CN201917603U

CN201917603U - 一种监测雷电流波形的线圈装置

Info

Publication number: CN201917603U
Application number: CN2011200004663U
Authority: CN
Inventors: 李祥超; 柴健; 唐宏科; 王金虎
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2011-01-04
Filing date: 2011-01-04
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2021-01-04

Abstract

本实用新型涉及一种监测雷电流波形的线圈装置，属于雷电科学与技术领域。该线圈装置，包括罗氏线圈、电流母线、电流监测电路，罗氏线圈两端连接在电流监测电路的采样电阻两端，电流母线穿过罗氏线圈中心，还包括环形磁性材料骨架、罗氏线圈均匀地绕制在环形磁性材料骨架上，且线圈的终点必须回绕到线圈的起点，构成闭环线圈。该线圈装置体积小、重量轻、测量精度高、工作安全可靠。

Description

一种监测雷电流波形的线圈装置

技术领域

本实用新型涉及一种监测雷电流波形的线圈装置，属于雷电科学与技术领域。

背景技术

雷电是发生在大气层中的声、光、电物理现象，它给人类的生活带来很大影响，雷电造成的灾害自古代一直威胁着人类和地球上的一切生物。随着科学技术的发展，雷电除对生命造成危害外，更严重的是对电力系统、航空航天、邮电通讯、石油化工、电子工业等许多行业都造成危害。

在自然界中产生的雷电流存在测量和监测的问题，为了更好的研究雷电流的特性参数，根据IEC6164-1和IEC61051-1等国际标准规定：冲击电流的波形有1/20μs，4/10μs，8/20μs，30/80μs，2ms方波，10/350μs以及10/1000μs等波形，冲击电流的幅值可达几十到数百kA以上。

自然界中实际发生雷击时，产生的雷电流波形及雷电流幅值的测量采集是个难题。因为雷电波频带很宽，低至几十Hz，高至上MHz，而且幅值很大，可高达100kA以上。大部分线圈传感器难以同时满足宽频带大幅值两个要求。一种测量方法为采用低阻值和极低电感值的电阻器，它的阻值一般在0.1mΩ～10mΩ，能测量的冲击电流范围为几千安至上百千安，在实际的应用中，会在它上面形成一个很高的电压，导致波形的采集存在一定的问题，因而对采集设备应提出耐压较高的要求。如果处理不当，会造成采集设备的损坏。另一种测量方法是利用空芯Rogowski线圈原理。Rogowski线圈被广泛地应用于稳态交流和瞬态电流的测量领域。由于空芯Rogowski线圈没有铁芯，互感不可能很大，这就决定了空芯线圈感应信号不可能很大，信噪比不高，往往需要有源积分器就近对信号积分放大，而积分电路又存在着温度漂移的问题，因此给Rogowski线圈长期稳定性带来了不确定因素，在使用中受到了很多限制。

发明内容

为了解决上述问题，本实用新型提出一种监测雷电流波形的线圈装置，在Rogowski空芯线圈原理的基础上加入磁性材料，来改善空芯线圈的不足，优化线圈参数，提高抗饱和能力以及线圈的测量精度。

本实用新型为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种监测雷电流波形的线圈装置，包括罗氏线圈、电流母线、电流监测电路，罗氏线圈两端连接在电流监测电路的采样电阻两端，电流母线穿过罗氏线圈中心，还包括环形磁性材料骨架、罗氏线圈均匀地绕制在环形磁性材料骨架上，且线圈的终点必须回绕到线圈的起点，构成闭环线圈。

