一种用于测量雷击暂态地电位分布的光纤传感系统的制作方法

本发明涉及高电压试验技术领域，具体是一种用于测量雷击暂态地电位分布的光纤传感系统及方法。


背景技术：

高幅值雷击电流进入大地时会产生较大土壤电位梯度(跨步电压)，对人身安全和绝缘较弱的配电网系统造成一定威胁。由于土壤为导体，地中电流分布对现有电压传感器会产生电磁干扰，且雷电流持续时间短暂，因此造成地电位的测量十分困难，目前只能通过仿真计算进行地网设计。专利参考文件[1-3]提出了通过测量地电位分布，并结合理论计算得到接地极电位升高值。其中地电位测量点较少，通过接地电阻理论模型弥补测量不足；但研究发现大幅值冲击电流在土壤中散流过程中，接地体周围存在土壤放电现象，不符合常规接地电阻模型中恒定土壤电阻率假设；理论上，通过增加土壤电位测量点可以获得更精确的雷击暂态地电位分布特征，但基于金属电缆的地电位传感装置存在显著电磁兼容和造价高昂的问题。
[0001]
马御棠,张波,周仿荣,黄曹炜,王科,何金良,翟兵,彭兆裕,钱国超,丁薇.一种地电位升的测量方法[p].云南省：cn106526278b,2020-06-16.
[0002]
马御棠,黄曹炜,周仿荣,于虹,王科,张波,何金良,丁薇.一种测量换流站地电位升的方法[p].云南省：cn105467192b,2018-05-04.
[0003]
刘小江,刘凡,甄威.一种接地极电位分布测量方法[p].四川省：cn106018943b,2018-12-25.


技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于测量雷击暂态地电位分布的光纤传感系统及测量雷击暂态地电位分布的方法，通过将土壤中的脉冲电压转变为光强度信号，然后通过光纤传输，避免了土壤电流对测量结果的影响，并且通过光纤集成技术，可实现对多点地电位分布的同步测量。一种用于测量雷击暂态地电位分布的光纤传感系统，包括光纤传感器、绝缘杆、光纤集成器、照相机和图像分析模块；所述光纤传感器包括发光二极管、传感器电路和两个与土壤接触的土壤电极；所述光纤传感器的发光二极管、传感器电路置于绝缘杆内腔底部，土壤电极设置在绝缘杆的外表面，传感器电路用于将两个土壤电极之间的电极电压u等比例转换为发光二极管的电流i，使发光二极管所产生光强与电流i呈正比，每个发光二极管与一根光纤连接，光纤从绝缘杆引出后与光纤集成器连接，所述光纤集成器通过照相机与图像分析模块连接，所述照相机用于记录冲击电流试验过程中光纤集成器上各光纤的亮度峰值，所述图像分析模块用于通过照相机记录的各光纤的亮度峰值、光纤编号及其坐标，解析土壤电位差幅值及雷击暂态地电位分布。
进一步的，所述图像分析模块过照相机记录的各光纤的亮度峰值、光纤编号及其坐标，解析土壤电位差幅值及雷击暂态地电位分布，具体步骤如下：光纤亮度l正比于土壤电极电压u，比例系数k通过实验确定：l＝ku设一对土壤电极间的距离为d，计算1号传感器处电场强度e为：e1＝u1/d测量1号传感器的位置坐标为(x1，y1)，同理n号传感器的位置坐标为(xn，yn)，电场强度为en；使用三次样条函数对任意坐标(x，y)位置的电场强度e(x，y)进行插值计算(matlab函数interp2)；最后，计算对应地电位值u(x，y)为：其中，(x0，y0)为参考电位点的坐标，l为从(x0，y0)到(x，y)的任意路径。进一步的，所述光纤集成器为一光纤透镜，用于将光纤内的光强转化为同一平面上的若干点光源，通过照相机可记录这些光源的亮度。进一步的，所述绝缘杆不透光、细长且坚固，用于重复插入土壤中使用，并保护发光二极管和光纤不受损伤。进一步的，所述发光二极管的阴阳两极分别与两个土壤电极连接，并设置发光二极管的节电压补偿和极性反转电路，使两个土壤电极间电位差与二极管发光亮度成正比关系。进一步的，所述光纤集成器用于集成多根光纤端子、连接多个光传感器，实现多点地电位的同步测量，所述光纤集成器将若干光纤传感器内的光强耦合到一个成像平面，形成一幅由若干像素或光点组成的图像，平面图像中每一个像素或光点对应一个发光二极管的瞬时亮度。