專利名稱：接地電阻異頻測量方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及高電壓技術領域，特別是用于變電站、發電站及通訊站等接地網工頻接地電阻異頻測量方法及裝置。
目前，據申請人所知，對接地網的接地電阻的測量技術主要有大電流法和異頻測量法。其中，大電流法對于在運行中的變電站的消除工頻對測量的干擾，必須抬高地網的電位，即通過加大電流極的測量電流來實現，最大的測量電流可達100A，使得所需設備的體積龐大，而且需要大截面的電流極引線，在實地測量時，放線甚至用拖拉機拽線，現場實施相當困難，使用的設備造價高，攜帶運輸不方便。現有的異頻測量接地電阻的方法，一般采用較小的異于工頻的測量信號，能避開工頻干擾，方便測量，使用設備造價便宜。中國專利文獻CN92208327、4公開了一種接地電阻儀，該儀器采用選頻濾波產生70-250HZ、50-500mA的正弦波測量信號，實現用異頻測量方法測量接地電阻，由于該儀器采用的異頻測量信號過小，最大也只有500mA，變電站接地網接地電阻大多在0.1Ω-0.5Ω之間，若通過電流極向接地網注入測量電流500mA，則在輔助電壓極上獲得的電壓降則只有0.05V-0.25V，而接地網的工頻干擾電流在輔助電壓極上產生的壓降可達10V左右，其采用無源雙T、潛在雙T及有源雙T電路構成選頻濾波器消除干擾單元，濾除直流及50HZ等頻率的干擾信號，以期獲得被測接地裝置的接地電阻的真實值，但由于該儀器采用的濾波方式不可能完全消除工頻及其它高頻分量，其測量數據的精度仍受到影響，同時該儀器只能測出地網的接地阻抗值，而無法測得接地電阻值R，而且該儀器采用的異頻測量信號在70-250HZ的范圍，離工頻50HZ較遠，也增加了工頻接地電阻真實值測量的不準確度。該儀器只能取代接地搖表，用于測桿塔的接地電阻，不適于測大型地網的接地電阻。目前，國際上對接地電阻采用異頻測量方法的有代表性的是加拿大安大略省水電局曾做過的一項試驗，見IEEE91年冬季會議論文集中記載的由P.R、Pitlai Member等著的《變電站接地系統試驗及計算》一文，試驗采用不同于工頻(加拿大國的工頻標準為60HZ)頻率的測量源，即由本載發電機組提供65HZ-70HZ的正弦交流電源再通過一變壓器向電流極注入5-20A(240V電壓)的測量用電流，采用雙通道頻譜分析儀，將65-70HZ的測量信號從工頻及其他高頻信號中分離出來，這種方法因其采用的異頻比較接近工頻且信噪比較大，因而達到清除工頻及其它高頻干擾信號對其測量的影響。但是，這種測量的試驗方法采用的測量信號源是由本載發電機通過變壓器提供的，使得設備笨重，不便現場使用，與大電流法所需用設備相比有增無減，且測量部分僅由頻譜分析儀完成，除操作復雜外，顯示測量數據不太直觀，且僅用高于工頻的正弦波信號源也有不足，不便于校正測量誤差。中國專利文獻91219435.9公開的《超低頻微機型接地電阻測量儀》，由微型計算機、超低頻功率發生器，信號選擇電路、電壓信號通道、電流回路的信號進行計算并校正誤差，通過顯示器直觀地顯示出測定值，盡管其有使用方便，結構簡單，且有抗干擾的特性，但其電路設計上仍存在不足，測量信號較小，僅使用無源低通濾波器和有源低通濾波器排除工頻和高于工頻的干擾信號、通過計算檢驗儀器自校的測量信號與實際測量信號之間的比值，借助于取樣電阻來確定接地電阻的實際值，而通過發出的電測量電信號經過整形后輸出的方波信號的相位差來修正計算誤差，顯然是不夠的，最終在顯示器上顯示的接地電阻并沒有排除容抗和感抗分量的影響，沒有更有效地把這種影響降到最低，從根本上提高裝置的測量精確度。
