硕士论文-钳型接地电阻测试仪的研究与设计.pdf

y8 z 互皇互l 中幽舟粪号， 密龊r 单位代号：1 1 9 0 3 学号= 0 2 7 2 0 4 7 6 上海大学 硕士学位论文 s h a n g h a iu n i v e r s i t y m a s t e r st h e s i s 憎 钳型接地电阻测试仪 的研究- 9 设计 作 者萱麦鎏 学科专业测试计量技术及仪器 导 师堕熊皇 一一 完成日期! ! 箜生! 旦 上海大学硕士学位论文 摘要 接地是保障电力系统安全远行的有效方法，接地网络的接地电阻是否符合标 准是电力系统设备能否正常工作的重要指标。本文介绍了电力系统接地电阻测量 的重要意义和必要性，分析比较了几种传统的接地电阻测试仪测试原理和方法， 指出了传统测量方法的不足之处，在此基础上提出了一种新颖的双钳口接地电阻 在线测量方法，将传统的模拟电子技术，传感器技术与数字信号处理技术有机的 结合在一起来实现接地电阻的测量，该方法可以实现接地系统电阻的在线智能铡 量，工作时不会影响电力系统的正常运行，具有较大的实用价值。 该仪器测试时不需要辅助地极，无需切断设备电源或断开地线，只需用钳口 钳住接地线，就可以进行测量。通过钳型传感器向接地回路中注入异于工频的正 弦波变频电压信号，然后采集接地回路中的电流，对采样后的电压及电流信号经 过数字处理，计算得出接地电阻值。 仪器工作的环境中存在较强的干扰，电流传感器采集到的信号除了有用的电 流信号之外，还有其他的外部干扰成分，特别是与系统工作频率相接近的近频干 扰和同频干扰，使用一般的滤波方法不易去除。本文针对采样信号中不同的干 扰成分，采用了不同的抗抗干扰措施：用三重屏蔽方法设计钳型传感器，屏蔽掉 大部分的空间电磁干扰；用硬件带通滤波器降低信号频带，得到一个窄带信号： 对窄带信号采样后，利用离散傅立叶交换的选频检波特性，从多个频率合成的信 号中提取出有用信号；用正交矢量方法分解出两个同频正交成分。 该接地电阻测试仪以c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机作为系统的处理核心，其内部集成 有数模转换器( d a c ) ，模数转换器( a d c ) 及可编程放大器等硬件设备。外围设 备配置了键盘及1 2 8 6 4 点的l c d 液晶显示，启动电源后，仪器即可自动开始测试， 测试结果可直接显示在l c d 液晶屏上，此外仪器留有j t a g 通信接口，可以方 便的对单片机程序进行在线下载及修改升级。 关键词：接地电阻 单片机c 8 0 5 1 f 0 0 5选频检波微电流放大 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t g r o u n d i n gi sa ne f f e c t i v em e t h o dt oe n s y f f ee l e c t r i cs y s t e m sn o r m a lo p e r a t i o n i t i sa l li m p o r t a n tg u i d ei ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e mc a r lw o r kn o r m a l l yi fg r o u n d i n g r e s i s t e n c ei sa c c o r d i n gw i t hs t a n d a r d t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es i g n i f i a n c ea n d n e c e s s i t yo fm e a s u r e m e n to fg r o u n d i n gr e s i s t e n c e o fe l e c t r i cp o w e rs y s t e m i t a n a l y s e ss e v e r a lt r a d i t i o n a lm e t h o d st om e a s u r eg r o u n d i n gr e s i s t e n c ea n dp o i n t so u t t h e i rs h o r t c o m i n g s ，a n dt h e nan e wo n l i n et e s t i n gm e t h o dt om e a s u r eg r o u n d i n g r e s i s t e n c ei s p r e s e n t e d t h i s m e t h o d a p p l i e s t r a d i t i o n a la n a l o g u ee l e c t r o n i c t e c h n o l o g y 、s e n s o rt e c h n o l o g ya n dd i g i t a ls i 则p r o c e s si n g e n i o u s l yt om e 鹊u