剩磁法在雷电流幅值监测中的应用研究

徐 真 傅正财

（上海交通大学电气工程系，上海 200030）

1 引言

2 磁钢式剩磁法的原理

磁钢式剩磁法主要根据剩磁原理。当导体流过电流时，它的周围都存在磁场，处于磁场中的铁磁性材料内部众多的微小磁畴会按磁力线方向排布，当外加磁场消失后，铁磁材料内部磁畴仍按此方向排布而成自身的磁性，这种磁性就是所谓的剩磁。当雷击发生时，雷电流周围会出现强度很大的瞬时磁场，在这个磁场内存在的铁磁性材料会受到很强的磁化作用，将会留下较多的剩磁。磁钢式剩磁法使用特殊的磁钢棒来获得雷击后的剩磁，由剩磁的大小和极性，就可以判断出雷电流的大小和极性。

图1 长直导线空间磁场计算模型图

根据毕奥-萨伐尔定律，如图1空间中长度为l导体上的电流元Idl在P点产生的磁感应强度B为

由公式（4）可以看出，长直导线在其附近空间内某点磁场强度H的大小与电流I的大小成正比，与垂直距离a成反比。

3 磁钢棒

磁钢式剩磁法测量雷电流峰值的精度主要取决于磁钢棒剩磁特性的好坏。在我国，磁钢棒主要有两种，一种是由磁粉和胶木粉压制成的小圆棒；另一种是由钡铁氧体制成的磁钢棒。其中新配方的钡铁氧体磁钢棒，具有灵敏度高，矫顽力大，线性度好，不易饱和等优点，更适合用来测量雷电流。

4 磁钢棒剩磁量的测量

传统测量磁钢棒剩磁的方法有磁偏角法和交流退磁电流法，其测量剩磁的精度都不高。而根据霍尔效应制成的数字高斯计，可在现场方便、快捷、准确地测量磁钢棒的剩磁量，有效减小了环境因素对测量剩磁的影响，提高了磁钢式剩磁法测量雷电流峰值的精度。

5 磁钢棒的剩磁校正曲线

5.1 冲击电流法

磁钢棒的剩磁校正曲线是磁钢式剩磁法的核心标尺，其准确性直接影响着测量雷电流峰值的精度。目前，测定磁钢棒剩磁校正曲线的方法主要有两种，一种方法是直流模拟法，通过直流电流产生的磁场来测定磁钢棒的剩磁校正曲线；另一种方法是冲击电流法，直接通过冲击电流产生的磁场来测定磁钢棒的剩磁校正曲线。其中，冲击电流法更加准确。

3.1.4 完善公共服务，提升旅游体验。完善旅游公共服务可以从以下几方面着手：①推动景区安全设施的完善。为景区公共交通车的乘客椅配备安全带；在危险地段设置防护装置和快速报警系统。②推动景区医疗设施的建设。在景区内人流集中的景点设立医疗救助站，保证游客的人身安全，例如袁家界、天子山等；在景点设置常用药物的自动贩售机。③推动景区服务设施的建设。 在购买景区门票时，可以推行景区小交通的组合套餐，避免游客在景区内重复排队；继续将“厕所革命”进行到底，保证游客的旅游体验。

为了消除引线的影响，特制作了一个由φ1cm的圆钢焊接而成的直径1m，高2m的屏蔽笼，如图2。试验用冲击电流发生器产生的 8/20µs标准雷电流波形来模拟雷电流。磁钢棒为直径1cm，长3cm的圆柱体，初始剩磁均小于1mT，被安置在屏蔽笼中央导线的附近空间，如图2。

