專利名稱：一種基于柔性羅氏線圈的脈沖電流測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種基于柔性羅氏線圈的脈沖電流測量裝置，尤其涉及雷電流的測 量，屬于電工高壓測量技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
雷電是自然界經(jīng)常發(fā)生的一種大氣放電現(xiàn)象。當(dāng)較強(qiáng)的雷擊發(fā)生時(shí)，其放電通道中會 產(chǎn)生高達(dá)數(shù)百kA的雷電流。雷電流的產(chǎn)生過程往往伴隨著強(qiáng)烈的電磁現(xiàn)象，會對電力傳 輸、電子通信、航空運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域帶來較嚴(yán)重的危害。為了有效地深入開展防雷保護(hù)、雷電 形成機(jī)理等相關(guān)方面的研究，如何準(zhǔn)確地測量雷電流的波形是目前亟待解決的問題。
對雷電流特征參數(shù)的研究在電力工業(yè)一直受到較多的關(guān)注，而傳統(tǒng)的研究方法基本是 依靠模擬和仿真技術(shù)，由于缺乏自然界實(shí)際的雷電流參數(shù)(比如波形、幅值、上升時(shí)間、 持續(xù)時(shí)間等)，加上所建立模型的不準(zhǔn)確性，使得仿真的結(jié)果動輒謬以千里，會對防雷保 護(hù)的設(shè)計(jì)造成誤導(dǎo)。最直接獲取雷電流參數(shù)的方法是測量，目前部分發(fā)達(dá)國家在其少數(shù)輸 電線路和通訊桿塔上安裝了雷電監(jiān)測裝置，并在運(yùn)行過程中捕獲了若干雷電流波形。相比 之下，我國在雷電流測量方面所做的研究工作比較少。
羅氏線圈是俄羅斯科學(xué)家發(fā)明的一種測試脈沖電流的方法，在高壓實(shí)驗(yàn)室常被用來與 示波器結(jié)合起來測試脈沖電流。由于示波器價(jià)格昂貴，沒有很好的通訊端口，而且只能自 動記錄一次波形，需要人為干預(yù)才能記錄第二次波形，這種測量裝置很難大量應(yīng)用，特別 是野外應(yīng)用。而且現(xiàn)有大多數(shù)羅氏線圈的結(jié)構(gòu)為硬殼結(jié)構(gòu)，即外殼是一種很厚的金屬屏蔽 用的外殼，在使用時(shí)，被測結(jié)構(gòu)需要解開后穿過羅氏線圈，即線圈是無法打開的。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提出一種基于柔性羅氏線圈的脈沖電流測量裝置，采用柔性羅氏 線圈，結(jié)合高速數(shù)據(jù)采集裝置，利用GPS全球定位系統(tǒng)，借助GPRS無線數(shù)據(jù)通訊模塊， 以實(shí)現(xiàn)對脈沖電流進(jìn)行測量的功能。
本實(shí)用新型提出的基于柔性羅氏線圈的脈沖電流測量裝置，包括
柔性羅氏線圈，用于對被測載流導(dǎo)體進(jìn)行脈沖電流測量，被測載流導(dǎo)體穿過柔性羅氏 線圈，柔性羅氏線圈輸出端與積分器相連；
積分器，用于對上述柔性羅氏線圈輸出的信號進(jìn)行積分還原，以得到與被測脈沖電流 的導(dǎo)數(shù)成比例的模擬信號，積分器的輸出端與數(shù)據(jù)采樣模塊的輸入端相連；
數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，用于對上述積分器輸出的模擬信號進(jìn)行調(diào)理，利用A/D把模擬信號轉(zhuǎn) 換為離散的數(shù)字信號，然后把數(shù)字信號暫時(shí)儲存在儲存器中；
中央處理器，用于對A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算處理，以得到被測脈沖信
號，中央處理器分別與無線通訊模塊和全球定位系統(tǒng)模塊相連；
無線通訊模塊，用于與外界通訊，無線通訊模塊與中央處理器相連； 全球定位系統(tǒng)模塊，用于對中央處理器的時(shí)鐘時(shí)間進(jìn)行標(biāo)定，全球定位系統(tǒng)模塊與中
央處理器相連。
上述測量裝置中的羅氏線圈，包括套管、金屬屏蔽層、柔性骨架、線圈、導(dǎo)電芯線 和積分器。套管、金屬屏蔽層和柔性骨架依次由外向內(nèi)同心相對固定成為圓環(huán)，在圓環(huán)的 一側(cè)為一開口。線圈繞在柔性骨架上，導(dǎo)電芯線埋在柔性骨架中，線圈的一端與測量裝置 中積分器的一端相連接，線圈的另一端通過柔性骨架中的導(dǎo)電芯線與測量裝置中積分器的 另一端相連接。