r e g r o u n d i gr e s i s t e n c e i tc a l lm e a s u r eg r o u d i n gs y s t e m “ sr e s i s t e n e ea u t o m a t i c a l l yo n l i n e ， a n di tw i un o ti n f l u e n c et h en o r m a lo p e r a t i o no fe l e c t r i c a lp o w e rs y s t e m ，s ot h i s m e 删e m e mw i l lb r i n gg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u e t h i si n s t r u m e n td o e s n tn e e do t h e rg r o u n d i n gp o l ea n dd o e s n tn e e dt oc u t e l e c t r i cp o w e ro rg r o u n d i n gl i n ew h e nt h i sm e a s l l r e m e n ti sw o r k i n g ，i tj n s tn e e dt o c l a m pg r o u n d i n gl i n et o s t a r tw o r k i n g i ts e to u tv a r i a b l es i n e - w a v ev o l t a g es i g n a l d i f f e r e n tf i o m5 0 h zt og r o u n d i n g c i r c u i tt h r o u g hs e n s o n a n dt h e nc u r r e n ti n g r o u n d i n g c i r c u r ti s g a i n e dt h r o u g h s e n s o r a f t e rb e i n gp r o c e s s e db yd i g i t a l m e t h o d t h ev o l t a g ea n dc u r r e n tc a nb eu s e dt oc a l c u l a t et h eg r o u n d i n gr e s i s t e n c e t h e r eh a v es t r o n gi n t e r f e r e n c ew h e ni n s t r u m e n ti sw o r k i n g ，i ti n c l u d e so t h e r e x t e m a li n t e r f e r e n c ee x c e p tf o ru s e f u lc u r r e n ts i g n mi nd a t as a m p l e d 丘o mc u r r e n t s e n s o r e s p e c i a l l yt h o s ei n t e r f e n e n c ew h o s ef r e q u e n c ea r en e x to rs a m et os y s t e m f r e q u e n c e i ti sv e r y d i f f i c u l tt om o v ei t b yn o r m a lm e t h o d w eu s ed i f f e r e n t a n t i - j a m m i n gm e t h o dt om o v ei ta c c o r d i n gt o d i f f e r e n ti n t e r f e r e n c ei ns a m p l i n g d a t a ：w ed e s i g n e ds e n s o rw i t ht h r e el a y e rs h i e l ds ot h a ti tc a ns h i e l dal o to fs p a t i a l e l e c t r o m a g n e t i s mi n t e r f e r e n c e ：i tn a r r o w e d 血ef r e q u e n c eb a n d w i d t hb yb a n a s s f i l t e rt og e tan a r r o w b a n ds i g n a l ；a f t e rn a r r o w b a n ds i g n mb e i n gs a m p l e d ，w em a k e u s eo ft h ef e a t u r eo fd i s c r e tf o u r i e rt r a n s f o r mt og e tau s e f u ls i g n a lf r o mc o m p o u n d 一一 上海大学硕士学位论文 