CN105866558B - 一种小区域雷电监测定位方法及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小区域雷电监测定位方法及***，方法包括如下步骤：S1、实验标定雷电流传感器在雷电下的输出电压峰值与雷电流峰值及雷击点的函数关系；S2、在被测量小区内设置三个所述雷电流传感器；S3、在雷电下分别检测所述三个雷电流传感器的输出电压峰值，根据所述函数关系联合确定所述雷击点的位置。本发明可以在小区域内实现对雷电流的精确定位，以及对雷电流幅值的精确测量。

Description

一种小区域雷电监测定位方法及***

【技术领域】

本发明涉及一种小区域雷电监测定位方法及***。

【背景技术】

雷电定位和雷电流参数监测对雷电特性研究及雷电防护均有重要作用，雷电定位***能为雷电防护、气象研究、建筑等领域提供了较多技术资料。目前世界各地均有较为成熟的雷电监测网，通过监测雷电流产生磁场的方向及到达传感器的时间，可以计算出落雷位置、雷电流幅值、雷电流极性等参数。雷电定位的定位方式主要分为单站定位和多站定位。应用较为广泛的为多站定位，能够大大提高定位精度。国外对雷电流研究起步较早，自上世纪八十年代以来，美国国家雷电探测网(NLDN)经过多年发展，目前对雷电探测率可达80％以上，定位误差小于1km。欧洲于2001年建立了ZEUS雷电监测网，利用时差法实现了雷电流定位功能，但定位误差较大。我国雷电流监测***在近年有了迅猛的发展，电力***自1993年以来，陆续在全国建立了区域性性雷电流监测网，对电力***防雷保护起到了重要作用，气象部门对雷电流探测站即有超过100个。由电子工业部研究的XDD03型雷电探测***等定位误差小于1km。陈家宏等设计研究了雷电方向探测仪，通过使用一组正交框型天线，测量平面内一组磁场信号，通过放大、滤波、积分等得到不同方向的原磁场，通过对磁场矢量合成即可得到雷电流的方位角和其磁场大小，从而实现雷电流定向测量，方向误差小于1°。

单站定位法利用磁场定向技术分析雷电流频谱特性，一般只用于监测高强度、远距离的雷电信号，由于其监测方式比较单一，仅靠一套传感设备分散性较大，且数据误差较大，导致监测的方位精度与幅值监测精度较低。

多站定位法利用多个监测站监测同一雷电信号，综合各个监测站的测量结果，对雷电的落雷位置及雷电参数进行计算和测量。多站定位方法主要分为定向定位法、时差定位法及综合定位法。定向定位法通过监测磁场方向利用三角原理定位，如图1所示。当A点发生雷击时，DF₁及DF₂处分别测得方位角α₁和α₂，通过三角定位原理即可得到雷电流位置。由于磁场距离较远且方向误差较大，多以定向定位法精度较低。

时差法定位原理如图2所示，图中ABC为探测站，根据两个探测站AC得到的雷击信号的时差及AC两个站之间的距离能够得到一条双曲线，雷击即位于双曲线上一点。同理根据另外两个探测站BC得到另一条双曲线，两条双曲线的交点为P，而另一点P’为数学上另一个解，通过第4个探测站即可剔除掉P’点得到实际雷击发生的位置。目前时间测量使用GPS进行，一般使用的GPS精度小于1us，所以在时差法定位精度为1km。时差法受到时间精度的限制，所以定位精度难以提高。

【发明内容】

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种小区域雷电监测定位方法及***，以提高小范围内雷电定位的精确度。

一种小区域雷电监测定位方法，包括如下步骤：

S1、实验标定雷电流传感器在雷电下的输出电压峰值与雷电流峰值及雷击点的函数关系；

S2、在被测量小区内设置三个所述雷电流传感器；

S3、在雷电下分别检测所述三个雷电流传感器的输出电压峰值，根据所述函数关系联合确定所述雷击点的位置。

优选地，

所述雷电流传感器为空心线圈。

优选地，

所述三个雷电流传感器的轴线相交于同一个点。

优选地，

所述函数关系为：

其中，U_omi表示第i个雷电传感器的输出电压峰值，I_m表示雷电流传感器的雷电流峰值，k为系数，x_i和y_i表示第i个雷电传感器的坐标，x和y表示雷击点的坐标。

优选地，

所述三个雷电流传感器的轴线两两之间呈120°。

本发明还提供了一种小区雷电监测定位***，包括：第一雷电传感器、第二雷电传感器、第三雷电传感器、第一数据采集卡、第一光纤模块、第二数据采集卡、第二光纤模块、第三数据采集卡、第三光纤模块和太阳能发电装置，所述第一数据采集卡用于采集第一雷电传感器的输出电压，所述第二数据采集卡用于采集第二雷电传感器的输出电压，所述第三数据采集卡用于采集第三雷电传感器的输出电压，所述第一光纤模块将第一数据采集模块采集的数据发送至光纤，所述第二光纤模块将第二数据采集卡采集的数据发送至光纤，所述第三光纤模块将第三数据采集卡采集的数据发送至光纤，所述太阳能发电装置用于对所述第一数据采集卡、第一光纤模块、第二数据采集卡、第二光纤模块、第三数据采集卡和第三光纤模块进行供电。