本實(shí)用新型提出的基于柔性羅氏線圈的脈沖電流測量裝置，其優(yōu)點(diǎn)是將成熟的高速采 樣技術(shù)用于該裝置，與實(shí)驗(yàn)室的專用測量裝置相比價(jià)格低廉，便于廣泛應(yīng)用，如在野外大 規(guī)模測量自然雷電流波形。本實(shí)用新型裝置利用GPRS無線傳輸模塊，將數(shù)字信號傳送至 遠(yuǎn)程終端，這樣有利于將該設(shè)備安裝在人跡罕至的地區(qū)，減少人為提取雷電流波'形所要耗 費(fèi)的人力和物力。同時(shí)，本實(shí)用新型裝置采用了GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)對雷擊點(diǎn)定位，并 為測量系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)以記錄雷擊時(shí)間。本實(shí)用新型測量裝置中采用了柔性羅氏線圈， 并設(shè)計(jì)成開口式，該結(jié)構(gòu)就像一條線，可隨意彎曲，在使用時(shí)，不必解開被測結(jié)構(gòu)，只要 將柔性線圈圍著被測結(jié)構(gòu)繞一圈(或多圈)，再將柔性線圈首末端通過接插件進(jìn)行連接， 從而使羅氏線圈具有良好的柔韌性，易于安裝與拆卸，精巧輕便，安裝十分方便簡單，適 用于野外使用，與已有的硬性羅氏線圈相比，大大擴(kuò)展了羅氏線圈的應(yīng)用范圍。


圖1是本實(shí)用新型提出的脈沖電流測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型測量裝置中所用的柔性羅氏線圈的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本實(shí)用新型柔性線圈中積分器的電路原理圖。
圖2中，l是載流導(dǎo)體，2是熱縮套管，3是金屬屏蔽層，4是柔性骨架，5是繞在柔 性骨架上的線圈，6是導(dǎo)電芯線，作為線圈回線使用，7是積分器。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型提出的基于柔性羅氏線圈的脈沖電流測量裝置，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括
柔性羅氏線圈，用于對被測載流導(dǎo)體進(jìn)行脈沖電流測量，被測載流導(dǎo)體穿過柔性羅氏
線圈，柔性羅氏線圈輸出端，積分器相連；
積分器，用于對上述柔性羅氏線圈輸出的信號進(jìn)行積分還原，以得到與被測脈沖電流
的導(dǎo)數(shù)成比例的模擬信號，積分器的輸出端與數(shù)據(jù)采樣模塊的輸入端相連，積分器可以由 電阻和電容組成；
數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，用于對上述積分器輸出的模擬信號進(jìn)行調(diào)理，利用A/D把模擬信號轉(zhuǎn) 換為離散的數(shù)字信號，然后把數(shù)字信號暫時(shí)儲存在儲存器中；
中央處理器，用于對A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算處理，以得到被測脈沖信 號，中央處理器分別與無線通訊模塊和全球定位系統(tǒng)模塊相連；
無線通訊模塊，用于與外界通訊，無線通訊模塊與中央處理器相連；
全球定位系統(tǒng)模塊，用于對中央處理器的時(shí)鐘時(shí)間進(jìn)行標(biāo)定，全球定位系統(tǒng)模塊與中 央處理器相連。
上述測量裝置中的羅氏線圈，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括套管義、金屬屏蔽層^、柔
性骨架4、線圈5、導(dǎo)電芯線6,和積分器7。套管2、金屬屏蔽層3和柔性骨架4'依次由
外向內(nèi)同心相對固定成為圓環(huán)，在圓環(huán)的一側(cè)為一開口。線圈5繞在柔性骨架4:上，導(dǎo)電
芯線蟲..埋在柔性骨架4中，線圈5的一端與積分器7的一端相連接，線圈5的另一端通 過柔性骨架4中的導(dǎo)電芯線&與積分器7的另一端相連接。
本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，所用的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，選用美國BB (BURR BROWN)公 司生產(chǎn)的ADS901芯片，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊中的儲存器選用美國Cypress公司生產(chǎn)的&7C4251 芯片。所用的中央處理器選用美國Cygnal公司生產(chǎn)的C8051F040單片機(jī)。所用的選用西 門子公司生產(chǎn)的MC39I GPRS模塊。所用的全球定位系統(tǒng)模塊選用諾基亞公司生產(chǎn)的GPS LD-1W無線模塊。