s i g n a lw i t hd i f f e r e n tf r e q u e n c e a n dt h e nd e c o m p o s et w oc o r r e c t i t u d e i n g r e d i e n t w h o s ef r e q u e n c ei ss a m eb ym e t h o do fc o r r e c t i t u d ev e c t o r t h em e a s u r e m e n tu s e sc 8 0 5 1 f 0 0 5m c ua si t ss y s t e mp r o c e s sc o r e c 8 0 5 1 f 0 0 5 m e ni n t e g r a t e dd a c 、a d c 、p r o g r a m m a b l ea m p l i f i e ra n do t h e rh a r d w a r e t h i s m e a s u r e m e n tc o m p o s e do fk e y b o a r da n d1 2 8 6 4p o i n tl i q u i dc r y s t a ld i s p l a y a f t e r t e s t i n gk e yb e i n gp r e s s e d , t h ea p p a r a t u sw i l lw o r ka u t o m a t i c a l l y , t h er e s u l tc a l lb e s h o w e do nt h el c dd i r e c t l y w h a ti sm o r e ，i th a sj t a gc o n n e c t o rs ot h a tw ec a l l d o w n l o a do rm o d i f yt h em c up r o g r a m c o n v e n i e n t l y k e y w o r d ：g r o u n d i n gr e s i s t e n e e ，c 8 0 5 1 f 0 0 5m c u ，d e m o d u t m i o nb ys e l e c t e d f r e q u e n e e ，a m p l i f m go f l o w - l e v e lc u r r e n t v i i 上海大学硕士学位论文 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印 牛，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：型! ：兰12 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景介绍及研究意义 随着中国经济的飞速发展，在工业生产和国民日常生活中对电力资源的需求 也越来越大，近年来全国发电厂及变电站也一直在大量建设中。为了维护电力系 统安全可靠运行，保障电气设备与运行工作人员安全，发配电设备的质量和各种 保护系统的质量指标固然十分重要，而一个安全可靠的接地系统，对电力系统 的安全运行和防止事故的发生同样具有十分重要的意义，接地系统的好坏直接关 系到电气设备正常工作和人身的安全。因为接地不良而造成设备故障的情况屡有 发生，全国各地就曾多次发生因接地网的问题而造成重大事故的事例。衡量接地 系统的标准包括接地电阻、跨步电阻、接触电阻、均衡电位、泄流能力、抗腐能 力等，而接地电阻的大小是判断接地系统合格与否的主要判据之一。 为了校核接地系统是否正常工作，定期对电力设备的接地系统进行测量是十 分必要的。d l t6 2 1 1 9 9 7 交流电器装置的接地中对变电站接地核防雷设施 的日常维护工作提出了非常严格的要求，包括：每年在雷雨季节来到之前对所有 的防雷措施进行一次全面检查：对于复杂电气设备综合接地电阻应不大于1q ； 1 1 0 k v 及以上的发电厂、变电站接地网的接地电阻应不大于o 5q ：大型2 2 0 k v 或5 0 0 k v 发电厂、变电站应不大于0 2 5q 等。由于接地电阻的变化范围较大， 现场的情况又干差万别，因此相应的接地电阻测量仪表的合理选择是对接地系统 接地电阻进行准确测量的前提保证。接地网接地电阻测量的准确度，直接关系到 正确判断接地网的施工质量，以及对运行中的接地网是否还需处理等问题。因此， 提高测试的准确性是很重要的，否则将会造成资源的浪费和人身财产的损失。 接地电阻测试仪是检验测量接地电阻的常用仪表，也是电气安全检 查与接地工程竣工验收不可缺少的工具，传统的接地电阻的测量方法，通常 是断开接地线与电力设备的连接，采用摇表法进行测量，他是一种离线激励测量 方法，存在着明显的缺点； 1 在测量时电力设备需要停电，影响了电网的正常供电和用户的生产生活 上海大学硕士学位论文 用电，会造成极大的经济损失，特别是在电力短缺、社会生产生活各方面对连续 供电的迫切需的现实情况下，要一些大型枢纽发变电站停电或临时断开主变中 性接地点的困难较大，所以这种离线测试方法明显不适用与现在社会电力设各 运行的实际要求 2 每次测量时都要打两个或两个以上辅助地极，这不仅增加了维护的劳动 强度，浪费大量的人力物力，而且许多现场情况无法打辅助地极，如果周围是水 泥地会更加不便；打地桩地点的选择要经过计算，测试结果受具体打桩地点地质 和周围地形的影响，有时在打辅助地极时无法满足在地网对角线方向上电流辅 助极距地网约4 0 m 、电压辅助极距地网2 0 m 这一要求。 