本發明的目的是，針對上述現有技術存在的異頻測量方法不完善，異頻測量信號頻率偏離工頻過大，異頻測量信號的功率過小，難以真正實現信噪比高，不能有效地抑制工頻和其它干擾信號對測量的影響，不易保證測量精度，使用的測量設備過大或者過復雜或者采用的測量電路自身設計的缺陷而難以適應現場測量的需要而談不上保證測量準確度的不足，進行改進，提出一種新的接地電阻異頻測量方法及裝置，為實現對運行中的變電站、發電站及通信站等現場接地電阻的便捷、準確的測量提供條件和保障。
本發明提出的接地電阻異頻測量方法的技術方案是，采用異頻功率源產生不同于工頻的測量電流信號，注入被測地網的輔助電流極，從被測地網輔助電壓取得該測量電流產生的異頻電壓信號，異頻電流、電壓測量信號經濾波處理及數據分析得到異頻電流信號和電壓信號基波分量的實部和虛部，其特征在于，采用硬件和軟件設備通過公式計算被測地網的接地電阻和電抗，由顯示裝置顯示測量計算的最后結果，采用的異頻功率源是正弦波脈寬調制式可調頻率功率源，注入被測地網輔助電流極的電流輸出額為3-5A，采用的異頻頻率為40HZ和60HZ兩個頻率。
其特征在于，所采用的異頻功率源是500W正弦波脈寬調制式可調頻率功率源。
其特征在于，對異頻電流，電壓信號進行濾波處理是分別進行的，首先對它們分別進行取樣，使它們分時通過陷波濾波器和帶通濾波器進行濾波，得到可以進行檢測的異頻信號，對此異頻信號進行數據分析是將通過濾波處理后的測量電壓信號與電流信號通過A/D轉換電路進行處理變成數字量送入智能處理系統，在對濾波后的異頻信號進行處理過程中，測量系統對電壓和電流信號的采樣與異頻功率源的頻率同步，對電流信號、電壓信號作加寬窗口頻譜分析由單片機構成的智能處理系統完成，將其中的基波分量分離出來，進一步除去干擾分量。
其特征在于，采用如下計算公式，
U＝Ur+jUiI＝Ir+jIiUr、Ui、Ir、Ii分別為異頻信號的基波電壓、電流的實部和虛部Z=R+jXf=Ur+jUiIr+jIi]]>Z為阻抗，R為接地網的等效接地電阻，X為接地網等效接地電抗，f為異頻頻率，40HZ或60HZX=150fXf]]>由于電抗值與頻率相關應修正到工頻下的值f＝50HZ同時應減去引線之間的互感抗(該值可根據引線長度及引線間的距離計算得到)。
本發明提出的接地電阻異頻測量方法采用的裝置，包括異頻功率源、電流傳感器、電壓傳感器、兩個運算放大器、程控放大電路、A/D轉換電路、單片機系統、液晶顯示及控制面板，其特征在于，采用了陷波及帶通濾波電路、同步采樣脈沖回路、采樣保持電路，異頻功率源的電流輸出端口分別配接電流輸出端子、電流傳感器，運算放大器配接陷波及帶通濾波電路，陷波及帶通濾波電路的輸出接程控放大電路、程控放大電路接采樣保持電路，異頻功率源的同步信號輸出端S2與同步采樣脈沖回路的輸入端相接，同步采樣脈沖回路的輸出接采樣保持電路的控制端，采樣保持電路的輸出端接A/D轉換電路，將模擬信號轉換成數字信號的A/D轉換電路再與單片機系統配接，單片機系統通過控制線及地址/數據總線與液晶顯示及控制面板相連。
其特征在于，異頻功率源采用有(IGBT)模塊構成的正弦脈寬調制式(SPWM)可調頻率功率源。