本實(shí)用新型測量裝置中，羅氏線圈的套管由熱縮材料制成；柔性骨架由軟性絕緣材料 制成，例如用由硅橡膠制成。
本實(shí)用新型測量裝置中的積分器，為一無源積分器，由成T形連接的電阻和電容組成， 入圖3所示。
本實(shí)用新型裝置的工作原理是被測載流導(dǎo)體從柔性羅氏線圈的中心穿過，根據(jù)電磁 感應(yīng)定律，柔性羅氏線圈的輸出電壓與被測電流成微分關(guān)系，同時(shí)柔性羅氏線圈與被測載 流導(dǎo)體之間通過磁場耦合，無電氣連接，可以實(shí)現(xiàn)高低壓之間的隔離，保護(hù)了后續(xù)采集設(shè) 備的安全。為了還原出被測電流，需要對該微分電壓進(jìn)行無源模擬積分，積分后的電壓信 號與被測電流成正比。
當(dāng)該裝置應(yīng)用于雷電流測量時(shí)，該裝置可安裝于電力傳輸線路或桿塔頂端等，讓避雷 針穿過柔性羅氏線圈的中心。由于柔性羅氏線圈通常安裝在輸電線路或桿塔上，積分還原 后的信號需要經(jīng)過較長的傳輸電纜至數(shù)字記錄儀，為了保證信號不因受干擾而產(chǎn)生畸變， 本實(shí)用新型裝置采用了在高壓端對還原出的信號進(jìn)行量化處理，將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信 號。
傳統(tǒng)的雷電流測量裝置一般將測量得到的波形用存儲器進(jìn)行存儲，經(jīng)過一段時(shí)間后再 由工作人員將數(shù)據(jù)提取出來。本實(shí)用新型裝置利用GPRS無線傳輸模塊，可以將數(shù)字信號 傳送至遠(yuǎn)程終端，這樣有利于將該設(shè)備安裝在人跡罕至的地區(qū)，減少人為提取雷電流波形 所要耗費(fèi)的人力和物力。
同時(shí)，由于輸電線路所分布的地域廣闊，為了準(zhǔn)確標(biāo)識所記錄的雷電流波形，本實(shí)用 新型裝置采用了 GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)對雷擊點(diǎn)定位，并可以為測量系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)以 記錄雷擊時(shí)間。 '
本實(shí)用新型的脈沖電流測量裝置，根據(jù)被測脈沖電流的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種寬頻帶、寬 動態(tài)范圍的柔性羅氏線圈，便于安裝與拆卸，后續(xù)處理電路簡單可靠。圖2所示的柔性羅 氏線圈中，g為用來保護(hù)線圈并起絕緣作用的熱縮套管，可以從市場上的普通化工商店 購買，4是柔性羅氏線圈的骨架，本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，采用硅橡膠電纜作為線圈 的骨架，"6是硅橡膠電纜的導(dǎo)電芯線，此時(shí)作為柔性羅氏線圈的回線。柔性線圈設(shè)計(jì)成 開口式，首末端通過接插件進(jìn)行連接，以方便使用。使柔性羅氏線圈首末端相連的接插件 可以使用由法國安普公司生產(chǎn)的BNC型接口。
本實(shí)用新型測量裝置中的柔性羅氏線圈，選擇了合適的支撐骨架材料。雷電流測量裝 置通常安裝在戶外，工作條件比較惡劣，溫度變化范圍較大，所以骨架材料應(yīng)選取溫度特 性較好的材料，本實(shí)用新型中采用硅橡膠作為羅氏線圈的骨架材料。硅橡膠具有耐高溫、 耐高壓、防水、防腐等性能，可以工作在一60°C + 180°C。本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中， 采用硅橡膠電纜作為柔性骨架，不僅具有良好的柔韌性，易于安裝與拆卸，還可以利用電 纜的芯線作為羅氏線圈的回線。
本實(shí)用新型測量裝置中的柔性羅氏線圈，必須選擇合適的線圈參數(shù)。根據(jù)被測電流的 幅值和頻率，需要對羅氏線圈的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，如骨架的外徑和長度，繞線的線徑和匝數(shù) 等。本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例中，將線徑為0. l—O. 5mm的漆包銅線均勻密繞在外徑為0.1 一1.0mm的硅橡膠電纜上，在線圈的末端把漆包線與電纜的芯線焊接在一起。在線圈的首 端電纜的芯線和漆包線則作為線圈的輸出端與屏蔽電纜相連接。為了保護(hù)纏繞在骨架上的 漆包線，可以在線圈的外層套上一層熱縮套管，并在線圈的首末端安裝合適的橡膠接頭以 形成環(huán)路。利用硅橡膠電纜的芯線作為線圈的回線，還可以抵消垂直線圈方向磁場對測量 結(jié)果的影響；外界的快速變化電壓會通過雜散電容耦合的方式在羅氏線圈的輸出上疊加高 頻振蕩，在線圈的外層繞上一層銅箔可以有效降低振蕩幅值，但是相鄰銅箔之間應(yīng)留有足 夠的間隙，否則屏蔽層中的環(huán)流會削弱有用磁場，另外銅箔應(yīng)與線圈的某一輸出端相連作 為信號地線；為了減少外界磁場對信號傳輸回路的干擾，傳輸電纜應(yīng)采用雙絞屏蔽線。