3 离线测量方法测试到的仅仅是接地线的电阻是否符合要求，对于连接到 电力设备之后，整个系统工作是否茛好无法进行判断。 因此，在电力系统的接地电阻日常测试中，迫切需要一种不必断开接地线就 能够方便地测量接地电阻的在线接地电阻测试仪，本课题就是应此需求而产生 的。本课题来源于国家科委的微电量测量技术与智能化仪器开发研究项目( 项目 代号：1 9 0 1 1 ) ，研究的是一种新型的双钳口式接地电阻测试仪，他改变了测试接 地电阻传统的测量原理和手段。采用二电极测量原理和羊4 用双钳口测量技术，无 需打辅助地桩，无需断开设备电源，无需将接地体与设备隔离可在不断开接 地系统的条件下进行接地电阻的在线智能测量。 1 2 接地电阻测试方法的发展与现状 1 2 1 接地电阻测量的基本原理 接地电阻测量的基本方法是设法在电流极和被测接地体之间注入交流电流i ， 此时在被测接地体和电压极之间可获得一电压u ，通过测量该电流和电压值，根据 欧姆定律r = u i ，即可计算出被测接地体的接地电阻。可以说各种接地电阻测试仪 都是根据欧姆定律来设计的，只是实现的具体方式不同而已。 1 2 2 伏一安法( 电压一电流表法) 最初对接地电阻的测量采用的是伏一安法，这种方法是非常原始的。如图 1 1 是使用安培计、伏特计的测量方法原理图：v 为电压表，a 为电流表，a 、b 为辅助地极，通过测量由电源t 沿o b 两电极流入地下的电流值，以及测量o a 为辅助地极，通过测量由电源t 沿o b 两电极流入地下的电流值，以及测量o a 上海大学硕士学位论文 之间的交流电位差，由安培计和伏特计所得的数值就可以根据欧姆定律计算出 接地电阻值。在使用伏一安法测定电阻时须先估计电流的大小，选出适当截面的 绝缘导线，在预备试验时可利用可变电阻r 调整电流，当正式测定时，则将可变 电阻短路，由安培计和伏特计所得的数值来计算出接地电阻。 o 图l - 1 伏一安法测试原理图 伏一安法测量地阻有明显不足之处，首先是麻烦、烦琐、工作量大，试验时， 接地棒距离地极为2 0 5 0 米，而辅助接地距离接地至少4 0 1 0 0 米。另外测试受 外界干扰影响极大，在强电压区域内有时简直无法测量。 1 2 3e 型摇表法 五六十年代，苏联的e 型摇表取而代之了伏安法，它的基本测试原理是采用 三点式电压落差法，是在电流辅助极和被测接地体之间注入低频交流电流i ，此时 在被测接地体和电压极之间可获得一电压u ，通过测量该电流和电压值，根据欧姆 定律r - u i ，即可计算出被测接地体的接地电阻。其测量手段是在被测地线接地桩 ( 暂称为x ) 一侧地上打入两根辅助测试桩，要求这两根测试桩位于被测地桩的 同一侧，三者基本在一条直线上，距被测地桩较近的一根辅助测试桩( 称为y ) 距离被测地桩2 0 米左右，距被测地桩较远的一根辅助测试桩( 称为z ) 距离被 测地桩4 0 米左右。测试时，按要求的转速转动摇把，测试仪通过内部磁电机产 生电能，在被测地桩x 和较远的辅助测试桩( 称为z ) 之间“灌入”电流，此时 上海大学硕士学位论文 在被测地桩x 和辅助地桩y 之间可获得一电压，仪表通过测量该电流和电压值， 即可计算出被测接地桩的地阻。 由于e 型摇表携带方便，又采用了手摇发电机，因此操作起来比伏一安法 简单。七十年代国产摇表式接地电阻仪问世，如：z c 2 8 ，z c 2 9 ，无论在结构、 体积、重量、测量范围、分度值、准确性，都要胜于”e ”型摇表。因此，相当 段时间内接地电阻测试仪都是以上海六表厂生产的z c 系列为代表的典型仪器。 图1 2z c 2 8 接地电阻测试仪原理图 z c 2 8 摇表式接地电阻测试仪的测试原理图如图l 之所示。他主要是由手摇 发电机、相敏整流放大器、电位器、电流互感器及检流计这五大部分组成。当摇 动手摇发电机时，发电机产生1 1 0 一1 1 5 h z 的交流电流通过c i c 2 两极向地下供 电，在p 1 c 2 之间就可以测到一个交流电压v p i c 2 ，电流互感器t a 的次级绕组通过 标准电阻r s 也产生一个回路，在b o 两点之间也产生一个交流电压v d o ，由于 检流器是加在晶体管b g l 的阳极与阴极之间，当调节电位器鼬，使b o 之间电 压与外来p i c 2 之间电压v p i c 2 相等时，b g l 截止，则检流计无电流通过，指针指 在中间平衡位置，即v p l c 2 = v d o ，假设标度盘满刻度为l o ，读数为n 时， 则： 4 上海大学硕士学位论文 i tr p l c 2 = i ：r ，若( r 2 1 i r d o ) ( 1 - 1 ) 则 r p t = = = 詈r ：等= k r ：等( k = 詈为电流互感器t a 的电流比) ( 1 - 2 ) r v l c 2 就是被测到的接地电阻值，可以在刻度盘上读出。