其特征在于，異頻功率源采用了兩個濾波電路、調幅電路、加法器、三角波發生器、比較器、隔離驅動與保護電路、啟動控制電路、橋式整流電路、由(IGBT)模塊組成的DC-AC逆變橋、LC濾波電路、反饋電路以及隔離變壓電器組成，其中，單片機系統正弦調制信號的輸出端接濾波電路的輸入端，濾波電路的輸出端有一路作為同步信號輸出端并接調幅電路的輸入端，調幅電路的輸出與反饋電路的輸出分別同加法器的一個輸入端相接，加法器的輸出端連至比較器的反向輸入端，三角波發生器的輸出端接比較器的正向輸入端，比較器的輸出經隔離驅動與保護電路與IGBT模塊組成的DC-AC逆變橋的門極相連，啟動控制電路接220V交流輸入，啟動控制電路的輸出端配接橋式整流電路，橋式整流電路配接濾波電路，濾波電路的輸出接至逆變橋的輸入端，逆變橋的輸出接LC濾波電路，LC濾波電路再分別接反饋電路的輸入端和輸出隔離變壓器的輸入端，輸出隔離變壓器的輸出即為異頻電流的輸出端口，此外，啟動控制電路、隔離驅動與保護電路及逆變橋的控制端通過控制總線與單片機系統相連。
其特征在于，陷波及帶通濾波電路由兩個多路開關、50HZ四階陷波濾器、4 0HZ四階雙二次帶通濾波器及60HZ四階雙二次帶通濾波器組成，多路開關的兩個輸入端分別為電壓信號輸入端和電流信號輸入端，多路開關的輸出與50HZ四階陷波濾波器的輸入端相連，50HZ四階陷波濾器的輸出與40HZ四階雙二次帶通濾波器及60HZ四階雙二次帶通濾波器的輸出分別與多路開關的兩個輸入端相連，多路開關的輸出即為陷波及帶通濾波電路的輸出。
本發明的優點是，克服了現有技術存在的不足，為運行中的發電站(廠)、變電站及通訊站等接地網工頻電阻測量提供了便捷實用、準確度高的測量方法和裝置，該異頻測量方法簡便易行，準確可靠，其采用了功率為500W的異頻功率源，能發出3-5A異頻測量電流信號，以及高性能的陷波及帶通濾波電路，能有效地克服工頻及其他干擾信號對測量結果的影響，能真實地反映出被測接地網的工頻接地電阻值，精度優于1.0％，所采用的裝置將異頻信號源與測量部件集于一體，做到了體積小，重量輕，適于現場使用，方便攜帶。
圖1，接地電阻異頻測量裝置測量電路電原理方框2，本發明采用異頻測量裝置的電路方框3，本發明采用裝置的異頻功率源的電路方框4，本發明采用裝置的陷波及帶通濾波電路的方框圖下面根據附圖詳細地詳述本發明的實施例。
如圖1所示，將被測地網輔助電流極引線連接到本發明采用的測量裝置的電流輸出端(紅端子)C2、將被測地網輔助電壓極的引線連到測量裝置的電壓輸入端(紅端子)P2，電壓輸入端(黑端子)P1與電流輸出端(黑端子)C1分別接到被測地網中心，被量地網的接地電阻的極，線布置及距離按《接地裝置工頻特性參數的測量導則》(DL475-92)的要求進行確認，若采用“三極法”，輔助電流極引線長度為被測地網對角線距離的4-5倍，輔助電壓極引線長度為輔助電流極引線的62％左右，準備就緒后，打開電源開關，通過采用的測量裝置面板上按鍵選擇輸出的異頻電流的頻率(40HZ或60HZ)，若發現電壓極上存在工頻干擾信號，可通過面板上的按鍵將陷波及帶通濾波電路6投入，采用的異頻功率源1為500W正弦波脈寬調制式(SWPM)可調頻率功率源產生異頻測量電流信號，通過電流輸出端子C1、C2，向被測地網注入3-5A略高于工頻的60HZ測量電流I1、或者略低于工頻的40HZ的測量電流I2。通過電壓輸入端子P1、P2在輔助電壓極上獲得電壓信號U，根據選用異頻頻率來確定電壓信號U是U1(異頻頻率為60HZ的測量電流I1流過輔助電壓極所產生的電壓降)或U2(40HZ異頻頻率測量電流引流過輔助電壓極產生的電壓降)。