CN103197126A - 雷电感应过电压模拟试验平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及雷电感应相关技术领域，特别是涉及雷电感应过电压模拟试验平台，包括：方波电压发生装置、模拟雷电流通道、模拟实验线路和测试装置，所述模拟雷电流通道包括与地面垂直的绝缘体、缠绕在所述绝缘体外部的导电体，以及与所述绝缘体顶部连接的空中悬浮装置，所述导电体的一端与所述方波电压发生装置连接，所述模拟实验线路与地面平行，且所述模拟雷电流通道与模拟实验线路平行，所述测试装置包括设置在所述模拟雷电流通道底部的雷电监测装置、与所述模拟实验线路连接的过电压测量装置，以及分别连接所述雷电监测装置和过电压测量装置的显示装置。本发明感应过电压波形的失真度较小；试验开展方便，低价优廉。
Description
技术领域
本发明涉及雷电感应相关技术领域，特别是涉及雷电感应过电压模拟试验平台。
背景技术
目前，很多雷电感应过电压的研究者开展了方案各异的模拟试验研究，但雷电感应过电压模拟试验的试验方案往往大相径庭，参数选择的差别也比较大，这是因为在模拟试验方案设计时，很难面面俱到，使得各方面的失真同时做到最小，研究的侧重点不同，选择的试验方案自然也就不同。
其中，1999年，有三位日本的研究人员曾经描述了一个典型的过电压缩比模型试验，它建立了一条1/20缩比的线路，长25m，离地高度为0.5m，只有一根导线，半径为0.5mm，两端接430Ω的匹配电阻。使用一根长28m，半径为1.5cm的绝缘棒来等效雷电流通道，上端用气球吊起，在绝缘棒上缠绕了一根半径为0.5mm的铜线，铜线的长度为绝缘棒长度的三倍，这样铜线上的电流在垂直于地面方向上的发展速度为c/3，近似自然雷电回击电流的发展速度。在棒子的底部，往铜线注入一个峰值为1A，波前时间约为20ns的电流，以模仿雷电通道中的回击电流。在线路的两端直接使用示波器测量线路上的电压，在棒子的底部使用电流互感器测量电流波形，频率响应范围从8.5kHz到100MHz，使用平板天线来测量空间中的电磁场，频率响应范围从2kHz到10MH。
又在21世纪初，有欧洲的研究人员曾经描述了另一个比较典型的雷电感应过电压缩比试验，整个试验的缩比为1/50，整条线路长28m，距离地面高0.2m，导线采用一根半径为0.4mm的裸铜丝进行等效，在线路下方铺有一层28×9m2的优质导体，以模拟理想大地，线路两端接有阻值为455Ω的匹配电阻。使用一根长12m，半径为25.4mm的绝缘棒来模拟雷电流通道，绝缘棒上缠绕一根半径为0.7mm的铜丝，每米缠绕323匝，阻抗约为2.2kΩ，通入的电流要求波前时间小于60ns。
雷电感应过电压模拟试验是对于真型试验的模拟重现，它相对容易开展实施，也容易对于各种参变量进行控制，开展规律性的研究，这是模拟试验的优势所在，但同时它的尺寸较小，各方面对于真实情况的重现也肯定存在程度不一的失真，从而导致最终结果的失真。
现有技术无法使得雷电感应过电压模拟试验各方面的失真同时做到最小，一方面是在技术条件上难以实现，提高一部分内容的仿真程度往往是以牺牲另一部分内容的仿真程度为代价；另一方面，这样做往往会提高试验的代价，使模拟试验失去原本具有的开展方便、代价低廉的优点。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术的雷电感应过电压模拟试验失真较大的技术问题，提供一种雷电感应过电压模拟试验平台。
一种雷电感应过电压模拟试验平台，包括：方波电压发生装置、模拟雷电流通道、模拟实验线路和测试装置，所述模拟雷电流通道包括与地面垂直的绝缘体、缠绕在所述绝缘体外部的导电体，以及与所述绝缘体顶部连接的空中悬浮装置，所述导电体的一端与所述方波电压发生装置连接，所述模拟实验线路与地面平行，且所述模拟雷电流通道与模拟实验线路平行，所述测试装置包括设置在所述模拟雷电流通道底部的雷电监测装置、与所述模拟实验线路连接的过电压测量装置，以及分别连接所述雷电监测装置和过电压测量装置的显示装置。
