一种雷电流测量线圈及设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及了一种雷电流测量装置，具体涉及一种测量雷电流的线圈及其设计方 法。
【背景技术】
[0002] 雷电是一种能产生大电流、高电压的自然现象，雷电事故会对人们的生产生活造 成巨大危害。而雷电流测量对研宄雷电特性及研宄相应的雷电防护措施有着重要的意义。 目前常用的针对雷电流测量方法主要包括磁钢棒法、磁带法和罗氏线圈测量法三种。磁钢 棒法利用雷电流产生的强磁场使钢棒磁化，由于磁钢棒有较强的磁骄顽特性，雷电流通过 之后会残留较大的剩磁，通过检测剩磁的大小即可得知雷电流的大小，磁钢棒一般放置于 避雷针处进行测量。磁带法主要采用高灵敏度的磁带预录基准信号，安装在避雷针等载流 体附近，雷电流产生的磁场及磁带上的感应电流会改变磁带上的磁筹，抹掉基准信号。且抹 去部分的长度与幅值大小呈现比例关系，从而可以测量出雷电流幅值。罗氏线圈测量是利 用电磁感应原理，使用罗氏线圈作为电流互感器，将罗氏线圈环绕在测针上，通过电缆、光 纤或无线通讯等手段将信号传输到计算机上进行分析处理。
[0003] 磁钢棒法由于磁钢棒的原料配方及生产工艺具有分散性，其检测方法受环境因素 的影响较大，可能会，剩磁的检测方法对结果偏差影响较大，在磁钢棒的运输过程中也可能 会倒是磁性减弱。所以磁钢棒发的测试灵敏度较低，误差较大，通常误差可达10% -30%。
[0004] 磁带法不能实时测量雷电流数据，且在测量过程中需要预制大量磁带，需要的磁 带数较多，处理操作不便，不能满足雷电流测量现场快速简单的操作需求，不利于广泛开展 雷电流参数及特性的实时测量。
[0005] 罗氏线圈法量程固定，对超过量程的雷电流会产生截止效应，固定安装于避雷针 上，且由于固定物遭受雷击的概率较小，所以测量周期较长。
【发明内容】
[0006] 本申请的发明目的在于解决目前的雷电流测量设备存在的上述技术问题，而提供 一种测量全面，准确性高，测量周期短且应用简便的雷电流测量线圈及其设计方法。
[0007] 为了完成本申请的发明目的，本申请采用以下技术方案：
[0008] 本发明的雷电流测量线圈，包括多个并联的量程不同的线圈，所述线圈包括直线 型骨架，所述直线型骨架上均匀缠绕着漆包线构成空心单层直线式线圈，所述线圈内部设 有匹配电阻，所述匹配电阻使用环氧树脂浇注集成到所述线圈内，所述匹配电阻串入线圈 电缆首端的芯线中。
[0009] 本发明所述测量线圈的外部设置保护盒，所述保护盒垂直漆包线方向上开槽，槽 内放置所述线圈屏蔽外部磁场。
[0010] 本发明所述直线型骨架采用非铁磁性材料制成，所述测量线圈和匹配电阻使用 BNC接头与外部的数据采集卡连接。
[0011] 本发明所述线圈和数据采集卡之间串联调压模块，所述数据采集卡通过光纤模块 使用光纤传输信号给计算机。
[0012] 本发明还提供一种雷电流测量线圈的设计方法，用于设计上述的雷电流测量线 圈，所述线圈设计的约束条件如下：
[0013] (1)符合内积分式线圈的积分条件；
[0014] (2)符合同轴电缆首端匹配条件R+Rm = Z及转换特性的一致条件R〈〈Rm，其中端 口电阻为R，匹配电阻为Rm，在加压之初，电缆相当于一个波阻抗Z。
[0015] 本发明测量线圈的结构参数有：η匝数，A线圈截面积，1线圈长度，匝距1/n，S漆 包线截面积，线圈端口电压和匝距成正比，根据所述约束条件进行线圈结构参数设计，线圈 的结构参数设计方法如下：
[0016] (1)确定端口电压uK取值；
[0017] (2)根据端口电压uK确定匝距l/η ;
[0018] (3)选取匝数η;
[0019] (4)根据匝距l/η和匝数η可确定1 ;
[0020] (5)根据约束条件（1)，确定A ;
[0021] (6)根据确定的线圈结构参数对系统的动态特性进行校核
[0022] 本发明的雷电流测量线圈与现有技术相比区别在于：1)通过多组线圈测量雷电 流，可以减小测量数据的分散性，得到的雷电流幅值参数更为准确，并使用多个不同量程线 圈并联，进一步提高了测量线圈的测量精度，相较于现有的磁钢棒法、磁带法及罗氏线圈法 测量的雷电流幅值更为可靠。
