专利名称：一种架空输电线路雷电流和雷电压波形参数在线监测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及到雷电信息测量领域，特别涉及架空输电线路雷电流和雷电压波形参 数的在线监测。
背景技术：
在我国雷害仍然是影响电力系统安全运行的最主要因素，雷击引起的高压线路跳 闸占线路总跳闸次数的70%左右。因此，雷电参数的监测与雷电物理过程的认识对电力、 通信等防雷设计具有非常重要的实际应用价值。目前监测雷电流参数的方法主要有以下几 种1)磁钢棒法是测量雷电流的传统方法，但磁钢棒法有一个极大的缺陷，就是遇 到闪电有两次极性相反的闪击时，它们对磁钢的作用相互抵消，所以磁钢棒法的剩磁并不 能表示出两次闪击中任何一次的闪电电流峰值。而且磁钢棒测试灵敏度低，测量误差较大， 误差常达10% 30%。2)雷电定位系统(LLS) 70年代中期，随着微电子技术的发展及雷电回击场理论 的研究取得可喜成就，雷电遥测技术得到迅速发展。由美国M. A. UmaruEP. Krider等人研制 的精确定位的雷电定位系统(LLS)已成功地应用于肯尼迪宇航中心，并随后逐渐在世界各 地推广应用。可对雷电进行定位也可记录雷电参数，但成本也是很高的。1992年起，中科院 空间中心开始对GPS的新时差系统进行研究，成功研制了 “ADTD雷电监测定位系统”，并于 2000年在深圳市、福建省、江西省、湖南省和青海省等地做小规模试验，取得圆满成功。在使 用中也发现了一些问题，如设备复杂、前期投资很大而不利于普及，定位系统本身存在一定 误差与探测死区，地形因素对探测站的干扰很大，计算数据有误差等。3)磁带法美国的Crouch博士采用高灵敏度的记录磁带确定被测雷电流幅值大 小的方法，国内的张元芳教授等据此研制了磁带式雷电流记录仪，但这种方法测量得到的 只是雷电流的幅值，对于全面研究雷击输电线路的机理及其影响因素是远远不够的。
发明内容
本发明提供一种架空输电线路雷电流和雷电压波形参数在线监测装置，可用于直 接监测输电线路上的雷电流和雷电压的波形参数，为输电线路上的雷电定位及反演计算雷 击点的雷电流和雷电压波形参数提供原始数据，因此对雷电信息的统计及防雷设计具有重 要意义。本发明的技术方案是这样实现的取电线圈连接到电压调理及储能模块，电压调理及储能模块再分别连接到信号采 集和处理模块和GPRS模块；电压传感器和电流传感器分别连接到信号采集和处理模块；信 号采集和处理模块连接到GPRS模块，GPRS模块的天线安装在电压传感器外侧。电压传感器包括上电极、聚亚酰胺薄膜和下电极，下电极固定在上电极下侧，两电 极间夹入聚亚酰胺薄膜。
电压调理及储能模块包括保护整流滤波电路、DC/DC变换器、掉电保护电容和锂离 子蓄电池，保护整流滤波电路连接DC/DC变换器，DC/DC变换器分别连接掉电保护电容和锂 离子蓄电池。本发明安装在架空输电线路的导线上或分裂导线的子导线上，通过钳口式罗果夫 斯基线圈电流传感器和电容耦合式电压传感器分别采集该导线上的雷电流和雷电压信号， 用两路同轴电缆将雷电流和雷电压两路信号输入至信号采集和处理模块，然后经串口送到 GPRS模块，最终发送到GPRS网络。信号采集和处理模块和GPRS模块的在线供电方式是基 于钳口式罗果夫斯基取电线圈的直接供电和锂离子蓄电池供电相结合的方式。在系统正常 运行时，取电线圈的感应电压经过整流滤波电压变换后通过掉电保护电容直接供电，并给 锂离子蓄电池充满电；当导线上有雷电流时或系统断电时，迅速切换为由锂离子蓄电池供 电，转换瞬间掉电保护电容防止瞬间掉电数据丢失。
图1本发明的安装及结构示意图；图2钳口式罗果夫斯基线圈外壳结构示意图；图3FPGA控制的信号采集和处理框图；图4在线供电系统示意图；下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施例方式参照图1所示，电压传感器1上下两半壳钳挂在架空输电线路的导线上或分裂导 线的子导线上，一端与导线紧密固定电气接触，形成等电位，另一端通过绝缘件4与导线固 定并绝缘隔离。电压传感器1是电容耦合式电压传感器，符合电容分压器原理。电压传感 器1采用铝材，包括上电极8、聚亚酰胺薄膜9、和下电极10，下电极10通过绝缘螺钉11固 定在上电极8下侧，两电极间夹入聚亚酰胺薄膜9，构成高压臂电容；下电极10与大地及周 围接地体之间的杂散电容构成低压臂电容。带法兰的BNC 12用螺丝固定在上电极8上侧， 用螺丝和短导线将下电极10与带法兰的BNC 12线芯连接。用同轴电缆连接带法兰的BNC 12与信号采集和处理模块5，将高压臂电容的端电压作为采样输入信号。上电极8兼有整 个系统电磁屏蔽的作用。参照图2所示，电流传感器2采用自积分钳口式罗果夫斯基线圈，应用电磁感应原 理，将高幅值的雷电流转变成低幅值的电压信号。外屏蔽铝壳13的两个对称半壳接缝处是 合页14，通过开口处的扣锁17形成闭环，内侧是鞍式绝缘扣环15，可避免外屏蔽铝壳13形 成环流抵消磁场。线圈采用长方形截面的尼龙骨架，两个半环形骨架上缠绕聚酯漆包铜圆 线后分别通过玻璃胶固封在外屏蔽铝壳13的两个对称半壳内，利用外屏蔽铝壳13对接相 合成一个对称圆环，信号由BNC 16引出。骨架尺寸外径18cm、内径12cm、厚度3cm，漆包铜 线线径0. 8mm,共6700匝，采样电阻是0. 5 Ω。灵敏度是0. 17V/kA，带宽是IOOHz 5MHz， 可以测量雷电流幅值5kA 200kA。参照图3，电压传感器1和电流传感器2输出的雷电流和雷电压信号两路信号分别 通过同轴电缆经过信号采集和处理模块6，然后经过串口送入GPRS模块7传输发送。信号