在其中一个实施例中，所述方波电压发生装置包括依次连接的交流工频电压电源、整流器、脉冲形成线、火花开关腔体和脉冲传输线，所述火花开关腔体内设有火花开关，且所述火花开关腔体内充入高压氮气。。
在其中一个实施例中，所述雷电监测装置包括电压分压器和电流放大器，所述显示装置为示波器，所述电压分压器与示波器的第一电压输入端连接，所述电流放大器与示波器的电流输入端连接，所述过电压测量装置为电压探头，所述电压探头的一端与所述模拟实验线路连接，另一端与示波器的第二电压输入端连接。
在其中一个实施例中，所述模拟雷电流通道正对所述模拟实验线路的中心，且所述电压探头的一端与所述模拟实验线路的中心连接。
在其中一个实施例中，还包括设置在所述模拟实验线路下方的电场测量装置，所述电场测量装置与所述显示装置连接。
在其中一个实施例中，所述电场测量装置包括光源发生器、光接收机和电场探头，所述电场探头设置在所述模拟实验线路下方，所述电场探头的一端与光源发生器连接，另一端与光接收机的输入端连接，所述光接收机的输出端与所述显示装置连接。
在其中一个实施例中，所述模拟雷电流通道下方和所述模拟实验线路下方均设有接地铁板。
在其中一个实施例中，所述模拟实验线路的长度缩比为1/20，所述模拟雷电流通道的电流幅值缩比为1/1000。
上述的雷电感应过电压模拟试验平台，由于试验平台中空间电场受到的干扰较小，因此产生的畸变相对较小，所得的感应过电压波形的失真度也较小；且设备参数可控，试验开展方便，低价优廉。
附图说明
图1为本发明一种雷电感应过电压模拟试验平台的结构示意图；
图2为为方波电压发生装置的结构模块图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示为本发明一种雷电感应过电压模拟试验平台的结构示意图，包括：方波电压发生装置110、模拟雷电流通道120、模拟实验线路130和测试装置，所述模拟雷电流通道120包括与地面垂直的绝缘体、缠绕在所述绝缘体外部的导电体，以及与所述绝缘体顶部连接的空中悬浮装置(图1为俯视图，因此绝缘体、导电体和空中悬浮装置均未具体示出)，所述导电体的一端与所述方波电压发生装置110连接，所述模拟实验线路130与地面平行，且所述模拟雷电流通道120与模拟实验线路130平行，所述测试装置包括设置在所述模拟雷电流通道120底部的雷电监测装置、与所述模拟实验线路130连接的过电压测量装置，以及分别连接所述雷电监测装置和过电压测量装置的显示装置。
模拟实验线路与地面具有一定距离，对应实际的电网线路段。模拟雷电流通道120，位于距离模拟实验线路130中心一定距离处，对应实际的雷电流通道。
模拟雷电流通道120的主干为绝缘体，并通过空中悬浮装置悬挂，空中悬浮装置可以采用例如氦气球等实现，使模拟雷电流通道120的绝缘体和地面保持垂直，导电体可以采用在绝缘体的外表面缠绕铜丝实现，这样使得电流在垂直地面方向上具有快速的传播速度，约为光速的三分之一，和实际发生雷击时的情况基本一致，方波电压发生装置110与模拟雷电流通道120的导电体连接，产生的电流从模拟雷电流通道120底部传播到顶部，模拟雷电的发生。通过设在模拟雷电流通道120底部的雷电监测装置，以及与所述模拟实验线路130连接的过电压测量装置分别进行监测，收集数据，并在显示装置上显示出来。
本发明模拟的雷电流通道使得电流在垂直地面方向上的传播速度和实际发生雷击时的情况基本一致。本发明的尺寸相对较大，对于实际情况的模拟更加真实，且在户外场地进行，四周相对空旷，空间电场受到的干扰较小，产生的畸变也相对较小。
本发明的方波电压发生装置110用于发生模拟雷电电流，其具体结构，本领域普通技术人员可以在阅读本专利后进行补充。
