（高电压与绝缘技术专业论文）输电线路雷击闪络电流测量的研究.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：本文首先分析了雷电的产生、雷电流参数以及雷击输电线路发生闪络的机 理和特征，并以此为依据结合有关国家标准设计了雷电测量装置的关键参数；在 总结国内外现有研究成果的基础上，对目前正在工程实际中使用的测量方法进行 比较，确定了输电线路雷击闪络电流测量的设计方案。根据雷击输电线路闪络电 流的特性和测量要求，设计并制作了相应的测量装置硬件板卡；应用m a p l a b 集 成开发环境对数据采集以及串行通信等底层软件进行了开发和调试，并给出了相 应的测量数据。同时，对本系统的过电压保护进行了相关分析，并设计了相应的 s p d 浪涌保护器，完成了硬件电路的制做，并给出了采用不同元件的对比分析以 及实验数据。 在硬件电路的实现上，综合运用了各种电磁兼容措施，设计了可靠的单片机 系统复位电路、r a m 保护电路等模块，并设计了合理的保护电路和前置调理电路， 保证了整个系统的安全可靠工作和数据的安全；无线通信部分则设计并制作了 m c 3 9 i 的开发板用于通信模块的开发调试，以及g p s 模块，并给出了相应的测试 结果。在软件设计上，除了对整个系统的底层软件开发外，还采用以小波变换为 基础的阈值收缩算法进行消噪，提高了数据采集的抗干扰能力，并用m a t l a b 小 波工具箱进行了仿真。 在实验室对模拟信号进行了数据采集与通信的实测，表明该系统的工作情况 稳定可靠，达到了相应的设计要求。 关键词：数据采集：雷电流；s p d ；电磁兼容；m c 3 9 i ；g p s 分类号：t m 2 1 6 北京交通大学硕十学位论文 a bs t r a c t a b s t r a c t ：t h ec o n c e p to fl i g h t n i n g , p a r a m e t e r so fl i g h t n i n gc u r r e n ta n d f l a s h o v e rm e c h a n i s mo c c u r r e di nt r a n s m i s s i o nl i n es t r u c kb yl i g h t n i n ga r ea n a l y z e df i r s t t h e k e yp a r a m e t e r so fm e a s u r i n gd e v i c e sf o rl i g h t n i n gc u r r e n ta r ed e s i g n e da c c o r d i n g t or e l a t e ds t a n d a r dt r e n d s o nt h eb a s i so ft h ec o n c l u s i o no ft h ea v a i l a b l er e s e a r c h r e s u l t sa th o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e rc o m p a r e sm e a s u r e m e n tm e t h o d sb e i n gu s e di n t h ep r a c t i c a lp r o j e c t sc u r r e n t l y , a n dd e s i g nt h em e t h o du s e dt om e a s u r et h el i g h t n i n g f l a s h o v e rc u r r e n tf o rt h et r a n s m i s s i o nl i n e a c c o r d i n gt oc h a r a c t e r i s t i c so ff l a s h o v e r c u r r e n ti nt r a n s m i s s i o nl i n es t r u c kb yl i g h t n i n ga n di t sm e a s u r e m e n tr e q u i r e m e n t s ，t h e m e a s u r e m e n td e v i c e sa r ed e s i g n e da n df a b r i c a t e d a p p l i e dw i t hm a p l a bi n t e g r a t e d d e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t , d a t aa c q u i s i t i o na sw e l la st h eb o a o ms o f t w a r eo ft h es e r i a l c o m m u n i c a t i o n sa r ed e v e l o p e da n dd e b u g g e d ，a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e