雷电流自动监测系统

收稿日期:1999211219
作者简介:林云志(19752),男,福建籍,1996年福州大学本科毕业,现为清华大学电机系硕士研究生。

研究简报
雷电流自动监测系统
林云志,王新新,罗承沐,陈铮,谢子凤
(清华大学电机系,北京100084)
摘要:该系统主要由Rogow sk i 线圈、高速A D 采样电路、
个人计算机组成,它能够随时自动地记录并保存通过避雷器接地线上的雷电流波形,并对所采集到的数据进行处理,给出雷电流的幅值及其电荷量。

关键词:雷电流;Rogow sk i 线圈;A D 采样
中图分类号:TM 83512 文献标识码:A 文章编号:100323076(2000)0420059204
1　引言
雷电是一种自然界中超长间隙的放电现象,按雷电的发展方向可区分为下行雷和上行雷两种,前者是在雷云中产生并向大地发展的;而后者是由接地物体的顶部激发并向雷云方向发展的。

雷电的极性是按照雷云入地的电荷极性区分的,统计表明90%以上的雷是负极性雷。

在雷电放电过程中沿着雷电通道将流过幅值最高可达几百千安,延续时间近百微秒冲南海电流。

如此巨大的雷电流对于人们的生产和生活会造成很大危害,例如,对于电力系统而言,当雷电流超过相应的耐雷水平将导致线路绝缘的闪络,会造成线路的接地故障。

雷电波的折反射将造成很高的过电压,破坏设备绝缘,造成跳闸停电事故。

为了减小雷电的危害性,人们对雷电现象进行了长期、大量的研究,并采用了避雷器,
避雷针等防雷设备,甚至开始使用颇有争议的消雷器。

毫无疑问,准确地了解雷电流特性(波形
及其幅值)对于防雷研究来说是至关重要的。

遗憾的是,以往人们受测量手段和仪器的限制,无法记录自然界中随机产生并且稍纵即逝的雷电流波形。

因此,至今为止我们尚未见到有关实际记录到雷电流波形的报道。

随着高速数字采样和计算机技术的发展,对雷电流波形进行随时自动监测成为可能。

本文介绍的就是我们近期研制的雷电流自动监测系统。

2　工作原理及系统设计
图1是雷电流自动监测系统的工作原理图,它主要是由电流传感器(Rogow sk i 线圈),高速A D 采样电路,PC 机3部分组成。

当雷电流通过避雷器接地线时,套在接地线
上的Rogow sk i 线圈中感应出电压信号,该信号经屏蔽的高频同轴电缆送到高速A D 采样电路上,经A D 变换及其PC 机处理后存入硬盘,以便工作人员随时查询并调用。

电流传感器
高速A D 采样电路
个人计算机
图1　雷电流自动监测系统工作原理图
2.1　电流传感器
考虑到雷电是一个大电流(幅值最高可
能达几百kA )、微秒量级的瞬态放电过程,我们选用测量脉冲电流时最常用的Rogow s 2
k i 线圈[2]
作为电流传感器。

如图2所示,Ro 2gow sk i 线圈是基于电磁感应定律工作的,即:被测电流产生的变化磁场在Rogow sk i 线圈中感应出电压信号,因而该线圈和被测电流在电路上没有直接的联接,这有利于图1
中的A D 采样电路和PC 机的安全运行。

通过选择合适的线圈结构参数(环型骨架直径和材料、线圈截面、匝数、积分电阻等),它可测量幅值从十安培到数百千安培,上升时间可从毫微秒到毫秒的电流。

图2　自积分式Rogow sk i 线圈工作原理图
对于波形已知的被测电流,由Rogow sk i 线圈的结构参数,可以从理论上估算波形的测量误差[3],这是设计Rogow sk i 线圈时必需进行的工作。

但是,最终的波形误差还得通过实验标定。

对于国标规定的8 20以标准雷电流波,用美国Pearson 公司的标准线圈进行的实验标定表明,我们研制的Rogow sk i
线圈误差小于1.5%。

另外,该电流传感器的工作范围为100A ～100kA 。

2.2　采样电路
图3是采样电路的原理框图。

我们采集的雷电流波很可能是微秒级瞬态过程,因此采样电路的核心选用高速A D 芯片来实现的,其采样率最高可达到20M Sam p le
s ,即每微秒得到20个数据点,以保证足够的波形精确度。

由于是8位A D 芯片,其误差不大于1 256,即0.4%。

图3　采样电路的原理框图
为了确保每次采样的数据都能迅速无误地存入RAM 中,电路的寻址方式是通过硬件寻址实现的。

采用专用的寻址电路,它由一些74系列的门电路和计数器组成,通过特殊的电路配合使其能与高速采样电路的执行速度相匹配。

Rogow sk i 线圈输出的雷电流信号送给采样电路的同时也送给触发电路,该触发电路使得采样电路开始采集和PC 机读取数
据。

2.3　PC 机的数据处理
根据任务的要求,PC 机首先要在一秒中时间内实现下面的功能:将采样电路RAM 中的(电压信号)数据读入内存,并转换为雷电流数值,计算雷电流的幅值及放电电荷量,将处理后的数据自动以有序的文件名存入硬盘,并马上自动进入下一次等待采集状态。