如图2所示为方波电压发生装置的结构模块图，在其中一个实施例中，所述方波电压发生装置110包括依次连接的交流工频电压电源111、整流器112、脉冲形成线113、火花开关腔体114和脉冲传输线115，所述火花开关腔体114内设有火花开关，且所述火花开关腔体114内充入高压氮气116。交流工频电压电源111中的交流工频电压经过整流器112整流以后变成直流高电压，并对脉冲形成线113进行充电，当脉冲形成线113上的电压幅值达到充有高压氮气117的火花开关114的闪络电压时，形成高压纳秒波，并通过脉冲传输线115传播出来。所述火花开关腔体114为一个设有火花开关的金属圆筒，内部有两个平行板圆电极，并充入高压氮气116。本发明的方波电压发生装置，可以使输出的平顶波上升沿在1个纳秒的级别，并且输出的方波幅值较高，符合高压试验的要求。方波电压发生装置优选采用清华大学电机系气体放电实验室研制的纳秒波脉冲发生器。
本发明的雷电监测装置、过电压测量装置和显示装置，本领域普通技术人员可以在阅读本专利后具体补充。
在其中一个实施例中，所述雷电监测装置包括电压分压器141和电流放大器142，所述显示装置为示波器143，所述电压分压器141与示波器143的第一电压输入端连接，所述电流放大器142与示波器143的电流输入端连接，所述过电压测量装置为电压探头144，所述电压探头144的一端与所述模拟实验线路130连接，另一端与示波器143的第二电压输入端连接。本实施例采用电压分压器将采集到的电压信号降压到示波器上，以便从示波器上得出试验的波形。
在其中一个实施例中，所述模拟雷电流通道120正对所述模拟实验线路130的中心，且所述电压探头144的一端与所述模拟实验线路130的中心连接。
本实施例采用电压探头144是直接测量线路中点产生的过电压，因为模拟的雷电流通道就在线路中点的上方，便于直接测得感应出的过电压波形。
在其中一个实施例中，还包括设置在所述模拟实验线路130下方的电场测量装置，所述电场测量装置与所述显示装置连接。
本实施例加入电场探头是为了从光源的光信号中调制解调出一个电压信号，便于得到比对的感应过电压波形。
在其中一个实施例中，所述电场测量装置包括光源发生器145、光接收机146和电场探头147，所述电场探头147设置在所述模拟实验线路130下方，所述电场探头147的一端与光源发生器145连接，另一端与光接收机146的输入端连接，所述光接收机146的输出端与所述显示装置连接。
在其中一个实施例中，所述模拟雷电流通道下方和所述模拟实验线路下方均设有接地铁板。优选地，铁板为镀锌铁板148。
在其中一个实施例中，所述模拟实验线路的长度缩比为1/20，所述模拟雷电流通道的电流幅值缩比为1/1000。本实施例的长度、电流缩比取值合理。
作为一个例子，试验长度的缩比Sα取1/20，模拟实验线路130长14m，距离地面0.5m，模拟实验线路130的导线直径为0.5mm。模拟实验线路130对应一条长280m，距离地面10m，导线直径为1cm的实际线路段。模拟雷电流通道120长12m，位于距离模拟实验线路130中心2m处，则对应实际长240m，距离实际线路段中心40m的雷电流通道。
模拟雷电流通道120的主干由4根长3m，直径约为3cm的PVC塑料管连接而成，作为所述绝缘体，并通过空中悬浮装置悬挂，在本例子中，空中悬浮装置为一个直径为2.5m的氦气球，使模拟雷电流通道120的绝缘体和地面保持垂直，一根总长为36m的铜丝缠绕在通道外表面，作为模拟雷电流通道120的导电体，这样使得电流在垂直地面方向上的传播速度约为光速的三分之一，和实际发生雷击时的情况基本一致，电流从通道底部传播到顶部大约需要120ns，此后试验测量得到的结果将严重失真。
