多级组成，例如由6级组成，冲击电流发生器11的位于下面的3级可以放在同一个集装箱内，冲击电流发生器11的位于上面的3级可以灵活吊装在下面的3级之上。所有部件都固定在集装箱内，以确保运输时不会发生移位。集装箱下可以设置有绝缘支腿，以使集装箱与地面保持一定的距离，例如保持300mm的距离，进而避免与地面发生闪络击穿。冲击电流发生器11的充电装置可以采用双边对称式充电方式，充电过程中可以采用可控硅调压装置自动恒流调节充电。充电完毕后，点火放电瞬间充电装置电源自动关断，从而保护充电装置和可控硅调压装置的安全。

上述实施例中，第一测量装置2可以包括：分压器21、电压极22和第一示波器23。其中，电压极22可以插设于地面，并与分压器21的接地端电连接，进而为分压器21提供零电位。分压器21的输入端211可以与待测杆塔5或待测接地装置6电连接，而分压器21的输出端212可以第一示波器23电连接，分压器21可以接收待测杆塔5或待测接地装置6的冲击电压信号，并按第一预设分压比例将待测杆塔5或待测接地装置6的冲击电压信号降低为可供第一示波器23允许接收的电压信号，然后再通过输出端212将该电压信号输出至第一示波器23。具体实施时，分压器21可以为弱阻尼电容分压器21，标称电压可以为±1000kv，分压比可以为1000/1。为便于运输，分压器21可以由二节mwf500-800型脉冲电容器串接组成，阻尼电阻采用多段分布式，电容器可以为无感结构，低压臂可以由无感独石电容并接组成。分压器21可以为可移动式结构，顶部装有均压罩。弱阻尼电容分压器21的方波响应特性满足gb/t311.1及gb/t16927的标准要求。第一示波器23的输入端231可以与分压器21的输出端212通过测量电缆连接，以接收并显示待测杆塔5或待测接地装置6的冲击电压波形，待测杆塔5的该冲击电压波形图可以参见图2，待测接地装置6的该冲击电压波形图可以参见图3。具体实施时，第一示波器23可以为美国进口tds系列数字示波器，第一示波器23内嵌有专用测量软件包，具有波形显示、分析、成图和打印等功能。第一示波器23可以按照高压试验的习惯设定测量参数，自动计算各个波形数据，所采用的计算方法完全符合gb/t16896.1-1997及iec1083标准的要求。第一示波器23采用隔离滤波电源和屏蔽结构，具有很强的抗干扰能力，使之在高电压和强磁场的环境中能可靠、稳定的工作。第一示波器23可以连接有打印机，以实时对显示的冲击电压波形进行打印，需要注意的是，该打印机需要对地绝缘。

需要说明的是，第一预设分压比例可以根据实际需要而确定，本实施例对其不做任何限定。

本实施例中，通过分压器21、电压极22和第一示波器23可以完成对待测杆塔5或待测接地装置6的冲击电压的测量，结构简单，易于实现。此外，通过第一示波器23可以更加直观的看出待测杆塔5或待测接地装置6的冲击电压的波形。

上述实施例中，第二测量装置3可以包括：线圈31和第二示波器32。其中，线圈31可以套设于电流极14与冲击电流发生装器11的电连接线上，并与电连接线保持预设电气绝缘，以测量待测杆塔5或待测接地装置6的冲击电流。具体实施时，线圈31可以为皮尔森1330，可量测的最大电流峰值可以为100ka，频响范围可以为0.9hz～1.5mhz。第二示波器32的输入端321可以与线圈31通过测量电缆连接，以接收待测杆塔5或待测接地装置6的冲击电流并显示该冲击电流的波形，待测杆塔5的该冲击电流波形图可以参见图4，待测接地装置6的该冲击电流波形图可以参见图5。具体实施时，第二示波器32的可以与第一示波器23相同，第二示波器32也可以连接有打印机，以实时对显示的冲击电流波形进行打印，需要注意的是，该打印机也需要对地绝缘。第二示波器32和第一示波器23还可以与计算机电连接，运行参数及测量结果可以以数字量形式在计算机界面上进行实时显示。

需要说明的是，预设电气绝缘可以根据实际需要而确定，本实施例对其不做任何限定。

本实施例中，通过线圈31和第二示波器32可以完成对待测杆塔5或待测接地装置6的冲击电流的测量，结构简单，易于实现。此外，通过第二示波器32可以更加直观的看出待测杆塔5或待测接地装置6的冲击电流的波形。

参见图6，本领域技术人员应该知道，待测杆塔5通常电连接有待测接地装置6，将待测杆塔5与待测接地装置6之间的连接线8拆除，就可以实现冲击电流发生器11将其所产生的冲击电流单独输出至待测杆塔5或单独输出至待测接地装置6。当待测杆塔5与待测接地装置6电连接时，冲击电流发生器11产生的冲击电流输出至待测杆塔5，进而输出至与待测杆塔5电连接的待测接地装置6中，第一测量装置2则测量待测杆塔5和待测接地装置6的冲击电压，第二测量装置3则测量待测杆塔5和待测接地装置6的冲击电流。散流装置4则可以强迫经待测杆塔5和待测接地装置6注入大地的冲击电流在土壤中均匀向四周散流。

