徐 真 傅正財(cái)

（上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200030）

1 引言

2 磁鋼式剩磁法的原理

磁鋼式剩磁法主要根據(jù)剩磁原理。當(dāng)導(dǎo)體流過(guò)電流時(shí)，它的周圍都存在磁場(chǎng)，處于磁場(chǎng)中的鐵磁性材料內(nèi)部眾多的微小磁疇會(huì)按磁力線方向排布，當(dāng)外加磁場(chǎng)消失后，鐵磁材料內(nèi)部磁疇仍按此方向排布而成自身的磁性，這種磁性就是所謂的剩磁。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，雷電流周圍會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度很大的瞬時(shí)磁場(chǎng)，在這個(gè)磁場(chǎng)內(nèi)存在的鐵磁性材料會(huì)受到很強(qiáng)的磁化作用，將會(huì)留下較多的剩磁。磁鋼式剩磁法使用特殊的磁鋼棒來(lái)獲得雷擊后的剩磁，由剩磁的大小和極性，就可以判斷出雷電流的大小和極性。

圖1 長(zhǎng)直導(dǎo)線空間磁場(chǎng)計(jì)算模型圖

根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，如圖1空間中長(zhǎng)度為l導(dǎo)體上的電流元Idl在P點(diǎn)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度B為

由公式（4）可以看出，長(zhǎng)直導(dǎo)線在其附近空間內(nèi)某點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度H的大小與電流I的大小成正比，與垂直距離a成反比。

3 磁鋼棒

磁鋼式剩磁法測(cè)量雷電流峰值的精度主要取決于磁鋼棒剩磁特性的好壞。在我國(guó)，磁鋼棒主要有兩種，一種是由磁粉和膠木粉壓制成的小圓棒；另一種是由鋇鐵氧體制成的磁鋼棒。其中新配方的鋇鐵氧體磁鋼棒，具有靈敏度高，矯頑力大，線性度好，不易飽和等優(yōu)點(diǎn)，更適合用來(lái)測(cè)量雷電流。

4 磁鋼棒剩磁量的測(cè)量

傳統(tǒng)測(cè)量磁鋼棒剩磁的方法有磁偏角法和交流退磁電流法，其測(cè)量剩磁的精度都不高。而根據(jù)霍爾效應(yīng)制成的數(shù)字高斯計(jì)，可在現(xiàn)場(chǎng)方便、快捷、準(zhǔn)確地測(cè)量磁鋼棒的剩磁量，有效減小了環(huán)境因素對(duì)測(cè)量剩磁的影響，提高了磁鋼式剩磁法測(cè)量雷電流峰值的精度。

5 磁鋼棒的剩磁校正曲線

5.1 沖擊電流法

磁鋼棒的剩磁校正曲線是磁鋼式剩磁法的核心標(biāo)尺，其準(zhǔn)確性直接影響著測(cè)量雷電流峰值的精度。目前，測(cè)定磁鋼棒剩磁校正曲線的方法主要有兩種，一種方法是直流模擬法，通過(guò)直流電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)測(cè)定磁鋼棒的剩磁校正曲線；另一種方法是沖擊電流法，直接通過(guò)沖擊電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)測(cè)定磁鋼棒的剩磁校正曲線。其中，沖擊電流法更加準(zhǔn)確。

3.1.4 完善公共服務(wù)，提升旅游體驗(yàn)。完善旅游公共服務(wù)可以從以下幾方面著手：①推動(dòng)景區(qū)安全設(shè)施的完善。為景區(qū)公共交通車的乘客椅配備安全帶；在危險(xiǎn)地段設(shè)置防護(hù)裝置和快速報(bào)警系統(tǒng)。②推動(dòng)景區(qū)醫(yī)療設(shè)施的建設(shè)。在景區(qū)內(nèi)人流集中的景點(diǎn)設(shè)立醫(yī)療救助站，保證游客的人身安全，例如袁家界、天子山等；在景點(diǎn)設(shè)置常用藥物的自動(dòng)販?zhǔn)蹤C(jī)。③推動(dòng)景區(qū)服務(wù)設(shè)施的建設(shè)。 在購(gòu)買景區(qū)門(mén)票時(shí)，可以推行景區(qū)小交通的組合套餐，避免游客在景區(qū)內(nèi)重復(fù)排隊(duì)；繼續(xù)將“廁所革命”進(jìn)行到底，保證游客的旅游體驗(yàn)。