m e n td a t a i sp r o v i d e d m e a n w h i l e ，o v e r - v o l t a g ep r o t e c t i o nf o rt h es y s t e mi sa n a l y z e dr e l a t i v e l y , t h ec o r r e s p o n d i n gs p di sd e s i g n e d ，t h eh a r d w a r eo ft h ec i r c u i to ft h es y s t e mi s a c c o m p l i s h e d ，a n dc o m p a r a t i v ea n a l y s e so fr e s u l t su s e i n gd i f f e r e n tc o m p o n e n t sa sw e l l a se x p e r i m e n t a ld a t aa r ep r o v i d e d av a r i e t yo fe m cm e a s u r e sa r ea d o p t e ds y n t h e t i c a l l yd u r i n gt h ep r o c e s so f h a r d w a r ef a b r i c a t i n g t h ed e s i g n i n go ft h er e l i a b l er e s e tc i r c u i t ，r a mp r o t e c t i o n c i r c u i t s ，s i g n a lp r e - c o n d i t i o n i n gc i r c u i ta n dp r o t e c t i o nc i r c u i tf o rs y s t e m ，c o u l dk e e pt h e w h o l es y s t e mw o r k i n gr e l i a b i l i t y t h ed e v e l o p m e n tb o a r do fm c 3 9 ia n dg p sm o d u l e a r ed e s i g n e da n dp r o d u c e da p p l i e dt od e b u ga n dd e v e l o pc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，a n d t h ec o r r e s p o n d i n gt e s tr e s u l t sa reg i v e n i nt e r m so fs o f t w a r ed e s i g n ，t h eb o t t o mc o n t r o l f o rt h ew h o l es y s t e mw a sd e v e l o p e d ；r e l a t i v er e a s o n a b l ea l g o r i t h mb a s e do nw a v e l e t s h r i n k a g ef o rd a t a p r o c e s s i n g i sd e s i g n e d a n dt h ea n t i - i n t e r f e r e n c ea b i l i t yo fd a q s y s t e mw a si m p r o v e d ，w h i c hi se m u l a t e dw i t ht h es o r w a r eo fm a t l a b w a v e l e t t h ed a t aa c q u i s i t i o nf o ra n a l o gs i g n a la n dt h ec o m m u n i c a t i o na r et e s t e di nt h e l a b o r a t o r y a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h es y s t e mi ss t a b l ea n dr e l i a b l e , a n dt h es y s t e ma c h i e v e st h ea p p r o p r i a t ed e s i g nr e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o n ；l i g h t n i n gc u r r e n t ；s p d ；e m c ；m c 3 9 i ；g p s c i cn o ：t m 2 1 6 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，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，也不包含为获得北京交通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：签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：意吃明 签字同期：少刁年厂月矽同 导师签名： 签字日期：一年名月群同 致谢 本论文的工作是在我的导师张小青教授、时卫东副教授和董春副教授的悉心、 严格的指导下完成的，三位导师渊博的学术知识、严谨的治学态度和科学的工作 方法给了我极大的帮助和影响，他们勤奋求实的工作作风、锐意进去的创新精神 都深深地影响着我。 