1. 参数Q

Q值是表征转移电荷量能力的参数,在罗氏线圈中也可解释为线圈达到磁饱和前能够装载的电荷量能力。Q值的单位是库仑(C)也可是安秒积(A•s),在计算中我们通常使用安秒积(A•s)这个单位,更直观便于运算。

    2. Q值计算方法

从定义上看,Q就是电流安培乘以秒,从电流示波图上看是电流波形包裹的面积,我们以10/350μs波形为例。

波头(μs)

波尾(μs)

 峰值(kA)

21.55

358.36

49.7

    此波形的包裹面积可以近似看作三角形面积,底**0.5,标准10/350μs波形应该在1ms处归零,所以近似地上图的Q=49.7*10E3*1.0*10E-3*0.5=47.9*0.5=24.9A•s)。

所以在有些标准里10/350μsQ=0.5Ipeak。推广到所有波形,只要找到该波形的近似三角形的底(归零点)和高(峰值)除以二,就可以算出Q

 

 3.罗氏线圈的Q值选用。

每只罗氏线圈会给出一个Q值,

例如:优测型号LS-M-1000Q=6.5A•s),那么该线圈可以测试:

10/350μs13kA

200ms方波归零时间200ms测到65A

5/320μs归零时间0.9ms,约15kA

10/1000μs归零时间3ms,约4kA,以此计算类推。

例如:优测型号LS-H-1000Q=60A•s),那么该线圈可以测试:

10/350μs120kA

200ms方波归零时间200ms测到600A

5/320μs归零时间0.9ms,约130kA

10/1000μs归零时间3ms,约40kA,以此计算类推。

 

  4.超出罗氏线圈Q值的波形表现。

如果被测波形超出了罗氏线圈自身转移电荷量Q的能力,将会出现磁芯饱和的现象。如下图

图:波形超过线圈自身的Q值能力出现拐点归零

该波形在680μs左右出现拐点并快速归零,证明此时线圈达到磁饱和。如果线圈磁饱和,会出现磁芯磁化现象,那么随后即使在Q值能力内的测试也会有可能持续出现次饱和的现象,如下图,这是在磁饱后,降低峰值,原本在能力内的波形也持续地饱和

图:降低峰值到Q能力内,波形依然显示饱和。

所以,我们给出一个解决方案:只要进行一次小幅值反向冲击电流,即可将磁化的磁芯消磁,测量恢复正常。

  5.对于未知波形的测量判断是否畸变

在雷电学领域,现在更多的是对自然界雷电接闪并引流进行测量,许多情况下选择罗氏线圈并没有对其转移电荷量能力进行要求,只是一味地看测量峰值是不是满足,这是最极端的错误。

首先,对雷电流的采样峰值是非常简单的技术了,使用分流器、偏振器、磁互感等都可以准确测量,但是研究自然雷电,更重要的是对波形的研究,也就是对雷电电荷能量的研究。笔者看到过一些研究采集到的自然界雷电流波形,作为罗氏线圈的研究者看来,这些波形都是畸变之后的,也就是说之前选用罗氏线圈出现了错误。常见的皮尔逊罗氏线圈,采购时需要自己对着参数表格选型号,很多大孔径的线圈,看着峰值200-400kA,实则转移电荷量能力只有几库仑,造成这个问题的原因有两个,一是大孔径在技术上很难实现很高的转移电荷量能力,二是,皮尔逊的型号太多,更适合专波专用,如果要盲测(未知波形)就推荐一条线路串入2-3只不同能力的线圈。

那么如何判断波形是不是真实的雷电波,是不是有畸变呢?按以下两步:

第一步放大波形,进行Q值计算,如果得出采集到的电流波Q值约等于所用线圈的转移电荷量能力Q那么我们可以判断该波形存疑,进行第二步排查。

这里说一下在没有计算机软件的情况下,异形波Q的计算方法。


  波形的面积分割

我们可以按中学几何分割的方法进行异形平面面积分割计算,如图,我们可以将其分割成ABC三部分分别计算后相加。如何不规则的波形都可以分割成许多规则的几何形状进行面积计算,也就是简单的积分。

第二步看是否在波尾有拐点并快速归零,如上一节展示的波形。因为在电流波尾阶段,是一个放电过程,放电通道阻抗没有大的变化时,是不可能突变的。

如果以上两步都达到了肯定的答案,那么该波形判定为畸变,不可采纳,需要更换罗氏线圈。


罗氏线圈波形测量中选择Q值的重要作用

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