分压器21的输入端211只与待测杆塔5电连接即可，由于待测杆塔5电连接有待测接地装置6，所以分压器21可以接收待测杆塔5和待测接地装置6的冲击电压信号，并按第二预设分压比例将待测杆塔5和待测接地装置6的冲击电压信号降低为可供第一示波器23允许接收的电压信号，以及通过输出端212将该电压信号输出至所述第一示波器23，第一示波器23可以接收并显示待测杆塔5和待测接地装置6的冲击电压波形，该冲击电压波形图可以参见图7。

线圈32则可以测量待测杆塔5和待测接地装置6的冲击电流，第二示波器33可以接收待测杆塔5和待测接地装置6的冲击电流并显示该冲击电流的波形，该冲击电流波形图可以参见图8。

本实施例中，当待测杆塔5与待测接地装置6之间的连接线8拆除时，可以实现单独对待测杆塔5的冲击电压或冲击电流的测量，也可以实现单独对待测接地装置6的冲击电压或冲击电流的测量；当待测杆塔5电连接有待测接地装置6，可以实现对待测杆塔5和待测接地装置6的冲击电压的测量，也可以实现对待测杆塔5和待测接地装置6的冲击电流的测量。

上述实施例中，还可以包括：多个回流电极41和铜环42。其中，铜环42可以环设于待测杆塔5周围的土壤中，各回流电极41的第一端(图1所示的上端)均可以与铜环42相连接，各回流电极41的第二端(图1所示的下端)均可以插设于地面。铜环42和各回流电极41可以强迫经待测杆塔5和/或待测接地装置6注入地中的电流向四周均匀散流，从而实现近似模拟实际雷电流在地中的流散，更符合实际情况。

上述实施例中，还可以包括：第一绝缘装置7，冲击电流发生器11、发电装置12、隔离变压装置13与地面之间均可以设置有第一绝缘装置7，以避免注入地面的大电流经地面反击到冲击电流发生器11、发电装置12和上隔离变压装置13。

上述各实施例中，还可以包括：控制装置(图中未示出)，通过控制装置可以完成所有设定、运行、测量等参数，即可设定冲击电流发生装置器11的直流充电电压、充电时间、放电球距、触发方式和极性自动换接等，并监控和测量其运行状态。具体实施时，控制装置可以通过光纤与冲击电流发生器11控制器电连接。控制装置可以为触摸屏可编程序控制器(plc)，运用工控专业软件编程，设计成便于操作的控制工作界面。控制装置具有如下功能：

1.)可以自动控制冲击电压发生装置本体的充电过程，可根据试验要求调节充电电压和时间；

2.)使充电电压自动稳定在预先设定的充电电压值上；

3.)能够手动、自动或报警触发冲击电流发生装置器11点火；

4.)具有手动调节球距或进行放电球隙自动跟踪的功能；

5.)具有充电保护、电源相序保护、过电流和过电压自动保护等功能；

6.)具有正负极性自动转换、自动接地等功能；

7.)具有完善的警灯、警铃等试验区的报警控制接口。

由于发电装置12产生的电力仅仅对冲击电流发生器11供电，而不能对第一测量装置2、第二测量装置3和控制装置等设备仪器供电，否则过电压反窜会造成设备仪器的损坏，甚至威胁人身安全。所以，上述各实施例中，还可以包括：第一供电装置(图中未示出)和第二供电装置(图中未示出)。第一供电装置可以分别与第一测量装置2和第二测量装置3电连接，以对第一测量装置2和第二测量装置3供电。第二测量装置可以与控制装置电连接，以对控制装置供电。当使用打印机时，第一供电装置或第二供电装置也可以对打印机供电。

上述实施例中，第一供电装置可以包括：第一蓄电池(图中未示出)和第一逆变器(图中未示出)。其中，第一蓄电池可以与第一逆变器的输入端电连接，第一逆变器的输出端可以与第一测量装置2和第二测量装置3均电连接。第一逆变器是可以将第一蓄电池输出的直流电源转变成仪器可工作的交流电电源。

第二供电装置可以包括：第二蓄电池(图中未示出)和第二逆变器(图中未示出)。其中，第二蓄电池可以与第二逆变器的输入端电连接，第二逆变器的输出端可以与控制装置电连接。

上述实施例中，还可以包括：第二绝缘装置(图中未示出)，控制装置、第一测量装置2、第二测量装置3与地面之间均可以设置有第二绝缘装置，以实现上述仪器的对地绝缘。

综上，本实施例中，通过冲击电流发生装置对待测杆塔或待测接地装置注入数千安甚至数十千安的大冲击电流，流散装置强迫经待测杆塔或待测接地装置注入大地的冲击电流在土壤中均匀向四周散流，以真实模拟自然界中雷电流在土壤中的散流情况，使得测量结果更加准确；第一测量装置测量待测杆塔或待测接地装置的冲击电压，第二测量装置测量待测杆塔或待测接地装置的冲击电流，实现了对待测杆塔或待测接地装置进行冲击响应的现场实测，可以检验降阻措施对待测杆塔冲击接地电阻的实际影响。此外，结合待测杆塔工频电阻的测量结果，可以分析提出待测杆塔的冲击系数，为降低待测杆塔冲击接地电阻的工程设计和施工提供了可靠依据。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。