（高电压与绝缘技术专业论文）基于雷电流特征值的单片机检测系统设计.pdf

华j 匕电力大学硕+ 学位论文 摘要 雷电流参数的测量是进行雷电研究的基础工作，对于研究雷电特性、分析雷害 事故、鉴定雷击跳闸事故责任、探讨防雷对策及为绝缘配合设计提供精确的大气过 电压原始数据均具有十分重要的意义。相对于现有的测量方法而言磁棒法测量雷电 流参数具有成本低廉、安全可靠、便于大范围雷电流普查的特点。本论文对磁棒法 测量雷电流参数的机理进行了较为深入的探讨，着重于研究以磁棒为核心的雷电流 传感器，开拓了磁棒法测量雷电流参数应用领域的研究。 关键词：磁钢棒，雷电流参数，单片机，机理及应用 a b s t r a c t m e a s u r i n go fl i g h t n i n gp a r a m e t e r si st h eb a s ew o r ko fl i g h t h i n gr e s e a r c h i ti s v e r yi m p o r t a n tf o rr e s e a r c h i n gt h el i g h t n i n gc h a r a c t e r i c t i c s ，a n a l y z i n gt h ea c c i d e n to f l i g h t n i n g ，i d e n t i f y i n gt h er e s p o n s i b i l i t y o fl i g h t n i n gs t r i k e o u t a g e a c c i d e n ta n d d i s c u s s i n gt h es t r a t e g i e so fl i g h t n i n gp r o t e c t i o n i ta l s oc a np r o v i d ep r e c i s eo r i g i n a ld a t a o fa t m o s p h e r eo v e r - v o l t a g ef o rd e s i g n i n gi n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o n c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a lm e t h o d s ，t h ep r o p o s e di d e a lh a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e ss u c ha sm a t e r i a l c h e a p n e s s ，h i g h l yp r e c i s em e a s u r ea n di t c a ns u p p o r tt h el i g h t n i n gc e n s u si nl a r g e r e g i o n s t h i sp a p e rd e e p l yd i s c u s s e dt h em e c h a n i s mo fa l n i c o s t i c kd e t e c t o r ，m a i n l y f o c u s e do nt h ea l n i c o s t i c kd e t e c t o r a p p l i a n c ei ne n g i n e e r i n gf i e l d s ，m a k i n gi t m e a s u r et h el i g h t n i n gc u r r e n tp a r a m e t e r s z h uh u ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t et e c k n o l o g y ) d i r e c t e db y p r o f l iw e i g u o k e yw o r d s ：a l n i c o s t i c k ，l i g h t n i n gp a r a m e t e r s ，s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r ， m e c h a n i s ma n da p p l i a n c e 华j 匕电力大学硕+ 学位论文 摘要 雷电流参数的测量是进行雷电研究的基础工作，对于研究雷电特性、分析雷害 事故、鉴定雷击跳闸事故责任、探讨防雷对策及为绝缘配合设计提供精确的大气过 电压原始数据均具有十分重要的意义。相对于现有的测量方法而言磁棒法测量雷电 流参数具有成本低廉、安全可靠、便于大范围雷电流普查的特点。本论文对磁棒法 测量雷电流参数的机理进行了较为深入的探讨，着重于研究以磁棒为核心的雷电流 传感器，开拓了磁棒法测量雷电流参数应用领域的研究。 