d l d 2 与b g i 组成相 敏整流放大器。用它的目的是消除地下杂波电流的干挠。并将输入信号给予放大， 提高检流计灵敏度。r & r g , r , o ，r 1 1r 1 2 ，r 1 3 是为量程而设的分流电阻。 上述仪器由于手摇发电机的关系，测量精度也不是很高，特别是对d l t 6 2 1 1 9 9 7 要求的0 5q 以下地阻的测量。这种测量方法还有其他缺点： i 测量都要打辅助地极，需要在现场布置几十米以上的电极引线，增加了 作业的劳动强度。 2 由于整个测量过程从打辅助地极到测量都是人工操作，因此测量结果受人 为因素影响很大，如测量时手柄摇动速度过慢、频率不均匀等都会对测量结果产 生很大影响。 3 测量时需将接地体与设备断开，以避免设备自身接地体影响测量的准确性， 从而不能实现在线测量。 1 2 4 数字式接地电阻测试仪 近年来由于计算机技术的飞速发展，因此接地电阻测试仪也渗透了大量的单 片机处理技术，其测量功能、内容与精度是传统仪器所不能相比，例如仿“摇表” 式数字地阻仪，它与传统接地摇表的主要区别是将电流电压与接地电阻的采集处 理数字化，其电源由电池提供，无需手摇；仿“摇表”式数字地阻仪投入使用给 接地电阻测试带来了生机，虽然测试时的接线方式同z c 系列没什么两样，但是 其稳定性和精度远比摇表指针式高得多。 而真正按地电阻测试仪的一个突破性创举是在九十年代钳口式地阻仪的诞 生，他打破了传统式接地电阻测试方法。如法国c a 公司生产的6 4 1 1 单钳式接 地电阻测试仪称得上接地电阻测试的一大革命，c a 6 4 1 1 钳式接地电阻测试仪外 形酷似钳形电流表，其最大特点测量时不需辅助地极，无须切断设备电源或断开 地线就可以对使用中的设备的地阻进行在线测量，只需往被测地线上一夹，几秒 后即可获得测量结果，极大地方便了接地电阻测量工作。但是，这种测量方法具有 如下缺点： 上海大学硕士学位论文 1 由于仪器向接地回路注入的低频交流电压只有单一的测试频率，当其频率 与电气设备地网泄漏电流频率接近时，测量精度很低，严重时甚至无法进行测量。 2 由于电压注入线圈与电流测量线圈组合在同一钳口内，故线圈与线圈之间 的互感效应对测量精度有较大影响。 3 测量0 7o 以下地阻的误差较大，不能满足d l f f 6 2 1 - - 1 9 9 7 规定的0 , 5o 以 下地阻的测量要求 4 钳口内径小( 一般为2 5 m m 的圆口) ，对引线宽度大于2 5 m m 的地网无法测 量。目前的进口产品例如奥地利的g e o x 、意大利的h t 2 3 4 等接地电阻测量仪 虽然能解决上述问题，但其价格昂贵，限制了它们的使用和推广。 为此，我们研发了双钳口接地电阻在线测量仪，通过运用单片机控制技术和变 频测量技术，设计新的传感器探头，可以克服上述缺点，实现接地电阻的准确在 线澳4 量。为了提高测量仪的抗干扰能力，电压线圈产生的低频交流电压的频率是 可变的，频率可以在9 4 h z ，1 0 5 h z ，1 1 1 i l z 1 2 8 h z 等4 种频率中自动选择。测量前， 仪器先对接地网中干扰电流频率进行测量，根据干扰电流的频率，自动选择低频交 流电压的频率，从而避开了干扰电流的频率，大大增强了该仪器的抗干扰能力。运 用双钳e l 法，无需打桩放线即可进行在线直接测量。可自动检测各整个接地回路 接口连接状况及地网的干扰电压、干扰频率。 1 2 5 主要研究内容和关键技术 本课题的目的是实现接地系统接地电阻的智能在线测量，为此需要有非接 触的电压和电流传感器来传输和感应电信号，还需要有一个激励信号源；此外， 由于电流钳口感应到的电流信号十分微弱，在微安级，因此初级的微电流放大对 后续的信号处理十分重要；而如何去除来自系统外部及本身的各种干扰，特别是 近频干扰和同频干扰，从强干扰背景中提取出有用信号，是系统测试精度高低的 关键。 本仪器的关键技术和主要创新点是将传统的模拟电子技术，传感器技术与数 字信号滤波处理技术有机的结合在一起来实现接地电阻的测量。 本仪器主要设计内容包括： + 高精度，能抗强干挠的钳型传感器的设计， 对微弱电流信号的前置放大电路设计 上海大学硕士学位论文 + 可变频的正弦信号激励源的设计 + 硬件滤波及数字滤波处理，近频及同频干扰下有效信号的提取 1 3 应用前景分析 双钳口式接地电阻测试仪具有测试精度高，操作简便的特点，能够在不停电 的情况下检测接地回路的电阻，具有较大的实用价值。除了应用于电力系统接地 电阻的测试外，随着移动通信和建筑业等行业的快速发展，也可广泛应用于电信 系统、建筑大楼、机场、铁路、油槽、避雷装置、高压铁塔等接地系统接地电阻 的日常检测中。 上海大学硕士学位论文 第二章仪器设计总体构思及系统干扰分析处理 2 1 钳型接地电阻测试仪设计总体构思 2 1 。1 钳型接地电阻测试仪测基本测试原理 双钳口式接地电阻测试仪的测量原理图如图2 - 1 所示 钳翌揍地电阻测试仪 图2 1 钳型接地电阻测试仪的测量原理图 图中n g 为绕在仪器电压钳口内的电压信号发生器线圈匝数，n r 为电流钳口 内电流信号感应线圈匝数，两线圈之问具有良好的电磁屏蔽。