剩磁法在雷電流幅值監測中的應用研究

徐 真 傅正財

（上海交通大學電氣工程系，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剩磁原理。當導體流過電流時，它的周圍都存在磁場，處于磁場中的鐵磁性材料內部眾多的微小磁疇會按磁力線方向排布，當外加磁場消失后，鐵磁材料內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。當雷擊發生時，雷電流周圍會出現強度很大的瞬時磁場，在這個磁場內存在的鐵磁性材料會受到很強的磁化作用，將會留下較多的剩磁。磁鋼式剩磁法使用特殊的磁鋼棒來獲得雷擊后的剩磁，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 長直導線空間磁場計算模型圖

根據畢奧-薩伐爾定律，如圖1空間中長度為l導體上的電流元Idl在P點產生的磁感應強度B為

由公式（4）可以看出，長直導線在其附近空間內某點磁場強度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，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，不易飽和等優點，更適合用來測量雷電流。

4 磁鋼棒剩磁量的測量

傳統測量磁鋼棒剩磁的方法有磁偏角法和交流退磁電流法，其測量剩磁的精度都不高。而根據霍爾效應制成的數字高斯計，可在現場方便、快捷、準確地測量磁鋼棒的剩磁量，有效減小了環境因素對測量剩磁的影響，提高了磁鋼式剩磁法測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尺，其準確性直接影響著測量雷電流峰值的精度。目前，測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，通過直流電流產生的磁場來測定磁鋼棒的剩磁校正曲線；另一種方法是沖擊電流法，直接通過沖擊電流產生的磁場來測定磁鋼棒的剩磁校正曲線。其中，沖擊電流法更加準確。

3.1.4 完善公共服務，提升旅游體驗。完善旅游公共服務可以從以下幾方面著手：①推動景區安全設施的完善。為景區公共交通車的乘客椅配備安全帶；在危險地段設置防護裝置和快速報警系統。②推動景區醫療設施的建設。在景區內人流集中的景點設立醫療救助站，保證游客的人身安全，例如袁家界、天子山等；在景點設置常用藥物的自動販售機。③推動景區服務設施的建設。 在購買景區門票時，可以推行景區小交通的組合套餐，避免游客在景區內重復排隊；繼續將“廁所革命”進行到底，保證游客的旅游體驗。

為了消除引線的影響，特制作了一個由φ1cm的圓鋼焊接而成的直徑1m，高2m的屏蔽籠，如圖2。試驗用沖擊電流發生器產生的 8/20μs標準雷電流波形來模擬雷電流。磁鋼棒為直徑1cm，長3cm的圓柱體，初始剩磁均小于1mT，被安置在屏蔽籠中央導線的附近空間，如圖2。

圖2 屏蔽籠模型圖

為了得到最大的剩磁，將磁鋼棒與中央導線正交安放，兩者中心垂直距離為 2.0cm。通過試驗所得數據見表1。

表1 剩磁校正曲線數據

據表1所得磁鋼棒的B-H曲線見圖3。

由數據和圖形可以得出：

圖3 磁鋼棒B-H校正曲線圖

（1）當磁場強度H＜20000A/m時，磁鋼棒上的剩磁非常小，數值小于1mT，跟磁鋼棒的初始剩磁相當。

（2）當2000A/m＜磁場強度H＜45000A/m時，磁鋼棒上的剩磁變化不明顯，且數值都小于3mT。

（3）當磁場強度H＞45000A/m時，磁鋼棒的剩磁顯著增大且跟H成線性增長。

（4）當磁場強度H＞160000A/m時，磁鋼棒的剩磁增長緩慢，不是因為磁鋼棒接近磁飽和，而是由于試驗回路中沖擊電流的反峰值增大超過5%，使得磁鋼棒被反向磁化而被部分消磁。實際該磁鋼棒的線性區間更長。

因此，在使用該磁鋼棒時，應盡量使其工作在磁場強度H＞20000A/m的區域，最好是磁場強度H＞45000A/m的線性區間。

5.2 距離對磁鋼棒剩磁校正曲線的影響

改變磁鋼棒與中央導線的垂直距離，試驗所得數據見表2。

表2 不同距離下的剩磁校正曲線數據

據上表所得磁鋼棒的B-H曲線見圖4。

圖4 不同距離下的磁鋼棒B-H校正曲線圖

由數據和圖形可以得出：磁鋼棒的B-H曲線跟距離無關，距離的大小僅僅影響到磁鋼棒的預期工作區間。

5.3 磁鋼棒的剩磁累積效應

由于雷電流產生是瞬時磁場，磁鋼棒在此種磁場下不能1次磁化后就產生該電流峰值下的最大剩磁量，而是經過幾次相同的磁場作用后才會達到最大剩磁量，這種特性就是剩磁累積效應。對同1根磁鋼棒連續施加15次相同的沖擊電流，電流峰值為10.8kA。試驗所得數據見表3。

表3 磁鋼棒的剩磁累積效應數據

據上表所得磁鋼棒的積累效應曲線見圖5。

圖5 磁鋼棒剩磁的累積效應曲線圖

由數據和圖形可以得出：

（1）對于沖擊電流，磁鋼棒的剩磁有一定的積累效應。經過4次試驗后，磁鋼棒的剩磁基本穩定。

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

由于實際雷擊發生時存在多次回擊，且其雷電流峰值大小都不一樣，因而會造成磁鋼棒剩磁法在實際應用時測量精度下降。

6 磁鋼剩磁法的應用

根據磁鋼棒上的剩磁量，按照圖3中的B-H曲線可查出對應的磁場強度，然后再根據實際模型可計算出流經導體的雷電流峰值。實驗室搭建了如圖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 試驗模型圖

試驗中沖擊電流從避雷針頂端流入，從21號，22號，42號，45號圓鋼的交點處流出。根據各磁鋼棒的剩磁量B在B-H曲線中找到對應的磁場強度H，再通過計算出電流值見表4。

表4 試驗數據

實際施加的沖擊電流峰值為18.5kA，而經磁鋼棒測得的分電流之和為18.0kA，兩者相對誤差為2.7%。

7 結論

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

（2）磁鋼棒的剩磁量對于雷電流的脈沖磁場有一定的累積效應，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曲線的線性區域基本穩定。

（3）改進后的磁鋼式剩磁法雖然不能測量雷擊電流的波形參數，且對于多次雷擊電流幅值的測量有較大誤差，但因為其成本低、可大面積采用，仍是直接測量雷擊參數的主要方法， 再結合其他方法可有效地測量雷擊電流的全部參數。

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