一种测量雷击暂态地电位分布的方法，采用上述系统进行，所述方法包括如下步骤：步骤一：配置冲击电流发生系统，所述冲击电流发生系统包括1个冲击电流发生器以及与冲击电流发生器连接的2个接地体，所述2个接地体包括1个接地极和1个回流电极，将接地体埋在土壤中，冲击电流发生器置于地面上并与土壤绝缘，冲击电流发生器通过2根金属导线与2个接地体连接，经过土壤形成电流闭合回路，为冲击电流发生器接通电源，通过控制台给冲击电流发生器充电，然后触发雷电波冲击电流放电，记录冲击电流发生器产生的电压和电流波形；步骤二：配置所述光纤传感系统：首先，将光纤传感器进行编号，并按顺序接入光纤集成器；其次，在每个光纤传感器的2个土壤电极上施加直流电压，观察光纤集成器成像平面的亮度变化是否正确；再次，将光纤集成器与照相机连接，拍摄光纤传感器在施加不同电压条件下的照片，通过图像分析模块解析并校准光纤传感器电压测量值；然后，以接地极为原点设置地表坐标系，在接地极四周规划测量点、标记其坐标，将光纤传感器依次垂直插
入地表测量点、记录头部深度；最后，设置试验安全区域，启动冲击电流发生器，记录照片及电压测量数据；步骤三：重复上述试验步骤，通过光纤传感器测得土壤电位差幅值，结合光纤编号及其坐标，对雷击暂态地电位分布进行插值拟合，得到地电位分布曲线；并可通过改变冲击电流幅值大小与波形，研究雷击暂态地电位分布曲线变化特性；通过改变光纤传感器测量坐标与深度，研究接地体周围土壤冲击放电区域的电位分布特征。进一步的，所述2个接地体的间距大于10m，工频接地电阻小于10ω。本发明通过将土壤电位差转换为光强度信号，分散传输、集中采集的技术方案，避免了土壤中电流及其电磁场对测量结果的影响；并且通过光纤集成技术，可实现对多点地电位分布的同步测量。
附图说明
图1是本发明实施例用于测量雷击暂态地电位分布的光纤传感系统的结构示意图；图2是本发明实施例中光纤集成器的结构示意图图3是本发明在雷击接地体试验条件下进行暂态地电位分布的光纤测量示意图；图4是本发明实施例注入雷电流波形图；图5是本发明实施例10m根水平带垂直接地极模型；图6是本发明实施例土壤电阻率为100ω
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m无垂直接地极时地电势分布图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。请参阅图1，本发明实施例提供一种测量雷击暂态地电位分布的光纤传感系统，包括：光纤传感器、绝缘杆、光纤集成器、照相机和图像分析模块。所述光纤传感器包括发光二极管、传感器电路和一对与土壤接触的土壤电极；所述绝缘杆作为光纤传感器外壳，所述光纤传感器的发光二极管、传感器电路置于绝缘杆内腔底部，起到插入土壤及保护光纤传感器的作用；所述光纤集成器通过光纤与所述光纤传感器连接，实际实施时有多个光纤传感器埋入不同位置，因此多个光纤的一端分别与多个光纤传感器连接，多个光纤的另一端在所述光纤集成器内部集成到一个平面并成像。所述光纤集成器通过照相机与图像分析模块连接，其中所述照相机用于记录冲击电流试验过程中光纤集成器上各光纤的亮度峰值，所述图像分析模块用于通过照相机记录的各光纤的亮度峰值、光纤编号及其坐标，解析土壤电位差幅值及雷击暂态地电位分布。其中，所述图像分析模块过照相机记录的各光纤的亮度峰值、光纤编号及其坐标，解析土壤电位差幅值及雷击暂态地电位分布，具体步骤如下：光纤亮度l正比于土壤电极电压u，比例系数k通过实验确定：l＝ku
设一对土壤电极间的距离为d，计算1号传感器处电场强度e为：e1＝u1/d测量1号传感器的位置坐标为(x1，y1)，同理n号传感器的位置坐标为(xn，yn)，电场强度为en；使用三次样条函数对任意坐标(x，y)位置的电场强度e(x，y)进行插值计算(matlab函数interp2)；最后，计算对应地电位值u(x，y)为：其中，(x0，y0)为参考电位点的坐标，l为从(x0，y0)到(x，y)的任意路径。具体实施时，所述光纤传感器设置在绝缘杆一端，绝缘杆作为光纤传感器的硬质外壳，保护光纤传感器在插入土壤内部时不受损坏；传感器电路与一对金属土壤电极连接，这一对电极设置在绝缘杆的外表面，保证绝缘杆插入土壤时，电极与附近土壤良好接触，并保证两电极之间的电绝缘。两电极之间的电极电压u即为相邻土壤电位差，通过传感器电路将电极电压u等比例转换为发光二极管的电流i，且发光二极管所产生光强与电流i呈正比。