张小青老师、时卫东老师和董春老师悉心指导我完成了实验室的科研工作， 在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，所以在此论文即将完成之际， 特向张小青老师、时卫东老师和董春老师致以最诚挚的谢意。 课题的硬件调试及编程部分得到了杨斌、丁桂林、张思博、李凡红等同学的 大力协助，陈占富、王钦冰等同学和杨大晟师兄对课题的理论部分给予了热情的 帮助，在此一并表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，师兄黄福存和杨建明对我论文的写作给予了 富有成效的指导，在此向他们表达我的感激之情。 最后要深深感谢我的家人和朋友李博洋等，他们的关心、理解和支持一直伴 随着我，使我的学业得以顺利完成，值此论文完成之际，特向他们致以最诚挚地 谢意和最美好的祝愿。 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 雷电就其本质而言是自然界的一种超长气隙的火花放电。按雷电的发展方向 可分为上行雷和下行雷，按雷云入地电荷极性又可分为正极性和负极性。雷电的 主要危害有以下几种：一是电流高压效应会产生高达数万伏甚至数十万伏的冲击 电压，如此巨大的电压瞬间冲击电气设备，足以击穿绝缘体，使设备发生短路， 导致燃烧、爆炸等直接灾害；二是电流高热效应会放出几十至上千安的大电流， 并产生大量热能，在雷击点的温度会很高，可导致金属熔化，引发火灾和爆炸； 三是雷电流机械效应主要表现为被雷击物体发生爆炸、扭曲、崩溃、撕裂等现象， 导致财产损失和人员伤亡。 雷电对电力系统造成的危害尤为严重，从电力工程的角度看，最值得注意的 有两个方面：第一，雷电放电在电力系统中引起很高的雷电过电压，造成电力系 统绝缘故障和停电故障，严重影响电力系统供电可靠性；第二，雷电放电产生巨 大电流，极易使被击物体炸毁、燃烧、导体熔断或通过电动力引起机械损坏【l i 。 电力系统防雷主要从两个方面进行：一是针对厂站的防雷，二是输电线路尤 其是架空线路的雷电防护。输电线路是电力系统的大动脉，它将巨大的电能输送 到四面八方，是连接各个变电站、各重要用户的纽带。输电线路的安全运俄，直 接影响到了电网的稳定和向用户的可靠供电。在我国电力系统各类事故统计中， 输、配电线路的雷害事故占有很大的比例。由于输电线路对于保“网 的重要地 位，如何减少输电线路的雷害事故已成为电力系统安全稳定运行必须重视的的一 项重要课题。 毫无疑问，在电力系统中对雷电流进行检测，准确了解雷电流的特性( 幅值及 各种波形参数) ，对研究雷电特性、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原始数据等具有十分重要的理论和现实意 义；雷电流及输电线路雷击信息测量新技术的提出可以获得全世界普遍缺乏的实 测雷电流参数，并对现有参数进行有效校正，完善雷击模型：雷电监测与防护是 研究和改善电网防雷安全水平系统技术路线，雷电监测能发现电网雷击点，找出 雷电活动规律和雷电参数，是电网防雷的基础和重要手段；以雷电监测为基础的 雷电防护能彻底改变粗放、盲目的防雷措施，可针对“易闪段圩重点提出防护措 施实现输电线路的“差异化防雷设计一，实现电网主动防雷。 北京交通大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状及发展趋势 国外对雷电流测量方面的研究开展较早，也获得了不少实测数据，国内也组 织过雷电流测量的专门试验，但收效还不够理想。 现在国内外应用较为广泛的有三种测量方法：磁钢棒法、雷电定位系统( l l s ) 和磁带测量法，从工程应用角度出发各自具有其自身的优缺点【2 j 。 磁钢棒法：记录雷电剩磁具有很大分散性，需重新进行冲击电流磁化试验， 工作量大。磁钢棒运输过程中的碰撞易造成“信息丢失 ，环境磁场影响测量精度， 且误差较大。 雷电定位系统：7 0 年代中期，美国人m a r t i nau m a n 、等人首次研制成功，用 于确定雷击火灾事故。基本原理是用多个测量天线测量雷电电磁波，通过巨型计 算机计算确定雷击点、雷电流幅值、陡度等雷电参数。其定位精度及雷电参数测 量精度受天线安装个数和地形影响较大，无法满足工程应用需要。 磁带法：该法于8 0 年代由美国宇航局( n a s a ) 提出，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除的特性，通过读取磁带上的剩余波形 预测出雷电流的幅值；造价低、易推广是此方法的显著特点。