為了得到與被測電流成比例的波形，還需要對柔性羅氏線圈的輸出電壓信號進(jìn)行積分 處理。本實(shí)用新型中羅氏線圈工作在外積分狀態(tài)，所以采用了由電阻和電容構(gòu)成的無源積 分電路，其中電阻須保證無感，電容則應(yīng)該泄漏電流小，溫度穩(wěn)定性高。為了實(shí)現(xiàn)積分功 能，電阻值R和電容值C的乘積應(yīng)遠(yuǎn)大于被積信號的周期。無源積分電路原理圖如圖3所 示。
權(quán)利要求1、一種基于柔性羅氏線圈的脈沖電流測量裝置，其特征在于該測量裝置包括柔性羅氏線圈，用于對被測載流導(dǎo)體進(jìn)行脈沖電流測量，被測載流導(dǎo)體穿過柔性羅氏線圈，柔性羅氏線圈輸出端與積分器相連；積分器，用于對上述柔性羅氏線圈輸出的信號進(jìn)行積分還原，以得到與被測脈沖電流成比例的模擬信號，積分器的輸出端與數(shù)據(jù)采樣模塊的輸入端相連；數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，用于將上述積分器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號，并將數(shù)字信號儲存在儲存器中；中央處理器，用于對A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算處理，以得到被測脈沖信號，中央處理器分別與無線通訊模塊和全球定位系統(tǒng)模塊相連；無線通訊模塊，用于與外界通訊，無線通訊模塊與中央處理器相連；全球定位系統(tǒng)模塊，用于對中央處理器的時(shí)鐘時(shí)間進(jìn)行標(biāo)定，全球定位系統(tǒng)模塊與中央處理器相連。
2、 如權(quán)利要求1所述的測量裝置，其特征在于其中所述的羅氏線圈包括套管、金屬屏蔽層、柔性骨架、線圈、導(dǎo)電芯線和積分器；所述的套管、金屬屏蔽層和柔性骨架依 次由外向內(nèi)同心相對固定成為圓環(huán)，在圓環(huán)的一側(cè)為一開口；所述的線圈繞在柔性骨架上， 所述的導(dǎo)電芯線埋在柔性骨架中，線圈的一端與測量裝置中積分器的一端相連接，線圈的 另一端通過柔性骨架中的導(dǎo)電芯線與測量裝置中積分器的另一端相連接。
3、 如權(quán)利要求2所述的測量裝置，其特征在于其中所述的套管由熱縮材料制成。
4、 如權(quán)利要求2所述的測量裝置，其特征在于其中所述的柔性骨架由軟性絕緣材料 制成。
5、 如權(quán)利要求2所述的測量裝置，其特征在于其中所述的柔性骨架由硅橡膠制成。
6、 如權(quán)利要求2所述的測量裝置，其特征在于其中所述的積分器由成T形連接的電 阻和電容組成。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于柔性羅氏線圈的脈沖電流測量裝置，屬于電工高壓測量技術(shù)領(lǐng)域。包括用于對被測載流導(dǎo)體進(jìn)行脈沖電流測量的柔性羅氏線圈；用于對柔性羅氏線圈輸出的信號進(jìn)行積分還原，以得到與被測脈沖電流的導(dǎo)數(shù)成比例的模擬信號的積分器；用于對積分器輸出的模擬信號進(jìn)行模擬調(diào)理，以得到離散采樣信號的數(shù)據(jù)采樣模塊；用于將積分器輸出的模擬信號轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊；用于對A/D轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號進(jìn)行運(yùn)算處理以得到被測脈沖信號的中央處理器；用于與外界通訊的無線通訊模塊；用于對中央處理器的時(shí)鐘時(shí)間進(jìn)行標(biāo)定的全球定位系統(tǒng)模塊。本實(shí)用新型的測量裝置價(jià)格低廉，便于在野外大規(guī)模測量自然雷電流的波形。
文檔編號G01R19/25GK201072427SQ20072017312
公開日2008年6月11日 申請日期2007年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月14日
發(fā)明者何金良, 俊 劉, 輝 王, 陳水明 申請人:清華大學(xué)