一种雷击电流的快速精确测量转换装置的制作方法

本实用新型涉及电流测量设备技术领域，尤其是一种雷击电流的快速精确测量转换装置。

背景技术：

在电力设施的运行维护过程中，需要测量雷电过程中避雷器接地电流的大小。例如，通过测量上述电流的大小和地理位置，可以为电力运行提供预警信息；通过测量上述接地电流，可以估计雷击能量的大小；通过雷击能量的雷击记录和金属氧化物避雷器的疲劳寿命，可以预测氧化锌避雷器的寿命，指示氧化锌避雷器的维护更换等。

然而，雷击电流的精确测量，有两个技术难点需要克服，第一是雷击电流的持续时间很短，雷击的一般时间在50微秒左右，这需要测量装置能够快速反应；第二是雷击电流的大小变化是指数级的变化范围，这需要测量装置具有很大的动态范围。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型的目的在于：提供一种能够实现雷击能量快速响应转换和大动态范围精确测量电流大小的雷击电流的快速精确测量转换装置。

本实用新型所采取的技术方案是：

一种雷击电流的快速精确测量转换装置，包括避雷器和数据采集器，所述避雷器的一端连接至避雷针或输电线，所述避雷器的另一端通过导流母线接地，还包括传递转换电路和对数压缩器，所述传递转换电路包括无铁芯电流互感器CT、雷击能量吸收电容C和放电时间常数设定电阻R，所述对数压缩器包括输入电阻R1、输入静态均衡电阻RP、对数运算三极管T1和运算放大器A，所述导流母线穿过所述无铁芯电流互感器CT的线圈中心，所述雷击能量吸收电容C的一端、所述放电时间常数设定电阻R的一端和所述输入电阻R1的一端连接至所述无铁芯电流互感器CT的线圈的输出端，所述雷击能量吸收电容C的另一端和所述放电时间常数设定电阻R的另一端连接至所述无铁芯电流互感器CT的线圈的输入端，所述输入电阻R1的另一端连接所述对数运算三极管T1的集电极和所述运算放大器A的反相输入端，所述对数运算三极管T1的发射极与所述运算放大器A的输出端相连后接至所述数据采集器的信号端，所述运算放大器A的同相输入端连接至所述输入静态均衡电阻RP的一端，所述输入静态均衡电阻RP的另一端、所述对数运算三极管T1的基极、所述无铁芯电流互感器CT的线圈的输入端分别连接至所述数据采集器的模拟地引脚端。

采用空芯无铁芯的电流互感器，由于无铁芯，因此，没有铁芯的饱和问题，不论电流多大，都会得到一个响应的二次侧电流值。

进一步，所述数据采集器采用型号为PIC24FJ128GA008的16位通用闪存单片机。具有模拟电路的快速作用特点，能够实现模拟数字转换，最大转换速率达500ksps。

进一步，所述运算放大器为高速单电源运算放大器，型号为OPA350UA。通过运算放大器对电流大小的信号进行了对数压缩，能够实现输出信号等于输入信号的自然对数值，将转换的信号输出至数据采集器进行数字化采集，并能够获得对于雷电过程的快速反应和大动态范围精确测量。

进一步，所述对数运算三极管T1为低温度系数NPN型三极管。

进一步，所述雷击能量吸收电容C的规格为100～500μf。

进一步，所述放电时间常数设定电阻R的规格为100～1000Ω。

进一步，所述输入电阻R1的电阻值为所述放电时间常数设定电阻R的电阻值的十倍，所述输入静态均衡电阻RP的电阻值与所述输入电阻R1的电阻值相等。

放电时间常数设定电阻R和雷击能量吸收电容C的规格参数选择应满足：时间常数τ为30ms至150ms(ms：毫秒)。例如：C＝100μf时，选R＝300Ω，则输入电阻R1和输入静态均衡电阻RP的阻值均为3000Ω。

本实用新型的有益效果是：通过在避雷器的导流母线上设置空芯无铁芯的电流互感器，将雷击引起的短时大幅值脉冲电流对雷击能量吸收电容C充电，并经过放电时间常数设定电阻R放电检测，利用对数运算三极管T1和运算放大器A通过在3倍放电时间常数的时间对于放电过程的电阻功率计量，可以计算出初始放电时的电容上的电压，也就是雷击电流在50微秒时间上的积分，由此计算出大动态范围变化的雷击电流的大小，并将测量信号输送至数据采集器转换成数字信号进行后续运维处理，实现雷击能量的快速响应转换和电流大小的大动态范围精确测量，装置结构简单，可靠性高，便于安装和操作，且成本低廉，适于大电流脉冲的测量应用。

附图说明

图1为本实用新型一种雷击电流的快速精确测量转换装置的电路结构图。

附图说明：1、避雷器；2、数据采集器；3、避雷针或输电线；4、导流母线；5、传递转换电路；6、对数压缩器。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合说明书附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