為了消除引線的影響，特制作了一個(gè)由φ1cm的圓鋼焊接而成的直徑1m，高2m的屏蔽籠，如圖2。試驗(yàn)用沖擊電流發(fā)生器產(chǎn)生的 8/20μs標(biāo)準(zhǔn)雷電流波形來(lái)模擬雷電流。磁鋼棒為直徑1cm，長(zhǎng)3cm的圓柱體，初始剩磁均小于1mT，被安置在屏蔽籠中央導(dǎo)線的附近空間，如圖2。

圖2 屏蔽籠模型圖

為了得到最大的剩磁，將磁鋼棒與中央導(dǎo)線正交安放，兩者中心垂直距離為 2.0cm。通過(guò)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 剩磁校正曲線數(shù)據(jù)

據(jù)表1所得磁鋼棒的B-H曲線見(jiàn)圖3。

由數(shù)據(jù)和圖形可以得出：

圖3 磁鋼棒B-H校正曲線圖

（1）當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H＜20000A/m時(shí)，磁鋼棒上的剩磁非常小，數(shù)值小于1mT，跟磁鋼棒的初始剩磁相當(dāng)。

（2）當(dāng)2000A/m＜磁場(chǎng)強(qiáng)度H＜45000A/m時(shí)，磁鋼棒上的剩磁變化不明顯，且數(shù)值都小于3mT。

（3）當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H＞45000A/m時(shí)，磁鋼棒的剩磁顯著增大且跟H成線性增長(zhǎng)。

（4）當(dāng)磁場(chǎng)強(qiáng)度H＞160000A/m時(shí)，磁鋼棒的剩磁增長(zhǎng)緩慢，不是因?yàn)榇配摪艚咏棚柡停怯捎谠囼?yàn)回路中沖擊電流的反峰值增大超過(guò)5%，使得磁鋼棒被反向磁化而被部分消磁。實(shí)際該磁鋼棒的線性區(qū)間更長(zhǎng)。

因此，在使用該磁鋼棒時(shí)，應(yīng)盡量使其工作在磁場(chǎng)強(qiáng)度H＞20000A/m的區(qū)域，最好是磁場(chǎng)強(qiáng)度H＞45000A/m的線性區(qū)間。

5.2 距離對(duì)磁鋼棒剩磁校正曲線的影響

改變磁鋼棒與中央導(dǎo)線的垂直距離，試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 不同距離下的剩磁校正曲線數(shù)據(jù)

據(jù)上表所得磁鋼棒的B-H曲線見(jiàn)圖4。

圖4 不同距離下的磁鋼棒B-H校正曲線圖

由數(shù)據(jù)和圖形可以得出：磁鋼棒的B-H曲線跟距離無(wú)關(guān)，距離的大小僅僅影響到磁鋼棒的預(yù)期工作區(qū)間。

5.3 磁鋼棒的剩磁累積效應(yīng)

由于雷電流產(chǎn)生是瞬時(shí)磁場(chǎng)，磁鋼棒在此種磁場(chǎng)下不能1次磁化后就產(chǎn)生該電流峰值下的最大剩磁量，而是經(jīng)過(guò)幾次相同的磁場(chǎng)作用后才會(huì)達(dá)到最大剩磁量，這種特性就是剩磁累積效應(yīng)。對(duì)同1根磁鋼棒連續(xù)施加15次相同的沖擊電流，電流峰值為10.8kA。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 磁鋼棒的剩磁累積效應(yīng)數(shù)據(jù)