通過電流傳感器2和電壓傳感器3，對異頻測量信號I1(60HZ的異頻電流)、U1或者I2(40HZ的異頻電流)、U2(40HZ的異頻電壓)進行取樣，使其通過由運算放大器組成的預處理電路，并通過60HZ或者40HZ四階雙二次帶通通濾器28、29，得到較純凈的60HZ或者40HZ異頻信號，將異頻信號通過程控放大電路7、放大送入A/D轉換器10進行處理，并將信號幅值調整到接近A/D轉換器10的滿量程，以確保數據轉換的精度，然后將A/D轉換器10轉換后的數字信號送入以80196KC為主的單片機系統11，對測量數據進行處理和對測量結果進行顯示，對測量數據進行貯存。單片機系統11控制調節正弦信號S1頻率與幅值，從而改變異頻功率源1的頻率和幅度，單片機11有一控制總線S3，S3控制異頻功率源1的啟動，控制異頻功率源1中IGBT逆變橋的啟動與停止，并檢測異頻功率源1可能出現的故障從而采取保護措施，測量電流經過電流輔出端子C1、C2通過輔助電流極引線加到被測地網、輔助電流極和大地構成的電流回路上，電流信號I(即I1或者I2)和電壓信號U(即U1或者U2)，I1對應于U1，I2對應于U2)是快速分時通過陷波及帶通濾波電路6的，陷波及帶通濾波器6的輸出經程控放大電路7、將信號幅值放大后送入采樣保持電路9，同時異頻功率1源產生的同頻信號S2經同步采樣脈沖回路8，其頻率變為S2的256倍，經信號送至采樣保持電路9的控制端作測量的同步信號，A/D轉換器10將采樣保持電路9送來的測量電流信號和電壓信號的模擬信號轉換為數字信號，80196KC單片機系統11對A/D轉換器10送來的電流、電壓信號進行頻譜分析，即通過軟件再次進行濾波，進一步除去各種干擾分量，以精確地得到異頻測量電流和電壓的基波分量的實部和虛部(以電壓信號正向過零點作為矢量參考點)，Ir、Ii、Ur、Ui則被測地網等效接地電阻R，電抗X由軟件按下列公式計算并在液晶顯示器上顯示出來。R=UrIr+UiIiIr+Ii]]>X=UiIr-UrIiIr+Ii]]>f為異頻頻率60HZ或40HZ由于電抗值與頻率有關電抗值需所到工頻下的值X=150fXf]]>f為異頻頻率60HZ或40HZ電抗值應修正到工頻下的值f＝50HZ，同時應減去引線之間的互感，該值可以根據引線的實際長度及引線之間的距離計算得到。
如圖2、圖3、圖4所示，依據本發明提出的接地電阻異頻測量方法采用的測量裝置，包括異頻功率1、電流傳感器2、電壓傳感器3、兩個運算放大器4和5、陷波及帶通濾波電路6、程控放大電路7，同步采樣脈沖回路8、采樣保持電路9，A/D轉換器10、單片機系統11、液晶顯示及控制面板12。異頻功率源1的電流輸出端口S4、S5分別配接測量裝置的面板上的電流輸出端子C1、C2、其電流的大小由電流傳感器2取樣決定。電流傳感器2、電壓傳感器3的輸出分別連接運算放大器4和5、配接陷波及帶通濾波電路6，陷波及帶通濾波電路6的輸出接程控放大電路7，程控放大器7接采樣保持電路9，異頻功率源1的同步信號輸出端S2與同步采樣脈沖回路8的輸入相連，同步采樣脈沖回路8的輸出接采樣保持電路9，采樣保持電路9的輸出端接A/D轉換電路10，將模擬信號轉換成數字信號的A/D轉換器10再與單片機系統11配接，單片機系統11通過控制線及地址/數據總線與液晶顯示及控制面板12相連，單片機系統11的一條控制總線S3和控制端S1與異頻功率源1配接。采用的異頻功率源1為采用了IGBT模塊的正弦波脈寬調制式(SDWM)功率放大器，功率≥500W，異頻電流輸出值3-5A。異頻功率源1采用了濾波電路13和濾波電路21，調幅電路14、加法器15、三角波發生器16、比較器17、隔離驅動與保護電路18、啟動控制電路19、橋式整流電路20、IGBT組成DC-AC逆變橋22、LC濾波電路23、反饋電路24以及輸出隔離變壓電器25組成。