关键词：磁钢棒，雷电流参数，单片机，机理及应用 a b s t r a c t m e a s u r i n go fl i g h t n i n gp a r a m e t e r si st h eb a s ew o r ko fl i g h t h i n gr e s e a r c h i ti s v e r yi m p o r t a n tf o rr e s e a r c h i n gt h el i g h t n i n gc h a r a c t e r i c t i c s ，a n a l y z i n gt h ea c c i d e n to f l i g h t n i n g ，i d e n t i f y i n gt h er e s p o n s i b i l i t y o fl i g h t n i n gs t r i k e o u t a g e a c c i d e n ta n d d i s c u s s i n gt h es t r a t e g i e so fl i g h t n i n gp r o t e c t i o n i ta l s oc a np r o v i d ep r e c i s eo r i g i n a ld a t a o fa t m o s p h e r eo v e r - v o l t a g ef o rd e s i g n i n gi n s u l a t i o nc o o r d i n a t i o n c o m p a r e dw i t ht h e t r a d i t i o n a lm e t h o d s ，t h ep r o p o s e di d e a lh a st h ef o l l o w i n ga d v a n t a g e ss u c ha sm a t e r i a l c h e a p n e s s ，h i g h l yp r e c i s em e a s u r ea n di t c a ns u p p o r tt h el i g h t n i n gc e n s u si nl a r g e r e g i o n s t h i sp a p e rd e e p l yd i s c u s s e dt h em e c h a n i s mo fa l n i c o s t i c kd e t e c t o r ，m a i n l y f o c u s e do nt h ea l n i c o s t i c kd e t e c t o r a p p l i a n c ei ne n g i n e e r i n gf i e l d s ，m a k i n gi t m e a s u r et h el i g h t n i n gc u r r e n tp a r a m e t e r s z h uh u ( h i g hv o l t a g ea n di n s u l a t et e c k n o l o g y ) d i r e c t e db y p r o f l iw e i g u o k e yw o r d s ：a l n i c o s t i c k ，l i g h t n i n gp a r a m e t e r s ，s i n g l e c h i p m i c r o c o m p u t e r ， m e c h a n i s ma n da p p l i a n c e 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文基于雷电流特征值的单片机 检测系统设计，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行 的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：爿冬l 日 期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或 其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校 可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同 媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：叁笛 日期：塑：u3 导师签名：座垦囤 日期： 华北电力人学硕十学位论文 1 1 研究课题的提出 第一章引言 雷电是自然界中常见的放电现象。带有电荷的雷云与地面的突起物接近时，它 们之间就会发生激烈的放电。有关研究表明，在地球上任一时刻平均有2 0 0 0 多个雷 暴在进行着，平均每秒有1 0 0 次闪电，有的闪电的强度可以高达兆伏，具有极大的 破坏力。因此，雷电如果击在人或动物身上，由于雷电电流很大，电压很高，能使 人或动物的心脏和大脑发生麻痹而造成伤亡。