其
次所设计的程序还应具备方便地显示和打印雷电流波形及其计算结果的功能。

由于该计算机是为雷电流自动监测系统专机专用的,我们采用的是单任务的DO S操作系统,利用C语言和汇编语言混合编程。

软件是全中文的下拉菜单式时,采用程序本身的的汉字库并不需要调用汉字系统。

操作简单,仅利用回车键和光标键就可实现。

因为
数据是从采集电路上传过来的,必然涉及到计算机的底层硬件编程。

汇编语言是实现硬件编程最有效、最快的一种语言。

我们利用汇编语言写了一个子程序SEND.A S M专门用于传输采样得到的数据,它从采样电路RAM存储器中读取数据,并传到计算机的内存中,以供主程序调用。

2.4　整个系统的安全防护和抗干扰措施
由于雷电是高压大电流的瞬间放电过程,它必然在雷击处产生高电压和强电磁干扰,因此,雷电流自动监测系统必须具有极强的安全防护措施和抗干扰能力。

安全防护可能有强电防护和弱电防护两个方面:强电防护首先是对雷击时可能在避雷器接地线上产生的瞬态高电压的防护,为此我们对套在接地线上的Rogow sk i线圈采用了高绝缘强度的防护措施。

其次,雷击时也可能在电源系统产生过电压,为此我们引入了特殊设计的原副边之间具有高绝缘强度的隔离变压器及其U PS电源对该系统的采样电路以及计算机供电。

弱电防护是指确保即使在大雷电流时由Rogow sk i线圈输入采样电路的电压信号不超过某安全阈值。

为了抗干扰,我们为紧挨干扰源的Rogow sk i线圈设计了特殊的屏蔽铁壳,它允许被测电流的磁通进入线圈,但在很大程度上抑制了其他干扰电磁场通过线圈引入测量回路。

同时,信号传输电缆采用双层屏蔽,并在其末端加上了光耦隔离然后送去数模转换。

采样电路和计算机也是置于一屏蔽铁壳中,
因此可以认为它们和外界具有较好的电磁隔离。

后面提到的整个机实验表明,我们采取的上述措施是有效的。

3　整机实验及结果
由于雷电是随机发生、无法预知和控制的,我们只能在实验室用冲击大电流发生器产生几个kA、微秒级的脉冲电流对该雷电流自动监测系统进行整机实验,见图4。

图4　雷电流自动监测系统整机实验原理图
图5　标准线圈测得的电流波形
冲击大电流发生器由高电压脉冲电容器C、外触发火花开关G、调波电阻R和调波电感L构成。

当对C充电完毕后,触发G产生RL C脉冲放电,并在标准线圈(Pearson公司410型)和监测系统的Rogow sk i线圈上感应电压信号,分别送到数字存储示波器(H P54512)和雷电流监测系统的PC机以得到冲击大电流波形,前者(见图5)作为标准用来校验后者(见图6)。

显然,两者波形完全一致。

Pearson公司410型标准线圈灵敏度为
图6　用雷电流监测系统记录到的冲击大电流波形
200A V,由图5可知被测电流幅值为351625V×200A V≈7125A,而图6所示的雷电流监测系统测量结果是7080A,两者偏差为1%。

由于受实验室现有条件的限制,无法得到10kA以上的微秒级冲击电流。

因此,我们只能在100A～10kA脉冲电流的幅值范围内对系统进行整机实验。

实验表明:该雷电流监测系统能够长时间处于良好的准备状态,准确地自动记录下随机发生的高电压脉冲大电流波形,并在1秒内自动恢复到等待记录下次放电的准备状态。

由此我们相信:该雷电流监测系统能够完成自动监测雷电流的任务。

目前,该系统已安装到现场用以实际监测可能受到雷击的避雷装置上。

参考文献:
[1]　赵玉林,等.高电压技术[M].北京:机械工业
出版社,1997.
[2]　揭秉信.大电流测量[M].北京:机械工业出版
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A system for automa tica l record i ng of l ighti ng
curren t waveform s
L I N Yun2zh i,W AN G X in2x in,LU O Cheng2m u,CH EN Zheng,X IE Zi2feng
(D ep t.of E lec.Eng.,T singhua U n iversity,B eijing100084,Ch ina)
Abstract:T he system m ain ly con sists of Rogow sk i co ils,a fast A D sam p ling circu it and a PC com p u ter.It can au tom atically reco rd the w avefo rm s of ligh tn ing cu rren t flow ing th rough a ligh tn ing arrester and sto re them in to a PC com p u ter.
Key words:ligh tn ing cu rren t;Rogow sk i co il;A D sam p ling circu it。