波波電路13為有源濾波器，濾波電路21為無源濾波器。由單片機系統11提供的頻率可調幅值恒定的正弦波經濾波電路13輸入，作為同步信號輸出端S2輸出，且同步信號的頻率可調幅值恒定。濾波電路13與并調幅電路14配接，調幅電路14的輸出與反饋電路24的輸出分別同加法器15的一個輸入端相接，加法器15的輸出接至比較器17的反向輸入端，三角波發生器16的輸出端接比較器的正向輸入端，比較器17的輸出經隔離驅動與保護電路18與IGBT組成的DC-AC逆變橋22的輸入端，逆變橋22的輸出接LC濾波電路23，LC濾波電路23分別配接反饋電路24的輸入端及輸出隔離變壓器25的輸入端，此外啟動控制電路19、隔離驅動與保護電路18及逆變橋22的控制端通過控制總線S3與單片機系統11配接，輸出隔離變壓器的輸出S4、S5，即為異頻功率源的輸出端口。濾波電路13的輸出經調幅電路14進行幅值調節并經加法器15與反饋來的頻輸出信號VS，由三角波發生器16產生一固定頻率的高頻三角波作為載波信號Ut，從比較器17輸出一脈寬隨正弦規律變化的矩形脈沖，弦脈動通過隔離驅動與保護電路18同時施加到IGBT組成的DC-AC逆變橋22的門極，工頻220V交流經過啟動控制電路19再經橋式整流電路22整流變成脈動的直流電壓，再經過濾波電路21波波后加載到IGBT組成的DC-AC逆變橋22的輸出端得到放大了的脈寬隨正弦規律變化的矩形脈沖電流，經過LC濾波電路23濾除載波信號Ut后送至輸出隔離變壓器25，在輸出隔離變壓器25的輸出端輸出3-5A的純凈的異頻正弦波信號，本發明最佳實施例給出40HZ和60HZ兩個頻率點，根據需要異頻功率源1可以選擇輸出40HZ異頻電流測量信號或者選擇輸出60HZ異頻電流測量信號，LC濾波電路23的輸出經反饋回路24進入加法器15的輸入端，是為了確保異頻功率源1輸出的穩定性。控制總線S3與啟動控制電路19的控制端相連是為了控制工頻整流回路的啟動，控制總線S3與隔離驅動與保護電路18的控制端配接，是檢測異頻功率源1內各元件的溫度，如溫度過高，即發出報警信號，以采取保護措施，并在控制面板上顯示相應的提示，同時控制總線S3與逆變橋22的控制端相連，是為控制逆變橋的啟動和停止。本發明采用的陷波及帶通濾波電路6由兩個多路開關26、30、50HZ四階陷濾波器27、40HZ四階雙二次帶通濾波器28及60HZ四階雙二次帶通濾波器29組成，其中電壓信號U、電流信號I、接多路開關26的兩個輸入端，多路開關26的輸出與50HZ四階雙二次帶通濾波器27的輸入端相連，50HZ四階陷波濾器27的輸出接40HZ四階雙二次帶通濾波器28及60HZ四階雙二次帶通濾波器29的輸入，40HZ四階雙二次帶通濾波器28及60HZ四階雙二次帶通濾波器29的輸出分別與多路開關30的兩個輸入端相連。多路開關30的輸出即為隔波及帶通濾波電路6的輸出。陷波及帶通濾波電路6合理地選擇了50HZ四階陷波濾波器27及帶通濾波器28、29的階數，即最大限度地濾除工頻及其它音頻干擾信號，又可讓異頻電壓和電流分時分別通過同一組50HZ四階陷波濾波器27及帶通濾波器28或29，其幅值和U，I之間的相位不產生偏移，多路開關26調整分時切入電壓信號U和電流信號I，切換延時小于1秒，多路開關26的輸出首先進入50HZ陷波濾波器27，經陷波濾波器27的中心頻率fo＝50HZ，帶寬B＝0.26fo，阻帶SB＝0.024fo，阻帶的最小衰減不小于40dB，即對于50HZ工頻干擾仍可衰減100倍以上。50HZ四階陷波濾器27的輸出同時連接40HZ四階雙二次帶通濾波器28及60HZ四階雙二次帶通濾波器29，分別只允許40HZ和60HZ的測量信號通過，時工頻及其頻率的各種干擾信號可衰減40dB以上，由40HZ四階二次帶通濾波器28和60HZ雙二次帶通濾波器29的輸出信號經多路開關30切換后，得到較純凈的40HZ或60HZ的異頻測量信號送人程控放大電路7中進行處理。