4采集和处理模块6的核心部分是电压跟随器18、差分放大器19、A/D转换器20、FPGA 21。 FPGA 21内部通过编程设定RAM 22、数字比较器23、锁相环24、FIFO 25、串口发射模块26 五个功能单元，其中锁相环24为系统提供25MHz的差分信号，A/D转换器20输出数据存储 到RAM 22中，并且高四位数据输入数字比较器23，当数据大于数字比较器中预设的触发电 平时，触发RAM 22和FIFO 25通道，数据存入FIFO 25中，并通过串口发射模块26输入到 GPRS模块7发射。参照图4所示，在线供电系统包括取电线圈27和电压调理及储能模块5。取电线 圈27为钳口式罗果夫斯基线圈，外屏蔽壳结构图参照图2。取电线圈输出端的感应电压通 过同轴电缆连接到保护整流滤波电路28，感应交流电压变成直流电压，再经过DC/DC变换 器29变换后直流电压分别连接到掉电保护电容30和锂离子蓄电池31。在系统正常运行 时，通过掉电保护电容30直接给信号采集和处理模块6和GPRS模块7供电，并给锂离子蓄 电池31充满电；当导线上有雷电流时，保护整流滤波电路28将电压调理及储能模块5短 路，转换成锂离子蓄电池31供电，转换瞬间掉电保护电容30防止瞬间掉电数据丢失；当线 路断电时，也转换成锂离子蓄电池31供电，转换瞬间掉电保护电容30防止瞬间掉电数据丢 失。电压传感器1上下两半壳钳挂在架空输电线路的导线上或分裂导线的子导线上， 一端与导线紧密固定电气接触，形成等电位，另一端通过绝缘件4与导线固定并绝缘隔离。 通过电压传感器1和电流传感器2分别监测输电线路上的雷电流和雷电压信号，两路信号 经过信号采集和处理模块6处理后，由GPRS模块7发送到GPRS网络。在系统正常运行时， 取电线圈27的感应电压经过保护整流滤波和电压变换后通过掉电保护电容30直接给信号 采集和处理模块6和GPRS模块7供电，并给锂离子蓄电池31充满电；当导线上有雷电流时 或系统断电时，切换由锂离子蓄电池31供电，转换瞬间掉电保护电容30防止瞬间掉电数据 丢失。
权利要求
一种架空输电线路雷电流和雷电压波形参数在线监测装置，它包括电压传感器(1)、电流传感器(2)、取电线圈(3)、电压调理及储能模块(5)、信号采集和处理模块(6)、GPRS模块(7)，其特征在于取电线圈(3)连接到电压调理及储能模块(5)，电压调理及储能模块(5)再分别连接到信号采集和处理模块(6)和GPRS模块(7)；电压传感器(1)和电流传感器(2)分别连接到信号采集和处理模块(6)；信号采集和处理模块(6)连接到GPRS模块(7)，GPRS模块(7)的天线安装在电压传感器(1)外侧。
2.根据权利要求书1所述的一种架空输电线路雷电流和雷电压波形参数在线监测装 置，其特征在于电压传感器(1)包括上电极(8)、聚亚酰胺薄膜(9)和下电极(10)，下电极 (10)固定在上电极(8)下侧，两电极间夹入聚亚酰胺薄膜(9)。
3.根据权利要求书1所述的一种架空输电线路雷电流和雷电压波形参数在线监测 装置，其特征在于电压调理及储能模块(5)包括保护整流滤波电路(28)、DC/DC变换器 (29)、掉电保护电容(30)和锂离子蓄电池(31)，保护整流滤波电路(28)连接DC/DC变换器 (29)，DC/DC变换器(29)分别连接掉电保护电容(30)和锂离子蓄电池(31)。
全文摘要
本发明公开了一种架空输电线路雷电流和雷电压波形参数在线监测装置，涉及到雷电信息测量及防雷设计领域。本监测系统直接安装在架空输电线路单相导线或分裂导线的子导线上，电压传感器和电流传感器分别监测雷电流和雷电压信号，两路信号经过信号采集和处理模块后，由GPRS模块发送到GPRS网络。在系统正常运行时，取电线圈的感应电压经过处理后直接给信号采集和处理模块和GPRS模块供电，并给锂离子蓄电池充满电；当导线上有雷电流时或系统断电时，转为由锂离子蓄电池供电，转换瞬间掉电保护电容防止数据丢失。本发明为输电线路上的雷电定位及反演计算雷击点的雷电流和雷电压波形参数提供原始数据，制造过程简单，体积小，方便安装。
文档编号G01R19/00GK101937015SQ20101026531
公开日2011年1月5日 申请日期2010年8月27日 优先权日2010年8月27日
发明者张乔根, 汲胜昌, 王春杰 申请人:西安交通大学