参照图1，示出了一个实施例中一种雷击电流的快速精确测量转换装置，包括避雷器1和数据采集器2，所述避雷器的一端连接至避雷针或输电线3，所述避雷器的另一端通过导流母线4接地，还包括传递转换电路5和对数压缩器6，所述传递转换电路5包括无铁芯电流互感器CT、雷击能量吸收电容C和放电时间常数设定电阻R，所述对数压缩器6包括输入电阻R1、输入静态均衡电阻RP、对数运算三极管T1和运算放大器A，所述导流母线穿过所述无铁芯电流互感器CT的线圈中心，所述雷击能量吸收电容C的一端、所述放电时间常数设定电阻R的一端和所述输入电阻R1的一端连接至所述无铁芯电流互感器CT的线圈的输出端，所述雷击能量吸收电容C的另一端和所述放电时间常数设定电阻R的另一端连接至所述无铁芯电流互感器CT的线圈的输入端，所述输入电阻R1的另一端连接所述对数运算三极管T1的集电极和所述运算放大器A的反相输入端，所述对数运算三极管T1的发射极与所述运算放大器A的输出端相连后接至所述数据采集器的信号端，所述运算放大器A的同相输入端连接至所述输入静态均衡电阻RP的一端，所述输入静态均衡电阻RP的另一端、所述对数运算三极管T1的基极、所述无铁芯电流互感器CT的线圈的输入端分别连接至所述数据采集器的模拟地引脚端。

采用空芯无铁芯的电流互感器，由于无铁芯，因此，没有铁芯的饱和问题，不论电流多大，都会得到一个响应的二次侧电流值。

进一步作为优选的实施方式，所述数据采集器采用型号为PIC24FJ128GA008的16位通用闪存单片机。具有模拟电路的快速作用特点，能够实现模拟数字转换，最大转换速率达500ksps。

进一步作为优选的实施方式，所述运算放大器为高速单电源运算放大器，型号为OPA350UA。通过运算放大器对电流大小的信号进行了对数压缩，能够实现输出信号等于输入信号的自然对数值，将转换的信号输出至数据采集器进行数字化采集，并能够获得对于雷电过程的快速反应和大动态范围精确测量。

进一步作为优选的实施方式，所述对数运算三极管T1为低温度系数NPN型三极管。

进一步作为优选的实施方式，所述雷击能量吸收电容C的规格为100～500μf。

进一步作为优选的实施方式，所述放电时间常数设定电阻R的规格为100～1000Ω。

进一步作为优选的实施方式，所述输入电阻R1的电阻值为所述放电时间常数设定电阻R的电阻值的十倍，所述输入静态均衡电阻RP的电阻值与所述输入电阻R1的电阻值相等。

放电时间常数设定电阻R和雷击能量吸收电容C的规格参数选择应满足：时间常数τ为30ms至150ms(ms：毫秒)。例如：C＝100μf时，选R＝300Ω，则输入电阻R1和输入静态均衡电阻RP的阻值均为3000Ω。

由和得到：

以及可知雷击电流

本实用新型的工作原理如下：避雷器的导流母线穿过无铁芯电流互感器CT的线圈中心，雷击引起的短时大幅值脉冲电流对雷击能量吸收电容C充电，充电后的电容电压与脉冲的对时间积分成正比，与电容的大小成反比。充电后的电容经过经过放电时间常数设定电阻R放电检测，放电的时间常数比脉冲电流的持续时间长很多，利用对数运算三极管T1和运算放大器A通过在3倍放电时间常数的时间对于放电过程的电阻功率计量，可以计算出初始放电时的电容上的电压，也就是雷击电流在50微秒时间上的积分，由此计算出雷击电流的大小，并将测量信号输送至数据采集器采集转换成数字信号进行后续运维处理。

本实用新型的有益效果是：通过在避雷器的导流母线上设置空芯无铁芯的电流互感器，将雷击引起的短时大幅值脉冲电流对雷击能量吸收电容C充电，并经过放电时间常数设定电阻R放电检测，利用对数运算三极管T1和运算放大器A通过在3倍放电时间常数的时间对于放电过程的电阻功率计量，可以计算出初始放电时的电容上的电压，也就是雷击电流在50微秒时间上的积分，由此计算出大动态范围变化的雷击电流的大小，并将测量信号输送至数据采集器采集转换成数字信号进行后续运维处理，实现雷击能量的快速响应转换和电流大小的大动态范围精确测量，装置结构简单，可靠性高，便于安装和操作，且成本低廉，适于大电流脉冲的测量应用。

本实用新型所采用的数据采集器和运算放大器为市售产品，本实用新型仅涉及数据采集器和运算放大器的连接使用，不对其结构和原理进行改进。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。