但数据的“读取 精度低，且雷电流幅值下限较高，不适合用于测量感应雷引起的较小的感应雷参 数，同时该法用于测量雷电流陡度效果差【3 1 。 在雷电流测量方面，一些地方还开展了小火箭引雷、高塔引雷配合r o g o w s k i 线圈和光纤传输系统测量雷电流的研究，仍不够成熟，获得的有用数据很少。其 发展趋势是进一步完善这种系统，获得各国普遍缺乏的雷电基础数据。 另外，在工程应用中还有与磁带法相类似的磁卡法测雷电参数，相对于磁带 法记录容量要大，精度要高。 虽然以上方法在实际工程中获得了广泛应用，但都存在较大缺陷：记录误差 较大、实时性差、整个测量过程工作量大等，且对雷害事故的预防作用甚微。随 着计算机技术和通信技术的快速发展，现代数据采集技术已开始走上工业应用阶 段，同时电力工业的检修也从事后检修阶段进入状态检修阶段，即设备的在线监 测。雷电流在线监测装置国内已有应用，但技术还不够成熟。精确的测量、良好 的实时性、无人值守的简易测量过程等一系列优点必将使其获得广泛应用。 1 3 理论基础与分析 雷电放电由带电雷云引起，大多数雷电放电发生在雷云之间，少数发生在雷 云与地之间。雷云之间的放电虽然平凡但对电力系统等无直接危害，仅对以电磁 2 第l 章绪论 波工作的通信系统等有一定影响，雷云对地的放电虽只占少数，但一旦发生，将 对电力系统造成极大危害。 1 雷击架空线路 雷云对地放电共分为先导放电阶段、回击阶段( 主放电阶段) 和余辉阶段。高结 构体如架空线路杆塔和输电线、电视塔、发射天线等极易遭受雷击。先导放电阶 段，当雷云负先导( 实测数据显示多数雷电为负极性) 发展到架空线路顶端时，由于 先导头部与架空线路顶端之间的电场发生急剧增大，又由于顶端尖劈部位对电场 的畸变作用，其附近的空气极易产生强烈游离，出现上行正先导，一旦与雷云下 行负先导相遇则发生回击。在一定高度和电荷量的雷云下方，地面上的电场强度e 是个可确定的量，架空线路顶端场强则随杆塔高度h 增加而增大( 还与架空线路本 身电场有关) ，故杆塔高度越高，发生上行先导的可能性也越大，遭受雷击的可能 性也越大，这是架空线路易受雷击的根本原因之一。 另外，架空线路地处旷野，纵横交错，绵延数千里，等效受雷面积较大等因 素也是造成架空输电线路易受雷击的重要原斟4 1 。 2 雷电参数 雷电参数不仅是本系统参数设计的基础，同时也是系统要监测的对象，十分 重要，现对其主要参数进行分析。 ( 1 ) 雷电极性 根据各国的实测数据，负极性雷击均占7 5 9 0 ，负极性的过电压波沿线传 播时衰减较慢，对设备绝缘的危害也较大，故防雷设计中一般按负极性考虑。本 系统设计兼顾了对负极性、正极性雷击的监测。 ( 2 ) 雷电流幅值 雷电流幅值是衡量雷击强度的最重要依据，通常把雷电流定义为雷击于低接 地电阻( 3 0 f 1 ) 的物体时流过的电流，近似等于传播下来的电流入射波的2 倍。根 据我国长期进行的大量实测结果，通常在一般地区，雷电流幅值超过，的概率按下 式计算： ， l g p = 一言 ( 1 - 1 ) u u 其中p 为幅值大于，的雷电流出现的概率。少雷区则用以下公式计算： ， l g p = 一音 ( 1 2 ) 斗| ( 3 ) 雷电流的波前时间、陡度及波长 实测表明：雷电流的波前时间f ，处于l 一1 0 9 s 的范围内，平均为2 6 p s 左右， 波长( 半峰值时问) 处于2 0 一l o o p s 范围内，多数在4 0 9 s 左右，g b 5 0 3 4 3 2 0 0 4 中对 雷电流波形的定义如下： 3 北京交通大学硕士学位论文 图1 - 1 雷电流波形定义 f i g l 1d e f i n i t i o no ft h el i g h m i n gc u r r e n tw a v e f o r m 上图中a 、b 为雷电流波形幅值9 0 处和1 0 处对应的点，将a b 连线分别 交雷电流幅值处水平线和坐标横轴于c 、d 两点，t l 为波前时间，t 2 为半峰值时 间。 波前陡度由幅值和波前时间决定，雷电的平均波前陡度为：口= i 王，实测 还表明：波前陡度的最大极限值一般可取为5 0 k a i t s 左右【卯。 ( 4 ) 建筑物电子信息系统防雷技术规范g b 5 0 3 4 3 2 0 0 4 g b 5 0 3 4 3 2 0 0 4 是该系统设计的主要技术依据之一，其规定的雷电流波形参数 是本硬件设计的基础，浪涌保护器的设计与制作也必须满足其中的相关要求。 3 雷击架空输电线发生闪络分析 虽然g b 5 0 3 4 3 2 0 0 4 是对雷电流的参数进行检测的重要依据，但对雷击架空线 路发生闪络与雷电流之间的关系也必须作为系统设计的重要参考。 根据雷电过电压形成的物理过程，雷电过电压可分为两种：直击雷过电压，雷 电直接击中杆塔、避雷线或导线形成过电压；感应雷过电压，是雷击线路附近大 地，由于电磁感应在导线上产生的过电压。运行经验表明，直击雷形成的过电压 往往容易引起线路发生闪络。 按雷击部位的不同，直击雷又可分为两种情况：一种是雷击线路杆塔或避雷线 时，雷电流通过雷击点阻抗使该点对地电位大大升高，超过线路绝缘的冲击放电 电压，则会引起导线发生闪络( 反击) 。