模拟实验线路130两端连接阻值为620Ω的匹配阻抗，下方铺设一片2m×15m，厚度为1mm的镀锌铁板148，在模拟雷电流通道下方铺设一片3m×4m，厚度同样为1mm的镀锌铁板148作为理想大地的条件，镀锌铁板148通过铜编织带接地，接地体149由四根相距1m，深入土壤20cm，直径为1cm的铁钎子互相连接而成。
方波电压发生装置110产生的电流通过电力电缆1410传播到模拟雷电流通道120上。
方波电压发生装置110，其基本原理如图2所示，交流工频电压电源111中为220V的交流工频电压，经过整流器112整流以后变成直流高电压，并对脉冲形成线113进行充电，当脉冲形成线113上的电压幅值达到充有高压氮气117的火花开关114的闪络电压时，形成高压纳秒波，并通过脉冲传输线115传播出来。当脉冲传输线115末端连接模拟雷电流通道120时，形成的电流幅值大约为十几安培，这时电流幅值缩比Si的取值约为1/1000。
模拟雷电流通道120底部测量得到的电压信号通过一个变比为417∶1的电压分压器141降压以后接入示波器143，测量得到的电流信号通过一个10A/V的电流放大器142后接入示波器143。
光源发生器145产生的光信号经过光纤传输，经过电场探头147把电场信号调制到光信号上，并最终被光接收机146接受，光接收机146从光信号中解调出一个电压信号，接入示波器143。而在模拟试验线路130中点上感应产生的过电压直接通过电压探头144进行测量。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种雷电感应过电压模拟试验平台，其特征在于，包括：方波电压发生装置、模拟雷电流通道、模拟实验线路和测试装置，所述模拟雷电流通道包括与地面垂直的绝缘体、缠绕在所述绝缘体外部的导电体，以及与所述绝缘体顶部连接的空中悬浮装置，所述导电体的一端与所述方波电压发生装置连接，所述模拟实验线路与地面平行，且所述模拟雷电流通道与模拟实验线路平行，所述测试装置包括设置在所述模拟雷电流通道底部的雷电监测装置、与所述模拟实验线路连接的过电压测量装置，以及分别连接所述雷电监测装置和过电压测量装置的显示装置。
2.根据权利要求1所述的雷电感应过电压模拟试验平台，其特征在于，所述方波电压发生装置包括依次连接的交流工频电压电源、整流器、脉冲形成线、火花开关腔体和脉冲传输线，所述火花开关腔体内设有火花开关，且所述火花开关腔体内充入高压氮气。
3.根据权利要求1所述的雷电感应过电压模拟试验平台，其特征在于，所述雷电监测装置包括电压分压器和电流放大器，所述显示装置为示波器，所述电压分压器与示波器的第一电压输入端连接，所述电流放大器与示波器的电流输入端连接，所述过电压测量装置为电压探头，所述电压探头的一端与所述模拟实验线路连接，另一端与示波器的第二电压输入端连接。
4.根据权利要求3所述的雷电感应过电压模拟试验平台，其特征在于，所述模拟雷电流通道正对所述模拟实验线路的中心，且所述电压探头的一端与所述模拟实验线路的中心连接。
5.根据权利要求1所述的雷电感应过电压模拟试验平台，其特征在于，还包括设置在所述模拟实验线路下方的电场测量装置，所述电场测量装置与所述显示装置连接。
6.根据权利要求5所述的雷电感应过电压模拟试验平台，其特征在于，所述电场测量装置包括光源发生器、光接收机和电场探头，所述电场探头设置在所述模拟实验线路下方，所述电场探头的一端与光源发生器连接，另一端与光接收机的输入端连接，所述光接收机的输出端与所述显示装置连接。
7.根据权利要求1所述的雷电感应过电压模拟试验平台，其特征在于，所述模拟雷电流通道下方和所述模拟实验线路下方均设有接地铁板。
8.根据权利要求1所述的雷电感应过电压模拟试验平台，其特征在于，所述模拟实验线路的长度缩比为1/20，所述模拟雷电流通道的电流幅值缩比为1/1000。
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