據(jù)上表所得磁鋼棒的積累效應(yīng)曲線見(jiàn)圖5。

圖5 磁鋼棒剩磁的累積效應(yīng)曲線圖

由數(shù)據(jù)和圖形可以得出：

（1）對(duì)于沖擊電流，磁鋼棒的剩磁有一定的積累效應(yīng)。經(jīng)過(guò)4次試驗(yàn)后，磁鋼棒的剩磁基本穩(wěn)定。

（2）磁鋼棒穩(wěn)定后剩磁量與初次試驗(yàn)后剩磁量的比值 1.3k≈ ，此比值在磁鋼棒B-H曲線的線性區(qū)域基本穩(wěn)定。

由于實(shí)際雷擊發(fā)生時(shí)存在多次回?fù)?，且其雷電流峰值大小都不一樣，因而?huì)造成磁鋼棒剩磁法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)測(cè)量精度下降。

6 磁鋼剩磁法的應(yīng)用

根據(jù)磁鋼棒上的剩磁量，按照?qǐng)D3中的B-H曲線可查出對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度，然后再根據(jù)實(shí)際模型可計(jì)算出流經(jīng)導(dǎo)體的雷電流峰值。實(shí)驗(yàn)室搭建了如圖6所示模型，將4根磁鋼棒分別安置于37，38，39，40號(hào)圓鋼的中間處和避雷針上，磁鋼棒都正交安置于離圓鋼中心距離為2cm處。

圖6 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D

試驗(yàn)中沖擊電流從避雷針頂端流入，從21號(hào)，22號(hào)，42號(hào)，45號(hào)圓鋼的交點(diǎn)處流出。根據(jù)各磁鋼棒的剩磁量B在B-H曲線中找到對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度H，再通過(guò)計(jì)算出電流值見(jiàn)表4。

表4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)際施加的沖擊電流峰值為18.5kA，而經(jīng)磁鋼棒測(cè)得的分電流之和為18.0kA，兩者相對(duì)誤差為2.7%。

7 結(jié)論

（1）改進(jìn)后的磁鋼式剩磁法對(duì)于單次雷擊電流幅值的測(cè)量有較高的準(zhǔn)確度，其相對(duì)誤差可＜3%。

（2）磁鋼棒的剩磁量對(duì)于雷電流的脈沖磁場(chǎng)有一定的累積效應(yīng)，最終剩磁量與初次剩磁量的比值k≈ 1.3，此比值在磁鋼棒B-H曲線的線性區(qū)域基本穩(wěn)定。

（3）改進(jìn)后的磁鋼式剩磁法雖然不能測(cè)量雷擊電流的波形參數(shù)，且對(duì)于多次雷擊電流幅值的測(cè)量有較大誤差，但因?yàn)槠涑杀镜汀⒖纱竺娣e采用，仍是直接測(cè)量雷擊參數(shù)的主要方法， 再結(jié)合其他方法可有效地測(cè)量雷擊電流的全部參數(shù)。

[1] 王巨豐,唐興祚.測(cè)量雷電流幅值的磁帶法及幅值讀出裝置[J].高電壓技術(shù),1992,17(1):86-89.

[2] 王巨豐,唐興祚,覃海深.磁帶測(cè)量雷電流幅值的研究[J].高電壓技術(shù),1993,19(1):65-68.

[3] 陳德彬,喻劍輝,胡中等.雷電流的跟蹤測(cè)量[J].高電壓技術(shù),2001,27(3):59-63.

[4] 程養(yǎng)春,李成榕,陳家宏等.特高壓輸電線路雷擊閃絡(luò)電流的測(cè)量[J].高電壓技術(shù),2007,33(6):9-12.

[5] 王巨豐,唐興祚,覃海深.磁帶測(cè)量雷電流幅值的誤差分析[J].高電壓技術(shù),1993,19(3) 40-46.

[6] 王巨豐.磁帶測(cè)量雷電流參數(shù)的研究[J].高電壓技術(shù),1996,22(4): 68-70.

[7] 張?jiān)?王建華,劉穎等.磁帶式雷電流記錄儀的研制[J].高壓電器,1998,34(5):15-18.

[8] 劉景銘.磁記錄原理與應(yīng)用[M].北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械出版社,1983.

[9] Arvenirg M Measurement of impulse current using pre-magnetic tape IEEE[C] Florida Darvenira M. IEEE 1986.

[10] 吳璞三,孫萍.磁鋼式雷電流陡度儀[J].高電壓技術(shù),1986,12(4):25-33.