雷电流的破坏效应还表现在热的方面 和机械的方面。在热的破坏方面，由于雷电流产生大量热的过程时间很短，热量不 易散失，因此，如果雷击在易着火物件的附近时，往往会产生火灾，造成极大的危 害：在机械的破坏方面，结合电动力学知识可知，受雷击物件的导电能力愈小，所 受的机械破坏作用愈大，尤其是当雷电击中树木、木电杆时，其机械的破坏作用尤 为显著。这是由于雷电通路的高温引起木材纤维内湿气的爆发性蒸发而造成劈裂【l 一 2 1 。另外，近年来，由于各种微电子设备的飞速发展，大量的控制芯片在各个领域 已被广泛应用，而微电子设备只能够耐受低压，尤其对电磁脉冲特别敏感，因此， 各种微电子设备受雷击危害的情况也越来越严重，这种情况主要表现在电力、通讯 领域、自动控制领域。据不完全统计，全球平均每年因雷电灾害造成的直接损失就 超过1 0 亿美元，死亡人数在3 0 0 0 人以上。 因此，要预防或减轻雷电带来的危害，就必须研究雷电活动的规律和掌握雷电 的性质以及各种雷电参数。以便根据这些数据来设计防雷保护设备和制定防雷保护 方式，采取有效和经济的防雷保护措施。例如，高压绝缘配合工作必须在考虑雷电 参数的基础上进行设计。又如，电力系统耐雷指标的确定，必须依据当地雷电活动 的情况、雷电流的幅值、雷电流的陡度等参数。 早在2 0 0 多年前，本杰明富兰克林就开始用实验的方法研究雷电，但由于科技 水平所限，对于雷电的研究发展缓慢，直到近代随着电磁学、电子学以及高速示波 器的发展，科学家对落雷规律与雷电参数才有了更深入的认识。英国人r h g o l d e 的宏篇巨著( l i g h t n i n g ( 中文版为雷电，李文思等译，1 9 8 3 年，水利电力出版 社出版) 对雷电参数的分析是建立在b e r g e r 、m a t i nau m a n 、g a r b a g n a t i 等人数以千 计的雷电参数实测数据基础上。要获得准确的数据就必须有相应的测量方法，因此， 近年来，涌现出了很多雷电参数测量方法，这期间，有磁钢棒法、阴极射线示波器、 雷电特性记录仪、雷电定位系统、磁带法和r o g o w s k i 等方法。它们都在历史的舞台 上发挥了举足轻重的作用，为雷电参数的测量和防雷设计积累了宝贵的经验。 1 华北电力大学硕士学位论文 1 2 课题的意义 雷电是灾害性天气，它的活动会造成人员伤亡、电力中断、酿成火灾、击毁电 子设备和通讯设施，引发航天航空事故和森林火灾，其造成的直接和间接经济损失 难以估计。国外很早就开始雷电参数的研究，而国内对雷电的研究相对比较晚，许 多数据都是引用国外的测量结果，尤其是引用许多前苏联的规程和数据相对较多， 这对于我国这样一个幅员辽阔、气候类型极为多样的国家是非常不合适的，因此， 探索一套适合我国国情的易于大规模普及的雷电流参数测量方法是具有广泛而深 远的意义的。另外，目前在国内的防雷设计施工中定性的内容多而定量计算的内容 少，多为凭经验估计，这很容易造成某些防雷装置设计的盲目性，留的裕度大，则 增加了工程造价，造成不必要的浪费，留的裕度小，又不能保证工程质量，降低了 防雷装置的总体性能，其主要原因就是工程设计单位没有合理的依据对设计对象遭 受的雷击进行准确测量。 本课题的研究就是要为防雷保护设计、雷击事故分析提供一种便宜、高效、准 确而且易于推广的雷电流参数测量方法，为防雷设计施工单位以及各级科研机构、 事故鉴定委员会提供最准确的原始资料，使其充分掌握当地的雷电活动规律，避免 工程施工中的隐患和不必要的浪费，以及事故分析中的相互推诿、难以鉴定的现象。 本课题尤其在国内的强雷暴地区有着广泛的应用前景。 1 3 国内外研究现状 在雷电参数测量的过程中，各国雷电工作者投入了相当大的精力，根据不同的 原理及其科学技术的发展，陆续提出和采用了各种测量方法，研制了各种测量装置 进行了测量，如阴极射线示波器、雷电定位系统、磁带测量法【3 j 等方法，得到了一 些令人满意的数据，并用于防雷工程中，取得了良好的经济及社会效益。 国外最早研制成功的测量仪器并用于雷电参数测量的是p o c k e l s 的磁钢棒测量 法，其后，在1 9 2 8 年，b e r g e r 矛0 用阴极射线示波器记录雷电流：1 9 4 0 年，w a g n e r 和 m c c a n n 研制出雷电特性记录仪；上世纪7 0 年代中期，美国人m a r t i nau m a n 、k r i d e r e p 等人研制成功了雷电定位系统，8 0 年代初，美国宇航局的j a f f e r i sw 和c e r r a t or j 提出并使用磁带测量雷电流参数。 我国雷电科研工作者在这方面也投入了大量的精力，并取得了显著的成就。上 世纪六十年代，我国雷电科研人员在对前苏联的磁钢式雷电流陡度仪研究的基础 上，研制了符合我国国情的磁钢式雷电陡度仪，并用于实测；八十年代，我国雷电 工作者吴璞三、孙萍研制成功另一形式的磁钢式雷电流陡度仪，但未出定型产品， 只用于实验室研究。2 0 0 1 年，清华大学硕士研究生林云志用r o g o w s k i 线圈研制了雷 2 华北电力大学硕士学位论文 电流记录仪，为我国雷电研究提供了一种新的方法【4 _ 5 j 。 