另一种是直接击中导线，或绕过避雷线击中 导线( 绕击) ，直接在导线上形成过电压，进一步引起线路发生闪络。下面对雷电 流与线路耐雷水平的关系进行分析。 ( 1 ) 雷击导线( 绕击) 实际上，当避雷线接地点的反射波尚未来到雷击点a 时雷击导线和雷击避雷 线性质是一样的，忽略避雷线与导线的耦合作用，以及杆塔接地点影响，导线着 4 第1 章绪论 雷点a 的电位计算模型如图1 2 。 a 图l - 2 雷击导线等值电路 f i g l0 2t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fl i g h t i n gc o n d u c t o rt r a c el i n e 其中z c z 为导线的等值波阻抗，z 0 为雷电通道波阻抗，则流经a 点的雷电流 为： = ；南彘 m 3 ， 雷击点电位( 幅值) 为： u = j 酉z o 瓦z c 1 _ 4 ) 当u a 超过绝缘子串的冲击放电强度( 取正极性或负极性的5 0 冲击放电电压弧。曲 绝缘子串就会闪络，所以绕击时，线路雷击点电压不得超过线路绝缘子串的冲击 放电电压即：u a u 5 0 ，由此可取定雷电流幅值，与线路耐雷水平 的关系如下： ( 线路耐雷水平是本系统传感器选型的重要依据之一) 硒5 警 ( 1 - 5 ) ( 2 ) 雷击杆塔( 反击) 工程计算中常采用如图1 - 3 所示的集中参数等值电路： 0 a l t r i 图卜3 雷击塔顶等值电路 f i g l - 3t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to fl i g h t i n gt o w e rt o p 图中工，被击杆塔等值电感，届为被击杆塔的冲击接地电阻，玉为流经杆塔入地 点电流，不考虑相邻杆塔及其接地电阻的影响，厶为杆塔两侧一档避雷线并联的 5 北京交通大学硕士学位论文 等值电感，为流经厶的电流，绝缘子串闪络以后，还应考虑两侧导线的分流作 用，其中z c 为每侧导线的等值波阻抗。由于雷击点的对地阻抗比雷道波阻抗低的 多，计算中可略去雷道波阻抗的影响，设雷电流具有三角波形，其幅值为，波头 为f ，陡度为口，则有： = r i i , + 厶鲁喇即厶( 1 - 6 ) 2 蕊1 1 - 7 厶 厶 2 由此得出绝缘子串未发生闪络时塔项的最高电压为： u = p z ( g , + 厶二) ( 1 - 8 ) 飞l 其中为绝缘子串闪络前波头部分的杆塔分流系数。由于闪络后，相对于杆塔来 说分流系数减小塔顶电位会有所降低，对本系统参数选择未构成不利影响，故暂 不考虑。 塔顶电位为u t o p ，避雷线与之等电位，由于避雷线与导线间的耦合作用，导线 上出现耦合电位p ，k 为耦合系数。导线电位为： u e = k u t 。p u l = k u t o p a h o ( 1 一k o h , ，l c ) f r e ( 1 9 ) 为导线电位，为导线对避雷线的几何耦合系数，a 为感应过电压系数，近似 等于雷电流的波前平均陡度，r s ，噍为导线对地平均高度，噍为避雷线对地平均 高度，珥为导线上出现的感应雷过电压。则作用绝缘子串电压为： u i 憾= u t o p 一毪= ( 1 一k ) f l r j _ i + ( 魂h t k ) f l l t a , d t + ( 1 一趣h 。) a h , t 彳，( 1 一l o ) 吃、h t 分别为导线横担高度和杆塔高度。u i 眦需满足“i 璐 u 5 0 ，式( 1 9 ) 中t 取户r z 取a = d i d t = i 7 ，则由此可取定雷电流幅值与雷击杆塔反击时的耐雷水平1 2 应 满足【6 1 ： 八厶2 而丽而而忑澎麓丽面万厩 m 1 1 ) 1 4 课题的研究内容与方法 雷电对电力系统的危害，尤其是对电力系统供电可靠性产生的威胁一直是人 们十分关注的问题，对雷电流波形进行检测，深入了解雷电参数及其特性是解决 这一问题的基础，本文研究的是一种用于输电线路杆塔的雷电流实测系统，在绝 缘子串杆塔侧金具上嵌套r o g o w s k i 型电流传感器，测量雷击闪络时的闪络电流。 结合国内外研究现状，本设计完成工作如下： 6 第1 章绪论 1 雷电参数分析与系统过电压保护 雷电对输电线路乃至整个电力系统的供电可靠性有相当大的危害，对雷击输 电线路的机理及雷电流参数进行深入分析是进行雷电流测量的重要依据，也是测 量装置设计的基础。故本文对雷电的产生、雷击输电线路机理以及产生的影响、 雷电波形参数等进行了分析，为监测装置的设计提供科学依据。 2 设计主要用于架空输电线线路雷电流的现场监测，拟定2 个监测点即避雷 线和单输电线路。目前应用较为广泛的无线数据采集系统的构架如下图1 7 1 【引： 图l 一4 主流方案示意图 f i 9 1 4t h es k e t c hm a p so f t h ed e s i g np r o p o s a l 以上方案已广泛应用于环保、水情数据采集等领域但电力工业应用较少( 磁带、 磁卡测量雷电流) ，本设计分析不同方案的基础上，设计了适合应用于输电线路雷 电流检测的方案 9 1 1 0 1 1 。 本设计需完成架空线路的雷电流监测，由于监测点的分散性，信号的传输采 用无线传输方式，且比用线缆传输造价低。