测量时钳口闭合， 电压信号发生器线圈n g 在被测接地回路内发生一个已知的恒定交流电压e ： e ：三 ( 2 1 ) n g 、7 式中，e 为发电压信号发生器线圈产生的内部原始电压。为提高抗干扰能力，交 流电压的频率不同于工频。恒定交流电压e 在接地回路中产生一个电流i ： i：e(2-2) r x 通过电磁感应，电流i 被置于仪器钳口内的电流信号感应线圈打转换为 i 12 nr(2-3) 电流i 经电流电压转换及放大滤波，通过a d c 采样计算得到电流值， 上海大学硕士学位论文 计算下式既可以得到回路电阻： r = t e = _ n _ g n r l _ 1e - i = k 旦 ( k 为比例系数) (2-4)i i n g n ri ” 2 1 2 仪器硬件原理框图 为了实现上述的接地电阻测量方法，双钳口式接地电阻测试仪硬件的原理框 图如2 2 所示： 卜 - l l c d 苴 j显示 卜 片 机 一 按键 系 |输入 统 j j t a g _ i通信接口 图2 - 2 测量仪硬件原理框图 测试仪主要由单片机构成的信号发生器和数据采集处理系统，程控有源滤 波器，前置放大电路等组成，具有按键控制，液晶显示及j t a g 通信接口。 2 1 3 仪器软件程序框图 根据钳口式接地电阻测试仪的基本测试原理和硬件框图，作为测试仪器核心的 c 8 0 5 1 f 0 0 5 单片机主要完成以下软件功能： 系统开机后的端口初始化设置，系统时钟设置； + 液晶显示程序； 干扰频率测量： 正弦波激励电压信号的合成及d a c 输出； 电压电流信号的采样； 电压电流采样信号的离散傅立叶检波和同频干扰的去除； 接地电阻的计算。 根据上述软件功能整个系统软件总流程框图如图2 3 所示： 上海大学硕士学位论文 图2 3 系统软件总体流程框图 2 2 系统干扰信号分析与处理方法 图2 4现场干扰示意图 上海大学硕士学位论文 如图2 - 4 ，接地电阻测试仪一般在发电站和变电站中使用，在现场实际测量 中会遇到各种各样的干扰，电流传感器钳口采样到的信号除了有用的电流信号 之外，也含有其他一些干扰成分。主要包括外部环境中的电场和磁场干扰及接地 回路中的干扰，按照干扰的传播途径可分为传导干扰和辐射干扰，对从电流传感 器钳口采样到的信号中的干扰信号成分具体分析如下： 1 按照传播的途径分为： 1 发电站变电站空间传播的电磁场干扰： 2 由于电压发射钳口和电流接收钳口线圈之间的相互耦合作用，电压钳口内 的发射信号电压也会被电流钳口直接感应到； 3 由于是在线测量，测试时接地系统处于工作状态，接地回路中本身也存在 着一定的干扰信号，随有用电流信号一起被电流传感器感应出来。 2 按照信号的频段范围分为： l 离系统工作频率较远的干扰信号，一种是高频电磁干扰信号，其频率远 远高于系统信号频率；一种是低频干扰信号，其频率远低于系统工作频率。 2 与系统信号频率比较接近的干扰信号，称为近频干扰 3 电压信号发射钳口发射出的信号除了耦合到接地回路，还会会通过空间直 接耦合到电流传感器钳口，与从接地回路中感应到的有用信号混合在一 起，并且与有用电流成分的频率相同，称为同频干扰。电压干扰信号是 由电压钳口直接耦合到电流钳口，它与激励电压信号是同相的；而电流采 样信号是滞后激励电压信号9 0 0 的相位角，这样实际采样到的信号是两个 正交同频信号台成值。 根据以上分析，上述的各种干扰成分对于系统的测量精度会产生较大的影 响，当接地电阻值较大时，干扰信号强度甚至会远大于有用信号，因此有必要采 取相对应的措施减小或去除不需要的干扰信号，从采集到的混合信号中提取出有 用的信号供后续信号处理，提高系统的测量精度。 由于采用变频测量方法，使系统的工作信号频率避开了干扰信号频率，所以 主要是针对与信号频率相接近的近频干扰及从电压钳口发射的同频干扰进行滤 波处理。通过采用三重屏蔽、带通滤波、离散傅立叶变换( d f t ) 选频检波、检 相方法分别去除干扰。其去干扰的流程示意如图2 - 5 ： 上海大学硕士学位论文 信 提取系统 频率信号 同频信号 正交分解 图2 5系统干扰信号处理过程示意图 2 2 1 三重屏蔽的钳型传感器的设计，减小空间电磁干扰 由于要实现接地电阻的的在线测量，只有提取到有效的信号才能进行后续的 处理，因此信号提取支持硬件是测量系统正常工作的前提，根据系统的工作原理， 整个仪器需要有两个钳口式传感器，以保证前后级的隔离，使被测信号不受测量 系统的影响。一个是钳口式电压传感器，负责把正弦信号电压发送到接地回路 中：另一个为钳口式电流传感器，负责把接地回路中的电流按一定的比例接收， 供后续电路处理。锚口的灵敏度关系到测量的准确度。由于接地电阻测试仪一般 在发电站和变电站中使用，外部空间环境中存在较强的电场以及磁场干扰，通过 空间传输到传感器的线圈当中，引起波形失真，更重要的是电压发射钳的线圈同 电流接收钳的线圈之间的电磁耦合作用，使得电流钳口中接收到一个与有用信号 相同频率的干扰信号，在接地电阻较大时，干扰信号甚至大于有用信号，严重影 响系统的测量精度。