事物并不是完美的，上述每一种方法都有它的优点与缺点。 磁钢棒是最早用于雷电参数测量的方法，现在仍在电力系统中使用【6 】。一般用 该方法测量雷电流幅值。磁钢棒的缺点也是显而易见的，主要表现在以下几个方面： ( 1 ) 钢棒的配方和生产工艺的分散性导致产品性能不稳定无法统一确定钢棒 上剩磁与所测雷电流的准确关系； ( 2 ) 测量磁钢棒上剩磁时要十分小心以免磁钢棒被消磁； ( 3 ) 磁钢棒无法测出几千安以下的雷电流，有时还会由于强雷电流出现饱和； ( 4 ) 磁钢棒无法测出雷电流的极性； ( 5 ) 运输过程中，周围磁化的钢棒和颠簸对磁钢棒的剩磁有影响。 由于上述种种因素导致磁钢棒测试灵敏度低，测量误差大，误差常达1 0 - - 3 0 ，甚至更大。 高速阴极射线示波器在二十世纪二十年代末期一经出现就被应用于雷电流的 观察与记录，b e r g e r 等在瑞士的圣萨尔托山( m o u n ts a ns a l v a t o r e ) 、g a r b a g n a t i 等 在意大利、g o r i n 在莫斯科5 3 7 米高的电视台都观测到了雷电波的全过程。随着微电 子技术的不断发展，采样频率高达5 g s s 的数字示波器已经很常见，它为人类进一步 了解雷电的特性提供了很好的条件【卜m 】。示波器虽然能记录雷电流的全过程，为人 们提供了最准确、最完整的雷电流参数，但是它也有局限性： ( 1 ) 示波器属于精密仪器，要求有无畸变的电流分流器，观测成本高； ( 2 ) 由于示波器观测成本高，所以只能装置在特定地点，记录指定装置上的 雷电流，受经济性能影响，不能大面积推广应用； ( 3 ) 现场测量环境有许多电磁干扰，测量波形会叠加许多振荡与毛刺，造成 测量结果波形失真； ( 4 ) 由所记录的雷电波推算雷电流波形时，受到多方面的限制； ( 5 ) 数字示波器是抽样采集数据，如何对这些离散的数据进行数字信号平滑 处理，减少测量误差，也是一个很大的难题。 雷电定位系统研制成功初期曾应用于肯尼迪宇航中心，随后逐渐在世界各地推 广应用，该系统既可以可对雷电进行定位也可以记录雷电参数。我国是上世纪8 0 年 代末期引进该项技术，经过国家电力公司武汉高压研究院对该技术的消化、吸收与 开发，使我国成为继美国之后在该领域拥有自主知识产权的国家。雷电定位系统在 我国的发展经历了三个阶段：第一个阶段是方向探测定位系统，其实质是利用多个 ( 两个以上) 地理坐标已知的探测站的十字框型天线确定闪电点到探测站的距离， 从而确定闪电点的坐标：第二个阶段是时间法定位系统，该系统利用g p s 得到闪电 到各站的时间差，并由时间差得到距离差；第三个阶段是综合法定位系统，该系统 将前两个系统综合起来实现优势互补，从而大大精确了测量结果【1 1 - 14 1 。雷电定位系 3 华北电力大学硕十学位论文 统已在北美、日本及中国的许多省市推广应用，各国也在使用中发现了一些问题， 如： ( 1 ) 设备复杂，前期安装投资费用很大； ( 2 ) 如果要获得被雷击的杆塔号，就必须绘制十分精确的电子地图，使雷电 探测站和每一个杆塔的地理坐标误差 5 米，要达到这种精度所要完成的工作量与所 使用的测绘技术不是电力部门一家所能承担的； ( 3 ) 定位系统本身存在一定的误差与探测死区，容易把雷云之间的放电误记 为雷云对地放电，如果要提高探测精度，就必须增加探测站的个数、提高探测灵敏 度，但这样做的同时也大大增加了投资； ( 4 ) 地形因素对探测站的干扰很大，像安徽、山东、广西、山西等这样的高 山林立、地形起伏不平的地区，测量误差较大； ( 5 ) 定位系统对雷电流幅值的计算偏小，计算依据有误差。 磁带法测量雷电流参数，最早是在上世纪八十年代初由美国宇航局( n a s a ) 的 j a f f c f i sw 和c e r r a t orj 提出并首先在航天中心使用的，该方法利用雷电流通过导体 时可将靠近导体的磁带上预先录制的波形抹掉的特性，通过读取磁带上剩余波形， 测算出雷电流的幅值。该方法和磁钢棒测量法在原理上相似。上世纪八十年代未广 西大学硕士研究生王巨丰对该法进行了研究，并按照中国的实际国情对其进行了进 一步的改造，结合单片机做出了国内首个雷电幅值读出装置试验样品。日本也进行 过类似的研究，不过他们是把磁带装在引雷火箭头部，将火箭回收后读取闪电幅值。 从1 9 9 4 年开始，中国科学院兰州大气物理研究所在他们所进行的多次人工引雷试验 中采用磁带法测量雷电流幅值，取得了良好的效果。该方法经国内外实践证明是一 种可靠的雷电流参数测量方法。但是也有许多局限性： 第一，由于从磁带上读取被雷电流消磁后的残余波形的手段的缺陷，使该方法 的测量精度不高； 第二，可测雷电流幅值的下限不够低，不能测量幅值较小的雷电流波形，导致 部分雷电波形不能记录； 第三，该方法不能测量雷电流陡度，但有时电力系统或通讯系统的雷击事故恰 恰是由幅值不大但陡度较大的雷电流引起的。 r o g o w s k i 线圈法测量雷电流参数是近年来提出的一种新方法，该方法利用电流 流过导体时会在其周围产生磁场的电磁特性，测量接地线上流过的电流从而间接得 到雷电流波形。