[0023] 2)有完整的线圈理论分析及电气参数分析，并通过电气参数分析选定合适的线圈 结构参数，整体测量线圈的设计过程及应用过程较为简便。
[0024] 3)测量时测量线圈不用设在雷电流载体上，由于雷电流通常有较大幅值，测量线 圈在测量时距离雷电流载流体距离相对较远，保证了测量系统的安全性。
[0025] 4)考虑匹配电阻的特性，将线圈与匹配电阻进行封装，使测量线圈在测量过程中 使用更加简便。
【附图说明】
[0026] 图1是本发明的线圈的结构示意图；
[0027] 图2是本发明的内积分式线圈等效电路图；
[0028] 图3是本发明的雷电流测量线圈与一次导体的位置关系示意图；
[0029] 图4是本发明的雷电流测量线圈的整体结构示意图；
[0030] 图5是本发明的雷电流测量线圈的参数优化流程图。
【具体实施方式】
[0031] 如图1所示，本实施例的雷电流测量线圈，包括多个并联的量程不同的线圈，线圈 包括直线型骨架1，直线型骨架1上均匀缠绕着漆包线2构成空心单层直线式线圈，直线型 骨架1采用非铁磁性材料制成，线圈内部设有匹配电阻，匹配电阻串入电缆首端的芯线中， 匹配电阻使用环氧树脂浇注集成到线圈内。测量时，测量线圈具有多个量程不同的线圈，可 以提高测量线圈的准确性。如果雷电流幅值较大，则量程小的线圈截止，以量程大的线圈测 量结果为准；如果雷电流幅值较小，则以量程小的线圈测量结果为准。设计线圈的输出电压 为一百到几百伏，并尽可能大。通过电缆传输到室内的数据采集卡进行数据的采集，并数据 采集卡及光电模块由太阳能供电系统供电，保证系统的独立性。由于电缆的传输需要考虑 波过程，以及采集卡的输入电压范围，需要在线圈输出电压后增加匹配电阻及降压模块进 行数据采集。
[0032] 具体实施时，线圈的外部设置保护盒，保护盒垂直漆包线2方向上开槽，槽内放置 线圈屏蔽外部磁场，线圈和匹配电阻使用BNC接头与外部的数据采集卡连接，线圈和数据 采集卡之间串联调压模块，数据采集卡通过光纤模块使用光纤传输信号给计算机，通过计 算机记录并储存雷电流发生的时间、幅值、波形等参数，数据采集卡及光纤模块由太阳能供 电系统供电，保证系统的独立性。
[0033] 本实施例还提供一种雷电流测量线圈的设计方法，具体是对线圈结构参数优化， 测量线圈的结构参数有：η匝数，A线圈截面积，1线圈长度，匝距1/n，S漆包线截面积，从提 高被测信号在传输过程中的抗干扰性能及改善测量系统的动态特性角度出发，确立线圈结 构参数优化的两个目标：（1)端口电压uK设计为100-1000伏（不包括1000伏），并且尽可 能大，⑵系统阶跃波响应时间T(部分响应时间Ta )不大于被测雷电流波形波前时间的 1/10〇
[0034] 具体地，线圈设计的约束条件如下：
[0035] (1)符合内积分式线圈的积分条件。
[0036] 如图2所示，对于测量快速变化的雷电流，采用内积分式线圈（即不需外加积分电 路），U2为线圈感应的二次电压，L为线圈自感，Rs为线圈内阻，R为端口电阻，线圈自感L 和端口电阻R构成LR积分器，实现对二次电压U2的积分，从而得到和一次电流i 1成比例的 电压信号Uk。
[0037] 一次电流^在线圈两端感应的二次电压1!2和其自身的微分成正比，罗氏线圈相当
于一个微分环节，U2和込的关系为 其中，M为一次导体和罗氏线圈的互感。同 O
时，根据图2所示线圈的等效电路，可以列出回路方程 其中i2为线 ， 圈感应的二次电流。
[0038] 对于内积分式线圈，为满足L和Rs+R构成的LR积分器的积分条件，需使LR积分 器的时间常数远大于二次电压的上升时间，即《L>>RS+R，其中ω为二次电压的等效角 频率，所以确
[0039] 所以可得端口电压 由于每次雷击的雷电流幅值差异 〇 较大，从提高测量精度的角度考虑，对每个线圈的灵敏度进行阶梯式设计，即使用多个量程 不同的线圈感应雷电流产生的磁场，如果雷电流幅值较大，则量程小的线圈截止，以量程大 的线圈测量结果为准，如果雷电流幅值较小，则以量程小的线圈测量结果为准。由于此线圈 设计测量距离相对线圈几何尺寸较大，从简化设计的角度考虑，可以将线圈的结构由弧形 改为直