无线传输中技术较为成熟的两种方式 有两种：w l a n 网络方式和手机网络方式。w l a n 方式组网相对复杂，传输距离 有限，而手机网络终端简单，无需组网直接用中国移动或联通的手机网即可- 覆 盖范围广，开发周期短，成本低廉，易于生产推广，故本设计采用手机网完成数 据传输；而主流的手机网络为g p r s 、g s m 和c d m a 网络，相对于c d m a 网络， g p r s 、g s m 网有覆盖范围广( 几乎无盲区) ，价格低等优势，故本设计采用g p r s 、 g s m 网络完成数据传输。 要对完整的雷电流波形进行监测，需用g p r s 网络与万维网连接，但灵活性 受限，要想对数据进行查询，必须登录互联网，本设计则充分利用g p r s ( 集成有 g s m 模块) 模块所依赖的g s m 网络，直接将检测到的雷电参数( 包括由g p s 从卫 星读到的时间) 通过短信方式发送至手机，随时随地，实现对雷电的检测，确保 可及时采取有效措施；同时由于具各g p r s 无线上网的功能，若有需要可对系统 进行升级开发，使设备同时具备雷电流的全波监测和以发送短信的方式对雷电流 参数进行综合监测的功能。通过短信方式将对雷电的监测情况通知工作人员，充 分体现了本设计的灵活性和实用性，是本设计的突出特点之一。 同时，为缩短开发周期，抑制干扰，供电系统则采用“太阳能电池板+ 蓄电池 7 北京交通大学硕士学位论文 的直流供电模式。 3 系统硬件设计与实现 在系统方案确定的基础上，硬件电路的设计及实现是检测装置能否稳定运行 的关键所在，数据调理与数据采集( 包括g p s 模块) 是雷电检测装置的核心单元， 为确保检测装置的可靠运行，需对其进行过电压保护；课题完成了s p d 浪涌保护 器的设计、以及硬件的制作和不同做法的对比分析：由于整套装置在输电线路上 使用，电磁环境恶劣，故装置的核心部分( 由p i c 单片机完成的数据采集部分、信 号调理单元电路、g p r s 模块及g p s 模块) 需具备较好的电磁兼容设计，合理运用 屏蔽、滤波、接地等措施，使雷电检测装置稳定可靠工作，并准确将检测到的雷 电数据发送至手机。 4 系统软件编程 由于实际系统所采集到的波形难免掺杂有各种噪声，系统软件编程部分除了 完成稳定的数据采集外还需对采集到的数据进行有效的去噪，本设计采用小波分 析理论对采集到的数据进行了去噪处理，并有效将雷电参数通过集成有g s m 功能 的g p r s 无线传输模块以短信的形式传输至某一固定手机号码，以利做进一步处 理。 5 数据采集实验与结果分析 对g p r s 数据传输单元电路与p c 机进行通信实验，确保该模块可以与单片机 正确通信，并给出了实验结果。 对数据采集单元与p c 机进行异步串行通信，确保p i c 单片机系统能准确与无 线通信模块进行数据通信，无误码，完成对无线通信模块的有效控制，并给出了 实验结果。 在完成软硬件设计的基础上，用g p s 模块由卫星读取信号，并进行时间信号 的提取，给出实验结果。 对数据采集卡进行不同模拟输入信号的数据采集实验，给出实验结果以及结果 分析，分析存在的问题，以利做进一步的研究。 s 第2 章系统硬件开发 第2 章系统硬件开发 2 1 系统硬件电路设计 本系统主要用于架空输电线路雷电流的测量，其应用环境如下图2 1 。 图2 - 1 雷电流测量系统应用环境 f i 9 2 1a p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n to f t h em e a s u r e m e n ts y s t e mf o rl i g h t n i n gc u r r e n t 强电场环境下，雷电流信号难免会与各种干扰信号并存，为了准确测量雷电 流信号，根据信号能量的范围，强度的大小，本文设计了相应的电流传感器、可 靠的系统浪涌保护器、g p s 模块、信号调理与数据采集模块以及无线传输模块等。 测量系统硬件由电流传感器、过电压保护装置( 浪涌保护器s p d ) 、信号调理与 数据采集单元和无线数据传输等部分组成，原理框图如下图2 2 所示。 图2 - 2 雷电流测量系统原理框图 f i 9 2 2t h es k e t c hm a p so ft h em e a s u r e m e n ts y s t e mf o rl i g h t n i n gc u r r e n t 单片机触发工作后g p s 由卫星读取精确的雷击时间，传感器将雷电流信号转 变为电压信号输出，经前置信号调理模块后送入a d c 模块，转变为数字信号后输 入单片机进行处理，最后再将结果与g p s 从卫星读取的精确雷击时间由g p r s 模 9 北京交通人学硕十学位论文 块发送至手机终端。本设计中，前置信号调理与a d c 两个功能模块制作成数据采 集卡，为方便调试数据通信部分则单独开发了专门的丌发板，以上为本设计中 硬件系统的最重要组成部分，完成传感器输出雷电流信号的数据采集与无线传输 功能。 单片机系统工作模式简析：由于系统采用实时数据采集工作模式对模拟输入 通道的数据进行监测对单片机的工作速度要求较高，采用该工作方式必将导致实 现困难、功耗增加且整个系统的成本将急剧增加；同时当没有雷电流时系统采 集到的数据均可视为无用数据。