本实用新型的有益效果如下：

1、监测雷电流波形线圈与被测电流是通过磁场耦合的，没有直接的电气连接，有良好的电气绝缘，工作安全可靠，无高压危险。

2、测量范围宽，雷电流测量范围可以从几A到几十kA，满足雷电流的幅值范围，抗磁饱和能力强。

3、频率响应范围宽，可从0.1Hz～100MHz，工作频率范围在雷电流的频谱范围以内。

4、测量精度高，为0.5%。

5、输出以电压形式输出，将其电压转换为数字电压的形式，便于存储。

6、该线圈装置体积小，重量轻，便于安装使用。

附图说明

图1 本实用新型的装置结构图。其中，1、罗氏线圈；2、电流母线；3、电流监测电路。

图2 本实用新型的等效电路图。

图3 线圈横截面。

具体实施方式

下面对本发明创造做进一步详细说明

监测雷电流波形的线圈装置结构如图1所示，在一个界面均匀的环形软磁材料骨架上，均匀密绕N（N=200～400）匝线圈后，再将线圈两端接上采样电阻来测量电流。在绕制线圈时，要求必须“回绕”一周，即沿着任意闭曲面环绕线圈，当绕到终点后再稀疏回绕到起点，这样垂直于线圈平面变化的外磁场在回线及大线匝中产生的感应电压方向相反而相互抵消，可以较好的补偿外磁场垂直分量的干扰。

监测雷电流波形线圈装置的工作原理：假设载流导体中流过的电流为i₁(t)，根据安培环路定理：

磁场强度与磁感应强度的关系式：

式中：

, μ₀——真空磁导率，r_c——线圈中心直径

设Ψ为总磁链，根据电磁感应定律，感应电势e(t)为：

式中：N——线圈匝数；S——线圈横截面面积

设线圈与载流导体之间的互感系数为M，即：

那么感应电势可以表示为：

对于被测电流波形，为了还原必须再接积分还原电路，线圈的集总参数模型等效电路如图2所示。

根据等效电路可以得到感应电势为：

式中:Lc ——线圈的自感；i₂(t) ——线圈感应电流；Rc ——线圈内阻；

Rs ——线圈积分电阻；Cc ——线圈分布电容。其中自感Lc可用下式计算：

监测雷电流波形线圈的输出幅值

监测雷电流波形的线圈采用自积分线圈，并且骨架材料为磁性材料，即

由于骨架材料为磁性材料，

即：

，

骨架材料采用矩形截面的环形，结构如图3所示：

其中r₂为外径，r₁为内径，h为厚度，r_c为中心直径。

每匝线圈所铰链的磁通为：

矩形截面线圈的互感系数为：

由于线圈为自积分线圈，感应电势可简化为：

，

则被测电流可表示为：

线圈中流过的电流为：

，

上式表明：被测试雷电流i₁(t)的幅值与积分电阻Rs的端电压Us(t)的幅值与线圈的匝数N成正比关系，与积分电阻Rs成反比关系，且与端电压Us(t)反相。

监测雷电流波形线圈的频率特性

考虑线圈的分布电容时，流过线圈的感应电流i₂(t)可表示为：

，

设线圈的初始条件为零，对上式进行拉氏变换，可得线圈的传递函数为：

采用并联谐振回路理论分析，可得到：

，

，

f_L——自积分Rogowski线圈下限频率；

f_H ——自积分Rogowski线圈上限频率；

在频带内，线圈的测量灵敏度为：

。线圈的频带宽度与线圈的内阻、自感、分布电容和积分电阻有关，而线圈的内阻、自感和分布电容又与线圈的尺寸、磁性材料的磁导率、积分电阻、线圈的匝数有关。

通过理论分析及实验数据证明，监测雷电流波形线圈装置的各项技术参数如表1所示，该装置已使用于测量设备中，数据可靠，工作性能稳定。

骨架尺寸（外径×内径×厚度/mm）	积分电阻	匝数	骨架材料	骨架材料相对磁导率	绕制导线直径/mm
						90×52×30	1Ω	200～400	锰锌铁氧体	2000	0.8

表1 监测雷电流波形线圈的技术参数。

Claims

1.一种监测雷电流波形的线圈装置，包括罗氏线圈、电流母线、电流监测电路，罗氏线圈两端连接在电流监测电路的采样电阻两端，电流母线穿过罗氏线圈中心，其特征在于还包括环形磁性材料骨架、罗氏线圈均匀地绕制在环形磁性材料骨架上，且线圈的终点必须回绕到线圈的起点，构成闭环线圈。