權利要求
6.根據權利要求5所述的接地電阻異頻測量方法采用的裝置，其特征在于，異頻功率源(1)采用IGBT模塊構成的正弦波脈寬調制式SPWM可調頻率功率源。
7.根據權利要求5所述的接地電阻異頻測量方法采用的裝置，其特征在于，異頻功率源(1)采用了兩個濾波電路(13)和(21)、調幅電路(14)、加法器(15)、三角波發生器(16)、比較器(17)、隔離驅動與保護電路(18)、啟動控制電路(19)、橋式整流電路(20)、IGBT模塊組成的DC-AC逆變橋(22)、LC濾波電路(23)、反饋電路(24)以及隔離變壓電器(25)組成，其中，單片機系統(11)正弦調制信號的輸出端S1接濾波電路(13)的輸入端，濾波電路(13)的輸出端有一路作為同步信號輸出端S2并接調幅電路(14)的輸入端，調幅電路(14)的輸出與反饋電路(24)的輸出分別同加法器(15)的一個輸入端相接，加法器(15)的輸出端連至比較器(17)的反向輸入端，三角波發生器(16)的輸出端接比較器(17)的正向輸入端，比較器(17)的輸出經隔離驅動與保護電路(18)與IGBT模塊組成的DC-AC逆變橋(22)的門極相連，啟動控制電路(19)接220V交流輸入，啟動控制電路(19)的輸出端配接橋式整流電路(20)，橋式整流電路(20)配接濾波電路(21)，濾波電路(2 1)的輸出接至逆變橋(22)的輸入端，逆變橋(22)的輸出接LC濾波電路(23)，LC濾波電路(23)再分別接反饋電路(24)的輸入端和輸出隔離變壓器(25)的輸入端，輸出隔離變壓器(25)的輸出即為異頻電流的輸出端口S4、S5，此外，啟動控制電路(19)、隔離驅動與保護電路(18)及逆變橋(22)的控制端通過控制總線S3與單片機系統(11)相連。
8.根據權利要求5所述的接地電阻異頻測量方法采用的裝置，其特征在于，陷波及帶通濾波電路(6)由兩個多路開關(26)、(30)，50HZ四階陷波濾器(27)、40HZ四階雙二次帶通濾波器(28)及60HZ四階雙二次帶通濾波器(29)組成，多路開關(26)的兩個輸入端分別為電壓信號輸入端和電流信號輸入端，多路開關(26)的輸出與50HZ四階陷波濾波器(27)的輸入端相連，50HZ四階陷波濾器(27)的輸出與40HZ四階雙二次帶通濾波器(28)及60HZ四階雙二次帶通濾波器(29)的輸出分別與多路開關(30)的兩個輸入端相連，多路開關(30)的輸出即為陷波及帶通濾波電路(6)的輸出。
全文摘要
本發明涉及接地電阻異頻測量方法及裝置,采用異頻功率源產生異于工頻的測量電流信號注入被測地網方法測量接地電阻,使異頻電流及測量的電壓經濾波處理和數據分析得到其基波分量的實部與虛部,采用硬件和軟件通過公式計算被測地網接地電阻,并顯示測量計算的結果,異頻測量信號使用40Hz和60Hz兩個頻率有效地排除了工頻及其它干擾信號的影響,測量準確度高,測量數據真實可靠,測量裝置和異頻功率源組合為一體,方便實用。
文檔編號G01R27/20GK1243254SQ9911660
公開日2000年2月2日 申請日期1999年8月16日 優先權日1999年8月16日
發明者李澍森, 陳曉燕, 趙正軍, 董曉輝, 姜勝寶 申請人:國家電力公司武漢高壓研究所