基于以卜考虑系统适宜采用触发工作方式：为 保证雷电流数据的完整性，a d c 始终工作在正常状态对模拟通道数据进行不问断 采集，无雷电流时单片机工作在i d l e 工作模式，对采集到的数据不做处理，出现 雷电流后通过高速比较器触发单片机进入正常工作状态，对a d c 采集到的数据处 理并进行正常传输。 2 2 电流传感器设计 o m。 削2 - 3r o g o w s k i 线圈基奉结构剧 f i 9 2 3s t r l i c l u m ld r a w i n go f r o g o w s k ic o i l s r o g o w s k i 线圈有两种分类方沾。 种为按积分方式分类，柯自积分式线圈j l j 外积分式线圈两种，外积分，cr o g o w s k i 线圈主要川于微秒和弧微秒绂的电流信号 第2 章系统硬件开发 的测量，由于该线圈必须经过一个r c 积分回路，所以其测量的频率响应受到限制 1 2 1 ，本设计采用了自积分式的r o g o w s k i 线圈，其等效电路图如下图2 4 。 图2 4 电流传感器等效电路图 f i g u r e2 - 4e q u i v a l e n t - c i r c u i td i a g r a mo ft h ec u r r e n ts e l l s ) o r 其中，为r o g o w s k i 线圈自身的电感，足为线圈内阻，尺为与组成皿积 分回路的外接小电阻，z 为同轴电缆波阻抗的集中参数等效阻抗；u 2 为二次侧感 应电势，u 玳为传感器输出给后续电路的信号源( 若忽略z 的影响，则r 端的输出 电压即u r s ) 。 2 2 1 传感器基本原理 测量大电流，要求将电流缩小到可测量的范围。若i ( r s + r ) “l d 出，则有： u ：喇鲁一出d ，1 2 - 1 ) 。 也出 ，： 7 u 小= r z = 兰妄出= 一兰工掰：击( 2 - 2 ) 式( 2 1 ) 中 f 分别代表一次侧电流和二次侧电流，互感m 、l 可通过测量得到或 公式计算得到【1 3 1 ： m 风爿2 n r ( 2 3 ) 从2 2 刀，- ( 2 - 4 ) 式中：风为空气磁导率；a 为小线圈截面积；n 为线圈匝数；厂为大线圈半径即骨 架半径。由于： u 州= i r m 三 ( 2 5 ) j i = l m ( 2 - 6 ) 则将( 2 3 ) 、( 2 4 ) 、( 2 5 ) 结合可得： u 聃= i r ( 2 7 ) 则传感器灵敏度为： s = m r 三 ( 2 8 ) 北京交通大学硕士学位论文 s r ( 2 - 9 ) 如果考虑电缆的波阻抗，那么r 值应该是积分电阻和电缆波阻抗的并联值， 本设计中选用的电缆是波阻抗为7 5 q 的同轴电缆，这个值远大于积分电阻( 一般都 小于l q ，本设计取定0 8 f t ) ，所以可以忽略电缆波阻抗的影响。 由于线路满足条件：i ( r s + 足) “l d i d t 亦即：础“r + 愿，则由此可取定 传感器对0 9 限制的一个下限值：另外，由于本设计采用了带磁芯的r o g o w s k i 线圈， 故需考虑磁芯饱和度问题【h l ，所以必须： i n 2 b r c r 2 ( 2 - 1 0 1 u l r + 咫 式中曰为磁芯磁饱和磁通密度，其它同前。 2 2 2 传感器e m c 设计 r o g o w s k i 线圈结构比较简单，但是应用时要注意两个问题：一是要仔细屏蔽 外界的电磁干扰，并消除线圈本身存在的寄生参量的影响；二是要将线圈、信号 传输电缆和数据采集系统阻抗匹配。 r o g o w s k i 线圈是利用磁感应来测量电流的，加之其应用环境又在强电磁场下， 为不使快速变化的电磁场及其他杂散电磁场对测量回路形成干扰，必须使用屏蔽 技术。且使用时应注意以下几点【l 习： 1 防止屏蔽层内形成环流( 如屏蔽体纵截面形成的环流) ，屏蔽盒应开槽以切 断环流。 2 防止主磁通沿着屏蔽盒走，从而导致测量线路无主磁通，也必须丌槽。 3 在抑制传感器本身引起的电磁干扰方面应注意以下几个方面： 积分电阻和线圈内阻的影响。实际测量过程中，积分电阻的选取影响到线圈 对环境噪声抑制的能力，增大积分( 取样) 电阻线圈的输出电压随之增大，信噪比有 所提升；过大的取样电阻则导致输出电压过高，信号调理部分则需要加入过多的 衰减器、匹配头等电子器件，这又极易引起其它干扰。线圈内阻的选取对传感器 的稳定工作也有较大影响，内阻过小容易造成线圈过大，线匝间电压增大时容易 引起绝缘击穿，线圈内阻过大又容易引起磁芯饱和。故选取线圈内径与匝数时要 注意其对内阻的影响。 另外，实际线路中积分电阻无法做到纯阻性，在大电流脉冲信号测量中，很 小的寄尘电容、寄生电感都会影响测量造成较大影响，制约输出信号上升时间的 是寄生电容c ，电容电压不可能突变，故时间常数r c 反映z 两端的电压升高速度。 r c 越小，信号上升时自j 越快，所以要求c 越小越好。l 主要引起测量信号的过冲 1 2 第2 章系统硬件开发 和振荡。