图2 屏蔽笼模型图

为了得到最大的剩磁，将磁钢棒与中央导线正交安放，两者中心垂直距离为 2.0cm。通过试验所得数据见表1。

表1 剩磁校正曲线数据

据表1所得磁钢棒的B-H曲线见图3。

由数据和图形可以得出：

图3 磁钢棒B-H校正曲线图

（1）当磁场强度H＜20000A/m时，磁钢棒上的剩磁非常小，数值小于1mT，跟磁钢棒的初始剩磁相当。

（2）当2000A/m＜磁场强度H＜45000A/m时，磁钢棒上的剩磁变化不明显，且数值都小于3mT。

（3）当磁场强度H＞45000A/m时，磁钢棒的剩磁显著增大且跟H成线性增长。

（4）当磁场强度H＞160000A/m时，磁钢棒的剩磁增长缓慢，不是因为磁钢棒接近磁饱和，而是由于试验回路中冲击电流的反峰值增大超过5%，使得磁钢棒被反向磁化而被部分消磁。实际该磁钢棒的线性区间更长。

因此，在使用该磁钢棒时，应尽量使其工作在磁场强度H＞20000A/m的区域，最好是磁场强度H＞45000A/m的线性区间。

5.2 距离对磁钢棒剩磁校正曲线的影响

改变磁钢棒与中央导线的垂直距离，试验所得数据见表2。

表2 不同距离下的剩磁校正曲线数据

据上表所得磁钢棒的B-H曲线见图4。

图4 不同距离下的磁钢棒B-H校正曲线图

由数据和图形可以得出：磁钢棒的B-H曲线跟距离无关，距离的大小仅仅影响到磁钢棒的预期工作区间。

5.3 磁钢棒的剩磁累积效应

由于雷电流产生是瞬时磁场，磁钢棒在此种磁场下不能1次磁化后就产生该电流峰值下的最大剩磁量，而是经过几次相同的磁场作用后才会达到最大剩磁量，这种特性就是剩磁累积效应。对同1根磁钢棒连续施加15次相同的冲击电流，电流峰值为10.8kA。试验所得数据见表3。

表3 磁钢棒的剩磁累积效应数据

据上表所得磁钢棒的积累效应曲线见图5。

图5 磁钢棒剩磁的累积效应曲线图

由数据和图形可以得出：

（1）对于冲击电流，磁钢棒的剩磁有一定的积累效应。经过4次试验后，磁钢棒的剩磁基本稳定。

（2）磁钢棒稳定后剩磁量与初次试验后剩磁量的比值 1.3k≈ ，此比值在磁钢棒B-H曲线的线性区域基本稳定。

由于实际雷击发生时存在多次回击，且其雷电流峰值大小都不一样，因而会造成磁钢棒剩磁法在实际应用时测量精度下降。

6 磁钢剩磁法的应用

根据磁钢棒上的剩磁量，按照图3中的B-H曲线可查出对应的磁场强度，然后再根据实际模型可计算出流经导体的雷电流峰值。实验室搭建了如图6所示模型，将4根磁钢棒分别安置于37，38，39，40号圆钢的中间处和避雷针上，磁钢棒都正交安置于离圆钢中心距离为2cm处。

图6 试验模型图

试验中冲击电流从避雷针顶端流入，从21号，22号，42号，45号圆钢的交点处流出。根据各磁钢棒的剩磁量B在B-H曲线中找到对应的磁场强度H，再通过计算出电流值见表4。

表4 试验数据

实际施加的冲击电流峰值为18.5kA，而经磁钢棒测得的分电流之和为18.0kA，两者相对误差为2.7%。

7 结论

（1）改进后的磁钢式剩磁法对于单次雷击电流幅值的测量有较高的准确度，其相对误差可＜3%。

（2）磁钢棒的剩磁量对于雷电流的脉冲磁场有一定的累积效应，最终剩磁量与初次剩磁量的比值k≈ 1.3，此比值在磁钢棒B-H曲线的线性区域基本稳定。

（3）改进后的磁钢式剩磁法虽然不能测量雷击电流的波形参数，且对于多次雷击电流幅值的测量有较大误差，但因为其成本低、可大面积采用，仍是直接测量雷击参数的主要方法， 再结合其他方法可有效地测量雷击电流的全部参数。

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