2 0 0 1 年，清华大学硕士研究生林云志用r o g o w s k i 线圈研制了雷电流 记录仪，开辟了我国雷电流测量的新方法。在该测量系统中，r o g o w s k i 线圈相当于 一个电流互感器，其一次侧为单根载流导线，二次侧为r o g o w s k i 线圈。 单根导线位于线圈的中心，线圈上绕线均匀。r o g o w s k i 线圈原理图如图l l 所 示。由于雷电流波形是无规则变化的，因此，在其周围空间产生的磁场也是变化的， 4 华北电力大学硕士学位论文 图1 1r o g o w s k i 线圈原理图 1 单根载流导线2 r o g o w s k i 线罔 在绕线两端就会感生出变化的电压，将两端电压积分还原后就可得到雷电流波形。 近年来，通过实验室研究，发现r o g o w s k i 线圈法测量雷电流具有较高的精度， 且方法简便。但是该方法没有能够被普及推广，原因在于其成本昂贵，不便于大范 围安装。 本课题在前述测量方法的基础上，利用锰锌铁氧体磁棒( 以下简称磁棒) 研究一种新型的雷电流测量装置，大大降低了其生产成本，使其可以在输电线路所 覆盖的范围内大面积安装，且保持了一定的测量精度。 实验室现有的该磁棒的规格为： 锰锌铁氧体 材料： r 4 0 0 ( m x 4 0 0 ) r 是国外标号，m x 是国内标号，4 0 0 是初始导磁率 规格： y 1 0 * 1 2 0 直径：i c 长度( 单位为r a m )y 表示圆形 b 5 * 1 6 1 0 0厚木高木长度( 单位为m m ) b 表示扁形 工作频率： 5 r 时，就可 认为该导线是无限长导线。此时，易近似等于7 ，谚近似等于0 ，因此，上式可写为： b ：型 ( 2 2 ) 2 a t 且磁感应强度方向与载流导线中的电流方向符合右手螺旋定则。 在r o g o w s k i 线圈法测量电流系统中，r o g o w s k i 线圈相当于个电流互感器测量 r 华北电力大学硕士学位论文 系统，其一次侧为单根载流导线，二次侧为r o g o w s k i 线圈。单根导线位于线圈的中 心，线圈上绕线均匀。r o g o w s k i 线圈原理图如图2 2 所示。线圈截面和载流导线处 于垂直位置。 j 图2 2r o g o w s k i 线罔原理图 1 单根载流导线 2 r o g o w s k i 线圈 在实际应用中，线圈所围绕的单根载流导线的长度总是远大于线圈的内径，被 测导线可以近似看作无限长导线。因此，由前述所知，距离载流导线r 的任一点处产 生的磁感应强度为 b ：l u o i ( t )( 2 - - 3 ) 2 m 式中i ( t ) 茭t j 被测电流。 因此，可计算出r o g o w s k i 线圈上整个小线圈交链的磁通为 ( t ) - - n f 挚办= 警i n 口b ；o ) c 2 叫 式中，n 为r o g o w s k i 线圈上整个小线圈的总匝数；a , b 分别为以载流导线的中心 为圆心的r o g o w s k i 线圈的内径和外径h 为r o g o w s k i 线圈侧面高度；1 t o 为真空磁导率。 由法拉第电磁感应定律可得： e “) ：一剑：一g a o _ a h i n b 盟( 2 - 5 ) 出 2 z ad t 在上式中，令 m ：一n a o _ _ _ a hh lb _( 2 - - 6 ) 则( 2 - - 6 ) 式即为 叱) = m 掣 当线圈结构一定时，线圈侧面高度h 、小线圈总匝数n ， 为定值，灿也不变，因此，m 即为一个常量。 对上式两端积分，可得 沁) = 万1 p ( ，) a t ( 2 7 ) 小线圈内径a 、外径b o o ( 2 8 ) 华北电力大学硕十学位论文 因此，对r o g o w s k i 线圈两端的输出电压积分即可还原出被测电流。 2 1 2 磁棒法测量电流的基本原理 磁棒法测量脉冲电流的原理与r o g o w s k i 线圈法的原理是相同的，也是利用被测 电流产生的磁场在线圈内感应的电压来测量电流，它们的区别在于：r o g o w s k i 线圈 是把载流导线包围起来，充分利用了电流流过导线时在其周围空间产生的磁场；而 磁棒只是放置在距离载流导线很近的位置，部分利用了电流在导线周围产生的磁场 1 1 6 - 1 7 】。以矩形磁棒为例，磁棒法测量脉冲电流的原理图如下图2 3 所示。 f 习 -tb 1 正视图俯视图 图2 3 载流导线与磁棒位置关系 图2 - - 3 中，i 为单根载流导线，a 为导线中心到磁棒靠近导线侧磁棒边缘的距离， b 为矩形磁棒宽，h 为矩形磁棒横截面高度。磁棒上均匀绕制线圈，图中只表示了载 流导线和磁棒的位置关系，没有表示磁棒上的线圈。 假定磁棒长度为l ，磁棒与载流导线正交。当i 中流过i ( t ) 的电流时，会在其周围 空问产生磁场。 