实际中，l 的影响极大，有时会使波形发生完全畸变，所以积分电阻通常 采用同轴结构，尽可能减小电感。 4 阻抗不匹配的影响。积分电阻与线圈的波阻抗很难匹配，线圈中传播的电 磁波必然产生发射现象，反射的时间t 就是从线圈的一段到另一端，再从另一端 到原端，计算如下： t = 2 l ( ，忉2 + ( 2 ，r b ) 2 i l l c ( 2 1 1 ) 式中c 为光速，b 为小线圈半径，为线圈总长度，其余同前。应要求r 小于被测 信号的上升时间。 2 2 3 传输线设计 长距离进行信号传输时，除了因空自j 感应引入的干扰外，还会因传输线两端 阻抗不匹配而出现信号在传输线上反射的现象( 任何信号的传输线，对一定频率的 信号来说，都存在着一定的非纯电阻性的波阻抗，其数值与集成电路的输入阻抗、 输出阻抗数值不同，相连时必然存在阻抗不连续点，当信号通过不连续点时便发 生反射，造成波形畸变，产生反射噪声) ，使波形发生畸变。 与传输线的反射有关的参数主要有延迟时间f 和波阻抗z o ；单线信号延时最 短，同轴电缆最长，双绞线居中，约为6 n s m 。波阻抗单线最高，约为数百欧姆， 双绞线一般在1 0 0 - 2 0 0 欧之间，且跟绞花长短有关，同轴电缆波阻抗主要有5 0 f 2 和7 5 q 两种。从抗干扰的角度讲，同轴电缆最好，双绞线次之，单线最差。： 1 长线的界定 长线k 的判断可用下式得出1 1 6 1 ： 乙戤：坐 刀 式中t ，为系统所用逻辑器件的上升时间，为速度取，= 2 5 1 0 8m s ， 据，一般取力= 4 。本设计中信号入v i 端高速运放上升时间为t = ，r 3 n s 用于传感器与信号调理部分的长传输线界定值为： k ：型掣_ o 1 8 5 m ( 2 - 1 2 ) 刀是经验数 由此可得出 ( 2 1 3 ) 即，所使用传输线长度超过o 1 8 5 m 时要按长传输线处理。 2 长线传输信号时采取的抗干扰措施 长线传输信号时由于阻抗不匹配引起的反射干扰，应采用阻抗匹配方法予以 消除，分始端阻抗匹配和终端阻抗匹配两种。具体方法如下： ( 1 ) 始端串联电阻匹配，通过在始端串接电阻，增大长线的特性阻抗，以便 达到终端阻抗相匹配的目的，一般选取： 1 3 北京交通大学硕士学位论文 r = z 0 一咫( 2 。1 4 ) 式中足为传感器输出内阻，z 0 为传输线波阻抗。 始端上拉电阻或阻容匹配，用于吸收一部分终端的反射波。阻容匹配接法则 是与上拉电阻串接4 3 p f 的电容，静态时由于电容的隔直流作用，上拉电阻对传输 线是开路的，当信号高电平变为低电平时，电容向传输线放电，以抵消反射波， 该匹配方法只在动态时起作用。但由于本设计中传感器为无源传感器，则该方法 不适宜采用，对其他门电路则有借鉴意义。 ( 2 ) 终端匹配的方法主要有三种：终端并联阻抗匹配、终端阻容匹配和终端 箝位二极管匹配。终端阻抗匹配虽在传感器与单片机系统之间的长传输线阻抗匹 配问题上作用不大，但后续单片机系统设计时应用较多，故先作理论叙述。 其中终端并联阻抗的方法主要是为了匹配数字电路门电路输出高低电平时， 输出阻抗变化较大引起的阻抗失配问题，输出阻抗约从1 2 0 f 2 左右到几十欧姆，输 入阻抗则从低电平时的5 0 k f 2 左右到高电平的几百千欧。其方法如下图2 - 5 ( a ) ：在 长线终端处电阻r l 和r 2 组成一个分压回路，相当于把终端经过一个等效电阻r 接到等效电源e 上，如图2 5 ) 。 u c ce ( a )( b ) 图2 5 终端并联阻抗匹配 ( a ) 分压同路( b ) 等效电路 f i g u r e2 - 5s k e t c ho fm a t c h i n gb yp a r a l l e l i n gi m p e d a n c e ( a ) d i v i d e rc i r c u i t ( b ) e q u i v a l e n ts c h e m e 此时，可得如下对应关系： n 器t , ( 2 - 1 5 ) 冗+ 、7 e = 糌 ( 2 - 1 6 ) 冠+ 足 、7 r 应等于传输线的波阻抗，e 一般选取为输出高电平时的电压值。若足选取 较小值，则低电平拉入电流大，使输入的低电平抬高；若冠选取的较小，则使流 入的电流增加，降低了高电平，一般应权衡考虑。上图( b ) 则为在本单片机系统里 1 4 第2 章系统硬件开发 获得较多应用的抗干扰措施，即在单片机输出总线终端配置上拉电阻等。 终端的阻容匹配方法即在信号线与地线之间串接一个r c 串联支路，虽有助于 提高信号电平的抗干扰能力，但由于电容的引入，容易引起信号延时，故该方法 在本设计中的使用有所限制。 终端接箝位二极管的匹配方法如下图2 - 6 所示： 厂 zs 图2 - 6 终端并联箝位二极管匹配 f i g u r e2 - 6s k e t c ho fm a t c h i n gb yp a r a l l e l i n gd i o d e 该方法的优点：将终端低电平筘位至0 3 v 以内，减少反冲和振荡现象；吸收反射 波，减少波的反射现象：减少线间串扰，提高动态抗干扰能力等。 3 传输线的使用 ( 1 ) 传输线的选择。 长线传输时，有很多类型的传输线可供选择，常见的传输线有屏蔽线