优选地，

第一雷电传感器、第二雷电传感器和第三雷电传感器雷电流传感器为空心线圈。

优选地，

第一雷电传感器、第二雷电传感器和第三雷电传感器的轴线相交于同一个点。

优选地，

第一雷电传感器、第二雷电传感器和第三雷电传感器的轴线两两之间呈120°。

本发明的有益效果是：

1)通过数值定位方法能够避免定向法与时差法有关磁场方向及时间测量的精度限制，该方法的定位精度主要取决于传感器幅值的测量精度，能大大提高雷电流定位精度，缩小其测量范围。

2)提出了一种使用数值分析方法求解雷电流定位问题的方案，在求解中可进一步考虑优化问题，提高测量精度。并可以考虑在大型场站增加传感器的数量，从而进一步提高测量精度。

3)使用特制的雷电流传感器及目前较为先进的数据采集及数据传输***，保证了信号传输的可靠性，且整个测量***使用太阳能供电，***独立稳定可靠，免于维护，减少了人工成本，增加的***的实用性。

【附图说明】

图1是现有技术定位雷电的定向法原理图

图2是现有技术定位雷电的时差法原理图

图3是本发明一种实施例的小区雷电监测定位方法示意图

图4是本发明一种实施例的小区雷电监测定位***图

【具体实施方式】

以下对发明的较佳实施例作进一步详细说明。

如图3所示，一种实施例的小区雷电监测定位方法示意图，在本实施例中，使用自制的雷电流传感器，通过实验室标定其响应特性，得到输出电压与电流幅值、测量距离之间的关系，通过使用不同位置的三个雷电流传感器，对同一雷电流得到的三组测量数据，通过对方程组求解即可得到雷电流幅值及平面坐标。雷电流传感器可以采用空心线圈，将三个线圈同向放置于所测量区域边缘处，空心线圈的轴线之间相互夹角为120°，保证整个测量***对各个位置的雷电流均有较高的灵敏度。

以线圈A为例，使用如图3所示的直角坐标系进行分析。线圈A、线圈B、线圈C的坐标分别为(x₁,y₁),(x₂,y₂),(x₃,y₃),雷击点坐标为(x,y)。假设雷电流于雷击点垂直入地，且是负极性雷电流，雷电流峰值为I_m。雷击点在线圈A处产生的磁感应强度B，此时在线圈处可以分解为垂直分量B₁和水平分量B₂，水平分量由于平行于线圈，在线圈处不会产生感应电压，此时传感器的输出电压以垂直分量为主。得到：

B₁＝Bcosθ(1)

雷电流传感器在实验室进行标定，当磁场方向与线圈平面垂直时，其输出电压峰值U_om与电流峰值I_m及线圈到雷电流距离r的关系为：

根据毕奥-萨伐尔定律，电流产生的磁场与电流强度成正比，所以可以得出线圈输出电压峰值为：

同理，对于3个线圈，其输出电压与雷电流峰值及雷击点坐标关系式为：

其中，三个线圈的输出电压峰值U_om可以通过示波器测量，为已知量。从而可以得到关于x,y,I_m的非线性方程组，使用牛顿-拉夫逊法进行迭代求其最小二乘解，即可得到雷电流位置及雷电流幅值。

方程组可表示为：

其雅克比矩阵可以表示为：

由于目前GPS时钟精度有限，使用时差法定位只能保证其定位精度在1km的数量级，而本发明的定位方法只需要保证传感器的测量精度，不需要进行时钟的统一，所以能大大缩小定位范围，使此种定位方法能应用于雷电流小范围定位，实现类似燃气站、变电站、石油场站等小范围雷电预警及防护功能。

由于线圈为空心线圈，所以保证其能测量较大幅值的雷电流。为了保证其灵敏度，需要较大的直径及匝数。在一个实施例中，空心线圈直径为60cm，长度为20cm，匝数为50，使用2×3mm的扁铜线绕制。根据实际参数测试，线圈的下限截止频率为112Hz，上限截止频率为几十MHz，能够覆盖雷电流的频率范围。线圈使用环氧树脂为骨架绕制，在线圈外部增设接地铁壳进行屏蔽，并在铁壳上开槽横向切断铁盒磁路，纵向开槽防止环流。并将匹配电阻等元器件及线圈使用环氧浇注为一个整体，起到防水、防晒等作用，最终线圈外形尺寸为70×70×24cm，如图4所示，电缆连接处做凹陷处理。