r o g o w s k i 线圈样，可以认定载流导线为无限长直导线，则该电 流在导线周围距离导线r 远的任一点产生的磁感应强度为 b ：- t o i ( ) ( 2 9 ) 因此，在图2 - - 4 所示的曲面s - 上穿过的磁通量为 ：b s ( 2 1 0 ) 由图所示，s t 与s 的关系为 s = s c o s t 9( 2 1 1 ) 相应地，在磁棒任意横截面上的磁通量为 a o s 秒 ( 2 1 2 ) 则电流i ( t ) 在磁棒横截面上产生的磁通量为 批胁湖= g a + b 熹黯办= 丽i t o h i ( t ) i n 警( 2 - - 1 3 ) 华北电力大学硕士学位论文 图2 4 磁力线穿过磁棒 若磁棒放置位置满足上图所示位置关系，则0 角的取值范围为 一一丽l 删a n 赤 ( 2 - - 1 4 ) 因此，整个磁棒穿过的磁通量为 扯删觚硒2 ( a 型臼 ，：+ r 6 ) 骂臼 。一a r c t a i l l 一2 n c o s 8 2 ( a + 6 ) 假定磁棒上绕线均匀，且共有n 匝绕线，则穿过磁棒的总的磁通量为 ：n f 删锄丽型1 1 0 ：f2 ( 口+ 6 ) 蛸 。一a r c t a i l l 2 7 r c o s o 2 ( a + 6 ) ：燮尘l l l l 2 + 2 ( a + b ) 2 + 2 l 4 一l = 2 + 一4 ( a + 一b 一) 2 4 x 2 ( a + 6 ) z 由法拉第电磁感应定律可得，在磁棒绕线上产生的电势为 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) e ( f ) ：一_ d o ( t ) d t 一壁h l 2 + 2 ( a + b ) 2 + 2 l 4 l ；至2 + 4 ( ；a 三+ 三b ) 三2 d i ( t ) ( 2 - - 1 7 ) 4 n 2 ( 口+ b ) 2 d t + 一 0 一 + lp h 吩一 燮粝 华北电力人学硕士学位论文 一h l n l 2 + 2 ( a + b ) 2 + 2 l j l 2 + 4 ( a + 一b ) 2 4 万 2 ( a + 6 ) 2 为一常量，令 膨：一t o a h1 1 1 l 2 + 2 ( a + b ) = + 2 l 4 l _ = + 4 ( a 一+ b ) 2 则式( 2 - - 1 7 ) 可写为 州：m 掣 对( 2 - - 1 9 ) 式两端积分，可得 稚) 2 万1p ( ，) 班 因此，对磁棒匕的输出电压积分即可还原出被测电流【1 8 2 5 1 。 2 2 模拟雷电流 ( 2 一1 8 ) ( 2 一1 9 ) ( 2 2 0 ) 雷电是一种随机发生的自然现象，不论用什么方法，都不能随时取得雷电流。 目前，为了实验室试验方便，国内外普遍采用的方法是利用冲击电流发生器产生幅 值为几个k a 、持续时间为微秒级的脉冲电流模拟雷电流。 2 2 1 冲击电流发生器恤6 _ 2 7 1 冲击电流发生器的基本原理是：几台或几组大容量的电容器经由高压直流装 置，以整流电压或恒流方式进行并联充电，然后通过间隙放电使试品上流过冲击大 电流。图2 5 是冲击电流发生器的原理图。 图2 5 冲击电流发生器原理图 它包括整流充电电源和冲击放电回路两部分。图中，c 为许多并联电容的总电 容值，l 及r 为包括电容器、回路连线、分流器、球间隙以及被试品上火花在内的电 感及电阻值。g 为点火球间隙，d 为整流硅堆，r 为保护电阻，o 为试品，s 为分流器。 1 2 2 2 2 模拟产生雷电流过程中冲击电流发生器参数的确定础1 脚毗黜删暑竺1 鼢i i d t 旆d 舶i r ； 沪2 ) 一h 为篇磊赢菇了i 到所需要的模拟雷怵讨论 放电回路方程中的电流i 为时闻。的函数口刀。同刘 “ 舯麓篮下，即居时，解得黼蝴为( 1 ) 弱阻尼情况下，即尺 2 括时，解得放电电流为 稚) = 忐拦甑喏灿( 历丽t 电流到达幅值的时刻为 。= 雁a r c 锄宰 电流幅值为 一纠焉一宰 1 4 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) 华北电力人学硕士学位论文 此时电流呈现非振荡波形式。 定性分析：( 1 ) 无论放电电流是周期性的还是非周期性的，脉冲电流的幅值i m 都与电容器c 中储存的能量和放电回路中的电感l 有关。要增加脉冲电流的幅值，可 以从两个方面着手。一方面是增加电容器中储存的能量，即提高电容器的充电电压 u o 和增加回路中电容器组的电容量。另一方面是减少放电回路的电感l 。 ( 2 ) 无论放电回路是周期性的还是非周期性的，脉冲电流的幅值i m 都与放电回 路中的电阻r 有关，f ( a ) 随r 减少而增加。因此，为了增加脉冲电流的幅值，应尽 可能减少放电回路的电阻r ： ( 3 ) 无论放电电流是周期性的还是非周期性的，脉冲电流的最大陡度都是一 样的，即 f d i1 ：v o ( 2 3 0 ) l d t 一 而且只取决于电容器组的充电电压u o 和放电回路的电感l ，与放电回路的电阻r 无关。为了获得最大的电流陡度，应该适当提高充电电压和尽量减少放电回路的电 感。 定量计算：在传统的方法中，为了有效地调节冲击电流发生器的参数使之达到 所要求的电流波形，通常是用查曲线图的方法，结合计算公式，得到某些参数的值， 从而准确地得到电流波形。