由于采样信号是从电流钳口感应进来，而系统希望采样到的 只是接地回路中的信号，所以要采取措施从源头上减少或完全去除从外部环境空 间和电压发射钳口耦合到电流传感嚣的于扰信号，而在钳型传感器铁心外侧加入 屏蔽层，切断空间电磁干扰的传播途径是一种有效的方法，可以去除大部分外部 空间的电磁干扰及同频信号的干扰。现在市场上已有钳型传感器大多不用屏蔽层 或只有层屏蔽，所以在实际测量时( 特别是微弱电流时) 极易受到外界电磁场的 干挠，特别是当两个探头靠的较近时，电流钳口会感应到电压探头的信号，使得 感应到的波形产生严重失真。为此设计了一个钳型传感器，采用了特有的三重屏 蔽方法，通过三重屏蔽层，能有效隔离或减弱外部环境中的电磁干扰及电压钳口 中的同频干扰。 1 三重屏蔽的设计 ( 1 ) 电磁屏蔽原理 上海大学硕士学位论文 屏蔽技术是利用金属材料对电磁波具有良好的吸收和反射能力进行抗干扰 的，根据电磁干扰的特点选择良好的低电阻导电材料或导磁材料，构成合适的屏 蔽体就可以减小电磁干扰。屏蔽体所起的作用好比是在一个等效电阻( 仪表) 两 端并联上一根短路线，当干扰信号窜入时直接通过短路线，对等效电阻( 仪表) 几乎无影响。 电场屏蔽 对电场的屏蔽采用导电率高的材料，如图2 - 6 所示，其原理是使用按地的金 属体包裹或隔离信号传输线，在屏蔽体接地后，干扰电流经屏蔽罩外层短路入地， 为了达到较好的电场屏蔽效果，需要选用低电阻的金属材料( 导电性好) ，并且 金属体必须要有良好的接地。 图2 6 电场屏蔽原理 磁场屏蔽 对磁场的屏蔽采用高导磁率的材料做成磁屏蔽罩，在磁场频率比较低时( 1 0 0 k h z 以下) ，通常采用铁磁性材料如铁、硅钢片、坡莫合金等进行磁场屏蔽。由 于铁磁性物质的磁导率很大，其磁阻远小于被干扰电路与屏蔽罩之间的空气隙之 间的磁阻，所以干扰磁场的磁力线大部分通过屏蔽罩而不通过空气隙进入被干扰 电路，从而减小了外部杂散磁场的影响。屏蔽体壳壁的相对磁导率越大或壳壁越 厚，进入到屏蔽体内的磁场越弱。磁场屏蔽原理图见图2 - 7 ： 图2 7磁场屏蔽原理图 上海大学硕士学位论文 电磁屏蔽 电磁屏蔽主要是抑制高频电磁场的干扰，高频磁场屏蔽材料采用导电性良好 的低电阻金属材料。当高频磁场穿过金属板时在金属板上产生感应电动势，由于 金属板的电导率很高，所以产生很大的涡流，涡流又产生反磁场，与穿过金属板 的原磁场相互抵消，同时又增加了金属板周围的原磁场。其总的效果是也是是使 干扰磁场的磁力线在金属板四周绕行而过。根据电磁屏蔽的原理，其屏蔽罩不一 定要接地，但是为了使其兼顾有电屏蔽的作用，一般将电磁屏蔽层接地。 ( 2 ) 三重屏蔽的实现 三重屏蔽原理 在发电站及变电站中，存在很强的磁场干扰，这样存在一对矛盾，即为了获 得较高的屏蔽性能，需要使用导磁率较高的材料，但高导磁率的材料在强磁场下 容易饱和。如果用比较不容易饱和的材料，导磁率较低，屏蔽性能又达不到要求。 为了实现强磁场的屏蔽，采用两层磁屏蔽体的结构来减弱磁场干扰：第一层磁屏 蔽屏蔽体采用不易磁饱和的材料，导磁率相对较低一些，先将干扰磁场强度衰减 到较低的程度；而第二层磁屏蔽屏蔽体则选用容易达到饱和的高导磁材料。在两 层磁屏蔽层之间加入一高导电率屏蔽层，以实现对电场的屏蔽。三重屏蔽原理图 如图2 8 ： 高饱和雀通 低导磁牢层 斗图 = 圈 瑚三圉 + j ， 高导电率层 爨l 鬻 蒸 h l | 霆 蘩 篓 图2 - 8三重屏蔽原理 低饱和磁通 商肆磁率屡 图 翻 r i 4 - 需要注意的是，各屏蔽层之间不能直接连接在一起，需要分别接不同的地， 各层间应该隔开空气或者填充其他绝缘介质，否则就失去多层屏蔽的作用，实际 中选用绝缘良好的硅胶填充在各个屏蔽层之间。 上海大学硕士学位论文 三重屏蔽材料的选择及加工工艺 表2 1 是一些不同金属材料的相对电导率和相对导磁率典型数值。根据前 面介绍电磁屏蔽原理，在高频电磁场中，主要是吸收损耗起作用，屏蔽材料电阻越 小( 变成欧姆热而耗散) ，则产生的涡流电流越大，反磁场也越大，屏蔽效果越好； 同时，良导体又对低频电场的反射损耗较大。所以，高频电磁场及低频电场的屏 蔽应选用高电导率、低磁导率的良导体，由表可知银的相对电导率最高为1 0 5 ， 退火铜次之为1 0 0 ，但是银的价格较高，所以选用价格低廉的退火铜作为电磁屏 蔽层；同样，选择相对磁导率为5 0 0 0 的退火纯铁为第一重磁屏蔽层，选择相对磁 导率为2 0 0 0 0 的坡莫合金作为第二重磁屏蔽层。 材料名称 相对电导率or相对磁导率ur 银1 0 51 退火铜 1 o o l 金 0 71 铬 0 6 6 4l 软铝 0 6 11 硬铝0 41 锌o 3 21 铍0 2 81 黄铜 o 2 6 1 镉 0 2 3l 镍 0 2 01 0 0 青铜 o 。1 81 铂 0 1 8l 锡 0 1 51 硅钢0 0345 0 0 纯铁( 退火) 0 1 75 0 0 0 坡莫合金 0 032 0 0 0 0 蒙乃尔铜一镍合金 0 0 4 1 考涅尔铁镍铬台金 o 0 32 5o o o 阿姆科铁( u 合金) 0 0 32 50 0 0 不锈钢( 4 3 0 ) 0 0 25 0 0 表2 1 不同金属材料的相对电导率和相对导磁率典型值 由于对高导磁率材料进行机械加工，如焊接、折弯、打孔、剪切、敲打等， 都会降低高导磁率材料的磁导率，此外工件受到机械冲击也会降低磁导率，从而 上海大学硕士学位论文 影响屏蔽体的屏蔽效能。