在磁场与线圈平面垂直时，输出电压峰值U_om与电流峰值I_m及距离r的拟合公式为：

公式中各变量均为国际标准单位，为了保证计算精度，且雷电流幅值一般在10kA以上，所以可将其中电流单位使用kA代替，公式为：

在所需要监测区域内指定位置安装雷电流监测***，通过感应雷击点落在场站内或场站附近的雷电流产生的迅速变化的磁场，得到雷电流波形的电压信号。

如图4所示，一种实施例的小区雷电监测定位***，包括雷电传感器、数据采集卡、光纤发送模块、光纤接收模块、计算机和太阳能发电***，其中雷电传感器包括：第一雷电传感器A、第二雷电传感器B和第三雷电传感器C，雷电传感器、数据采集卡、光纤发送模块和太阳能发电***是室外部分。

对于第一雷电传感器A这一条支路来说，数据采集卡通过电缆与第一雷电传感器A连接，用于对第一雷电传感器A的输出电压进行采集，光纤发送模块用于将数据采集卡采集到的输出电压数据通过光纤发送到光纤接收模块，计算机读取光纤接收模块接收到的输出电压数据并进行计算。同样，第二雷电传感器B和第三雷电传感器C这两条支路与第一雷电传感器A相同。

采样信号通过采集卡采集，光纤模块转换成光信号通过光纤传输到控制室内，控制室内再通过光纤模块转化成电数字信号输入计算机。其中，三个传感器得到的波形数据分别输入三个计算机，从而保证三个测量***的独立性和即时性，再上传到一台计算机使用监控软件进行处理，得到所需的数据。

太阳能发电装置用于对数据采集卡和光纤发送模块进行供电，以防止雷电流干扰从电源***侵入。由于雷电流持续时间较短，数据采集卡可以采用USB-5133高速采集卡进行数据采集，其采样率可达100M/s。由于雷电流发生时会产生强大的电磁场，为防止信号在传输过程中受到干扰，信号传输部分使用光纤进行传输。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (8)

1.一种小区域雷电监测定位方法，其特征是，包括如下步骤：

S1、实验标定雷电流传感器在雷电下的输出电压峰值与雷电流峰值及雷击点的函数关系；

S2、在被测量小区内设置三个所述雷电流传感器；

S3、在雷电下分别检测所述三个雷电流传感器的输出电压峰值，根据所述函数关系联合确定所述雷击点的位置；

所述函数关系为：

其中，U_omi表示第i个雷电传感器的输出电压峰值，I_m表示雷电流传感器的雷电流峰值，k为系数，x_i和y_i表示第i个雷电传感器的坐标，x和y表示雷击点的坐标。

2.如权利要求1所述的小区域雷电监测定位方法，其特征是，

所述雷电流传感器为空心线圈。

3.如权利要求2所述的小区域雷电监测定位方法，其特征是，

所述三个雷电流传感器的轴线相交于同一个点。

4.如权利要求3所述的小区域雷电监测定位方法，其特征是，

所述三个雷电流传感器的轴线两两之间呈120°。

5.一种小区雷电监测定位***，其特征是，包括：第一雷电传感器、第二雷电传感器、第三雷电传感器、第一数据采集卡、第一光纤模块、第二数据采集卡、第二光纤模块、第三数据采集卡、第三光纤模块和太阳能发电装置，所述第一数据采集卡用于采集第一雷电传感器的输出电压，所述第二数据采集卡用于采集第二雷电传感器的输出电压，所述第三数据采集卡用于采集第三雷电传感器的输出电压，所述第一光纤模块将第一数据采集模块采集的数据发送至光纤，所述第二光纤模块将第二数据采集卡采集的数据发送至光纤，所述第三光纤模块将第三数据采集卡采集的数据发送至光纤，所述太阳能发电装置用于对所述第一数据采集卡、第一光纤模块、第二数据采集卡、第二光纤模块、第三数据采集卡和第三光纤模块进行供电，其中在雷电下分别检测第一雷电传感器、第二雷电传感器、第三雷电传感器的输出电压峰值，根据实验标定雷电流传感器在雷电下的输出电压峰值与雷电流峰值及雷击点的函数关系，联合确定所述雷击点的位置，所述函数关系为：

其中，U_omi表示第i个雷电传感器的输出电压峰值，I_m表示雷电流传感器的雷电流峰值，k为系数，x_i和y_i表示第i个雷电传感器的坐标，x和y表示雷击点的坐标。

6.如权利要求5所述的小区域雷电监测定位***，其特征是，

第一雷电传感器、第二雷电传感器和第三雷电传感器为空心线圈。

7.如权利要求6所述的小区域雷电监测定位***，其特征是，

第一雷电传感器、第二雷电传感器和第三雷电传感器的轴线相交于同一个点。

8.如权利要求7所述的小区域雷电监测定位***，其特征是，

第一雷电传感器、第二雷电传感器和第三雷电传感器的轴线两两之间呈120°。