图1 和图2 是我国在调节冲击电流发生器时常用的参数关 系图。1 蛩2 - - 7 表征了q 与f ，、f ：及t 。t f 之间的关系，1 訇2 - - 8 表征了与及2 _ n 的关 系。 、札 k f t 烈 、j i x ! ，中。 、一。童二。，( 蜜 i x 哆、瑁 l ： ； 西，、 l 哪 2 a ，( _ 漆撼i | 、 、， 1 6 1 4 意 、- h8 专6 。 2 o i t z i i 二_ j - 7一_ o 之 ； j 平 ! _ 1 一_ 1 i 1 、 t i t j 1 i 1 ， t 少一， 乒 、- t ? ， 、 1 1 i _q 图2 7 a 与、t 及t t t r 之间的关系曲线图 图2 8q 与及的关系曲线图 具体计算步骤如下所示：若要产生波头时f 日- j t f ) - t 寸2 5 u s 、半波时间t 。5 0 u s 、幅值 i m 为5 0 k a 的冲击电流，如果取回路电阻r 为0 5 q ，需要求得参数：电感l 、电容c 及充 电电压u o 的值。 第一步：计算t t t 馆为5 0 2 5 = 2 0 ，由a 与、f ：及t t t f , 之f i l l 的关系曲线图查得 1 5 ：-：-：“钆“ f尝-i 华北电力大学硕士学位论文 a 3 0 对应a 为3 0 的t ，o 3 8 第二步：由公式计算 l = ( 2 a ) r = ( 2 x 3 o ) o 5 = 1 2 m = t 厂6 = 2 5 o 3 8 6 5 8 第三步：计算电感l 及电容c 的值 l = m 1 = 6 5 8 1 2 o 5 5 ( u h ) c = l x m = 1 2 6 5 8 7 8 9 6 ( u v ) 第四步：由c 与乇及乇的关系曲线图，查得对应于旺为3 o 的t o 13 ，则 u o = i m ( i x 乇) = 5 0 ( 1 2 x o 1 3 ) = 3 2 0 5 ( k v ) 下表1 是摘自高电压试验技术一书中，由上式计算得到的某冲击电流发生器 的参数。即要得到波前时间t f 为2 5u s 、半波时间t 。为5 0 u s 、电流幅值i m 为5 0 k a 的电流 波形，需要求电流发生器参数中电阻r 为0 5 q 、电感l 为o 5 5 u h 、电容器组的总容量 c 为7 8 9 6 u f ，且需要对其充电使电压为3 2 0 5 k v 。 表2 一l 参考冲击电流发生器参数 t f ( u s )t t ( u s )t t t fi m ( k a )r( q )l ( u h )c ( u f )u o ( k v ) 2 55 02 05 0 o 5 o 5 5 7 8 9 6 3 2 0 5 下列各表以上表为标准，通过改变不同参数的值，表示了各个参数与得到的电 流波形之间的关系。 表2 2i ”r 及t 。不变时，改变t f 后得到的l 、c 及u o t f ( u s )t t ( u s )t t t fi m ( k a )r( q )l ( u h )c( u f )u o ( k v ) 2 55 02 05 0o 5o 5 57 8 9 63 2 0 5 55 01 05 0 0 51 2 69 7 7 7 3 3 4 2 2 1 0 5 05 5 0o 53 7 8 77 3 3 3 3 2 4 7 2 05 02 55 0o 51 5 1 52 1 8 16 4 1 2 55 025 0o 53 1 2 5 0o 51 2 5 0 0 上表表明，在所要求电流幅值i m 、半波时间t 。及回路电阻r 不变时，要增大波前 时间，需要增加电感l 的值，反之则需要减小电感l 。而电容及充电电压的变化趋势 不能确定，原因在于：在上式的计算过程中，随着t f 的增大和t t t 艟的减小，a 值呈下 降趋势，由旺与t 厂、f 及t t t f 2 _ 间的关系曲线图可知，f 厂呈上升趋势，因此，l 随a 值 变化也为下降趋势，但是m 值在f i r 与t f 的共同作用下呈上升趋势，导致c = l x m 的值的 变化趋势不能判定；同时，由于0 【值呈下降趋势，所以t = f ( a ) 呈上升趋势，但同 时l 是减小的，因此，不能判定u o = i m ( 1 x t ) 的变化趋势。 1 6 华北电力大学硕士学位论文 表2 3i m 、r 及t f t l - ：变时，改变t 。后得到的l 、c 及u o t f ( u s )t t ( u s )t t t ti m ( k a ) r( q )l ( u h )c ( u f )u o ( k v ) 2 55 02 05 0o 50 5 57 8 9 63 2 0 5 2 52 51 05 0o 5o 6 34 8 9 33 3 4 2 2 51 565 00 5o 8 72 3 6 43 5 6 1 2 5 1 0 4 5 00 51 0 11 3 3 93 6 1 5 2 5 5 25 0 0 51 6 6 7 0 2 4 4 3 4 0 3 上表表明，在所要求电流幅值i m 、波头时f a j t f 及回路电阻r 不变时，要增大半波 时间，也需要增加电感l 的值，反之要减小电感l 的值。