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)體流過電流時(shí)，它的周圍都存在磁場，處于磁場中的鐵磁性材料內(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，在這個(gè)磁場內(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(dǎo)線空間磁場計(jì)算模型圖

根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，如圖1空間中長度為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，長直導(dǎo)線在其附近空間內(nèi)某點(diǎn)磁場強(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(yōu)點(diǎn)，更適合用來測量雷電流。

4 磁鋼棒剩磁量的測量

傳統(tǒng)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(jù)霍爾效應(yīng)制成的數(shù)字高斯計(jì)，可在現(xiàn)場方便、快捷、準(zhǔn)確地測量磁鋼棒的剩磁量，有效減小了環(huán)境因素對(duì)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(biāo)尺，其準(zhǔn)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(chǎn)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(chǎn)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(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)。 在購買景區(qū)門票時(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(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。通過試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)見表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。

（4）當(dāng)磁場強(qiáng)度H＞160000A/m時(shí)，磁鋼棒的剩磁增長緩慢，不是因?yàn)榇配摪艚咏棚柡?，而是由于試?yàn)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(shí)際該磁鋼棒的線性區(qū)間更長。

因此，在使用該磁鋼棒時(shí)，應(yīng)盡量使其工作在磁場強(qiáng)度H＞20000A/m的區(qū)域，最好是磁場強(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，磁鋼棒在此種磁場下不能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)過幾次相同的磁場作用后才會(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)的磁場強(qiáng)度H，再通過計(jì)算出電流值見表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，仍是直接測量雷擊參數(shù)的主要方法， 再結(jié)合其他方法可有效地測量雷擊電流的全部參數(shù)。

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