每个发光二极管与一根光纤连接，将传感器产生的光强引出至地面上；光纤前段置于绝缘杆内部，保护光纤不受土壤压力和放电火花的干扰；光纤后端置于地面上空气中，采用柔性连接，通过标准光纤端子与光纤集成器连接。光纤集成器本质上为一光纤透镜，将光纤内的光强转化为同一平面上的若干点光源，通过照相机可记录这些光源的亮度(也可通过高速摄影机记录其亮度的变化)。最后，通过图像分析模块提取照片每点亮度值，并解析对应传感器测量的电压幅值，即可得出土壤中的暂态地电位分布特征。如图3所示，当雷击接地体，冲击大电流通过土壤散流并产生暂态地电位分布不均时，本发明通过发光二极管将土壤中相邻两点的电位差转换为光信号，并通过光纤将发光二极管光信号传输至设置于地面的光纤集成器。发光二极管的阴阳两极分别与两个土壤电极连接，并设置发光二极管的节电压补偿和极性反转电路，使两个土壤电极间电位差与二极管发光亮度成正比关系。通过光纤将发光二极管的光信号传输至设置于地面的光纤集成器，光纤和发光二极管电路均置于一绝缘杆内部，发光二极管位于绝缘杆头部，两土壤电极位于绝缘杆头部外表面两侧。绝缘杆不透光、细长且坚固，可重复插入土壤中使用，并保护传感器和光纤不受损伤。所述光纤集成器用于集成多根光纤端子、连接多个光传感器，实现多点地电位的同步测量。所述光纤集成器将若干光纤传感器内的光强耦合到一个成像平面，形成一幅由若干像素(光点)组成的图像，平面图像中每一个光点(像素)对应一个发光二极管的瞬时亮度。通过照相机记录冲击电流试验过程中，光纤集成器上成像的亮度峰值(可使用相机b门拍摄)，并通过图像分析模块对照片进行图像分析，通过对应的光纤编号及其坐标，解析土壤电位差幅值及雷击暂态地电位分布。本发明实施例还提供一种用于测量雷击暂态地电位分布的方法，其采用上述光纤
传感系统和冲击电流发生系统进行，所述方法包括如下步骤：步骤一：配置冲击电流发生系统，所述冲击电流发生系统包括1个冲击电流发生器(100ka/200kv)以及与冲击电流发生器连接的2个接地体，所述2个接地体具体包括1个接地极和1个回流电极)。将接地体埋在土壤中，间距大于10m，工频接地电阻小于10ω，冲击电流发生器置于地面上并与土壤绝缘，冲击电流发生器通过2根金属导线与2个接地体连接，经过土壤形成电流闭合回路。为冲击电流发生器接通电源，通过控制台给冲击电流发生器充电，然后触发雷电波冲击电流放电，记录冲击电流发生器产生的电压和电流波形。步骤二：配置所述光纤传感系统：首先，将光纤传感器进行编号，并按顺序接入光纤集成器；其次，在每个光纤传感器的2个土壤电极上施加直流(0-60v)电压，观察光纤集成器成像平面的亮度变化是否正确；再次，将光纤集成器与照相机连接，拍摄光纤传感器在施加不同电压条件下的照片，通过图像分析模块解析并校准光纤传感器电压测量值；然后，以接地极为原点设置地表坐标系，在接地极四周规划测量点、标记其坐标，将光纤传感器依次垂直插入地表测量点、记录头部深度；最后，设置试验安全区域，启动冲击电流发生器，记录照片及电压测量数据；步骤三：重复上述试验步骤，通过光纤传感器测得土壤电位差幅值，结合光纤编号及其坐标，对雷击暂态地电位分布进行插值拟合，得到地电位分布曲线；并可通过改变冲击电流幅值大小与波形，研究雷击暂态地电位分布曲线变化特性；通过改变光纤传感器测量坐标与深度，研究接地体周围土壤冲击放电区域的电位分布特征。利用cdegs软件对单根水平电极(长10m、半径6mm)，并每间隔5m设置一2.5m长的垂直接地电极，在雷电流作用下的地电位分布进行仿真，实验雷电流幅值10ka(波形10/350μs)。图4为注入雷电流波形，注入点为最右侧(考虑最恶劣情况，雷电流注入点均为接地极边角处)，图5为带垂直接地极单根水平接地极仿真模型，图6为土壤电阻率为100ω
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m无垂直接地极时地电势分布，由图6可知，在电极对应地表处地电势最高，数值向两侧方向剧烈减小。研究有无垂直接地极时，在不同土壤电阻率条件下跨步电势分布，表1为电极长10m时不同土壤电阻率下最大跨步电势值：表1电极长10m时不同土壤电阻率下最大跨步电势值(kv)以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。