虽然同上表一样，随着t 的 变化，0 【值呈下降趋势，即l 是一减小的值，但由于m 值也是随着减小，因此电容c 的 值呈减小趋势。同时，充电电压值呈微弱的上升趋势。 表2 - - 4i m 、r 及t l t 值不变时，得到的l 、c 及u o 的变化趋势 t f ( u s )t t ( u s )t t t fi m ( k a ) r( q )l ( u h )c ( u f ) u o ( k v ) 1 05 055 00 53 4 78 03 4 。7 2 52 555 0o 51 7 4 4 0 3 4 7 2 31555 0o 51 0 42 43 4 7 2 2l055 00 50 6 91 63 4 7 2 1555 0o 5o 3 583 4 7 2 上表表明，在i m 、r 不变，并维持t 。t 值一定时，充电电压的值保持一定，并且 电感l 及电容c 的值随t 。和t 威比例关系变化。即若在半波时间与波前时间的比维持 一定值的条件下改变其实际波形的大小，则只需要调整电感l 及电容c 的值，不需要 改变充电电压的值。 表2 5t f 与t 。、r 不变时，i m 与其余参数的关系 t f ( u s )t t ( u s )t t t fi m ( k a )r ( q )l ( u h )c ( u f ) u o ( k v ) 2 55 02 01 0o 50 5 57 8 9 66 4 1 2 55 02 03 0o 50 5 57 8 9 61 9 2 3 2 55 02 05 00 50 5 57 8 9 63 2 0 5 2 5 5 0 2 07 0 o 50 5 57 8 9 64 4 8 7 2 5 5 0 2 09 0 o 5o 5 57 8 9 65 7 6 9 上表表明，在所要求的波前时间及半波时间不变的条件下，要增大或减小电流 幅值，只需要相应地改变充电电压的值即可，即电流幅值只与充电电压有关，而与 回路中其它参数无关。 1 7 华北电力人学硕十学位论文 一般情况下，在冲击电流发生器的一次调节中，电容器组的容量总是保持不变， 而且总是在同一个充电电压下调节波形，通常在调节过程中，只改变电阻r 及电感l 的值，因此，以下两个表分别说明。 表2 6c 、u o 及r 不变，改变l t f ( u s )t t ( u s )t t t fi m ( k a )r( q )l ( u h )c ( u f )u o ( k v ) o 4 83 0 0 66 2 67 2 0 40 50 17 8 9 63 2 0 5 1 8 53 2 9 51 7 84 9 9 2o 50 5 57 8 9 63 2 0 5 4 0 3 9 9 9 1 0 04 5 5 60 517 8 9 63 2 0 5 1 2 9 26 1 64 84 4 5 80 557 8 9 63 2 0 5 2 1 9 27 8 6 83 64 0 5 3o 5l o7 8 9 63 2 0 5 3 4 5 71 0 3 3 23 o3 3 7 5o 52 07 8 9 63 2 0 5 上表表明，在电阻不变，改变电感的情况下，随着回路中电感的增大，波头时 间与半波时间也分别相应增大，但是波头时间变化较快，半波时间变化较慢，半波 时问与波前时间的比值呈减小趋势。同时，电流幅值则随电感值的增大呈减小趋势。 由此可见，电感大小的变化，将导致波前时间与半波时间的变化，同时影响电流幅 值的大小。 表2 7c 、u o 及l 不变，改变r t f ( u s )t t ( u s ) t t t fi m ( k a )r ( q )l ( u h )c ( u f )u o ( k v ) 3 1 4 77 5 8 72 47 0 2 5o 11 07 8 9 63 2 0 5 2 1 9 27 8 5 83 64 5 0 30 51 07 8 9 63 2 0 5 1 4 91 0 3 9 7 6 9 2 2 5 1 11 07 8 9 63 2 0 5 1 1 2 4 1 3 4 8 81 2 01 3 5 121 07 8 9 63 2 0 5 4 7 8 2 9 5 0 5 6 1 7 7 2 151 07 8 9 63 2 0 5 上表表明，在电感不变，改变电阻的情况下，随着回路中电阻的增加，波前时 间呈下降趋势，而半波时问在逐渐增大，半波时间与波前时间的比则随之增大。同 时，随着电阻值的增大，电流幅值呈下降趋势。由此可见，电阻大小的变化，将导 致波前时间与半波时间的变化，同时影响电流幅值的大小。 综合上面几个表可得：在冲击高压发生器的一次调节过程中，改变电阻和电感 的大小，将同时影响波前时间与半波时间，且影响电流幅值的变化。增大电感或电 阻，将使半波时问增大，且同时使电流幅值减小；但不同的是，增大电感，会使波 前时间增大，且使半波时间与波前时间的比值减小，而增大电阻，则会使波前时间 减小，且使半波时间与波前时间的比值增大。 1 8 华北电力大学硕士学位论文 随