因此在加工以后进行适当的热处理。加工后的屏蔽罩处 理采用高纯氢气退火工艺或高真空退火工艺，这样能够达到良好的导磁性能。 屏蔽罩的拼装，事先将各块板材加工，然后进行热处理，然后进行焊接安装。 每块板材的结合处要重叠起来，以便形成连续的磁通路。这样构成的屏蔽室对电 磁场有较好的屏蔽效能。 ( 3 ) 铁芯材料选择 传统的钳型表钳口铁芯多使用硅钢片材料，但是硅钢片的密度较大，抗饱和 性能差，其有效磁导率值低，特别是在高频范围内，这样制成的钳表比较重，测 量精度也受到一定的影响。目前市场上常见的铁芯材料还有铁基纳米晶铁芯与坡 莫合金铁，铁基纳米晶铁芯与坡莫合金铁芯以及硅钢片铁芯磁性能对比见表2 2 ， 由表可知采用铁基纳米晶铁芯应该是最理想的，但是由于该铁心材料是粉末状 的，抗外界机械冲击能力较弱，关键的是不易加工成开口形式，需要开模其，综 合比较下，采用了坡莫合金来做传感器铁芯，坡莫合金具有高初始磁导率、低矫 顽力和低损耗( 约为磁钢的1 5 1 1 0 ) 、磁性能稳定的特性，坡莫合金与其它 一些铁芯材料的磁化曲线如图2 - 9 。铁芯热处理工艺采用高真空退火式超纯氨气 退火工艺，做出来的铁芯具有极高导磁率、低漏磁、能高保真传输信号，体积小， 重量轻，对绕线应力抗力强、磁性稳定，工作磁感高于磁钢( 4 0 0 h z 时为磁钢的 一倍) ，从而测量精度大大提高。 基本磁性参数纳米晶铁芯坡莫台金铁芯硅钢片铁芯 饱和磁感应强度 1 2 5o 7 62 0 3 初始磁导率 ( g s o e ) 4 0 ，0 0 0 - - 8 0 ，0 0 05 0 ，0 0 0 - - 8 0 ，0 0 0 l - 0 0 0 最大导磁率 2 0 0 ，0 0 0 2 0 0 ，0 0 04 0 ，0 0 0 ( g s o e ) 密度( c 岔) 7 28 7 57 6 5 居里温度【) 5 7 04 0 07 4 0 带材厚度( m m ) 0 0 2 5 0 。0 3 5o 1 5o 3 叠片系数 o 7 0 0 9o 9 5 表2 - 2 铁基纳米晶铁芯与坡莫合金铁芯以及硅钢片铁芯磁性能对比 上海大学硕士学位论文 i 取向性硅钢片；2 纯铁；3 4 5 n ：坡莫合金；4 5 0 取向性坡莫合金；5 超级坡莫合金 图2 - 9 坡莫合金与其它材料的磁化曲线 ( 4 ) 钳口外形设计 现有的电站接地线多采用扁1 ：3 接地线，传统的圆型钳口不方便在比较宽的 扁形接地导线上测量，所以钳口也相应设计为扁口形，能同时适用圆形和扁形导 线的测量。钳口外形如图2 1 0 ： 图2 1 0 钳口外形图 ( 5 ) 线圈匝数选择 在电压钳口原边加入1 0 0 m v 1 0 5 h z 正弦交流信号，得到不同线圈匝数下的 电压传输比( 表2 3 ) ，对比后选择电压钳口线圈匝数为5 0 0 。 l 线圈匝数 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 07 0 0 8 0 09 0 01 0 0 0 l 传输比 5 1 3 4 5 8 0 9 3 | 9 3 1 | 9 3 3 p 3 8 9 4 9 4 2 表2 - 3 电压传输比 上海大学硕士学位论文 在模拟按地回路中加入1 0 0 m a 1 0 5 h z 正弦交流信号，得到不同线圈匝数下 的电流传输比( 表2 _ 4 ) ，对比后选择电流钳口线圈匝数为8 0 0 。 表2 - 4 电流传输比 ( 6 ) 传感器设计总结 本新型钳型传感器与传统钳型传感器对比总结如表2 - 5 ，由于新型传感器采 用了高导磁率的坡莫合金铁芯及特有的三重屏蔽方法，在外界强干扰下也能精确 的感应到微弱电信号，并且能有效去除两个探头间的相互干扰。 钳型传感器对照表 传统钳型传感器新型钳型传感器 1采用硅钢片作铁芯，导磁率低 用坡莫合金作铁芯，导磁率高 结 采用三层不同金属屏蔽层，并 构2没有屏蔽层或只有一层屏蔽 对 分开接地 比 不是椭圆形内孔，狈4 量扁口形采用椭圆形内孔，可以同肘测 3 导线气隙较大，影响测量精度量圆形扁口形导线 抗外界干挠能力差，测试结果抗外界电磁干挠能力强，可达 l 不准确到6 0 d b 测 能准确跟踪信号波形变化，真 试 2 测试小电流时波形失真 性 实反映原边信号 能 对 比 灵敏度高，比现有的传感器高 灵敏度低，只能测1 0 a 以上电 数个数量级，可以测量到m a 级 流信号( 同样大的钳口口径： 3 的电流 表2 5 钳型传感器特性对比表 2 2 2 使用带通滤波器，限制采样信号带宽 上海大学硕士学位论文 通过电流钳口从接地回路中感应到的信号，包含有各种频率的干扰成分：从 上i v - i z 的高频干扰到只有几h z 的低频干扰或直流干扰成分。这样整个采样信 号频率带宽较宽，根据奈奎斯特采样定律，为了避免时间信号在频域上的混叠， 系统的采样频率f s 必须大于或等于信号最高频率矗的2 倍，此外如果信号中含 有高频分量，则系统的采样频率必然需要提高，对单片机的工作速度要求也相应 提高。如果要降低系统采样频率，应该去除信号中的高频分量。在单片机对连续 时间信号进行数字采样之前，需要使用带通滤波