（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的冲击接地电阻测量仪研究.pdf

摘要 用d s p 本身固带的a d c 模数转换模块进行采样与信号转换，大大减少了测量仪器 的制造成本，满足市场的需求； ( 4 ) 在第四章测量仪的系统软件设计中，设计全汉化的液晶显示菜单程序和键 盘响应程序等，使得系统具有良好的人机对话功能，使用起来更加方便和便捷； ( 5 ) 在第六章实验测量中，进行了实验室测量和现场测量，得到了数据结果和 波形，并对系统进行了分析提出了未来的发展方向； 经过多次现场测量实验证明，该系统操作方便、运算速度快和结果准确有效， 有较好的工程应用价值。 关键词：杆塔；冲击接地电阻；测量仪；卷积计算；d s p a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m ，t h et r o u b l e t h a t1 i g h t n i n gs t r i k e st h ee l e c t r i ct r a n s m i s s i o nl i n ei n c r e a s e s i n c r e a s i n g l y a c c o r d i n gt oe l e c t r i c i t yn e tf a i l u r ec l a s s i f i c a t i o n ， w ec a n k n o w t h a ti nh i g h e rr a t eo ft h ec i r c u i tt ot r i pr e g i o ni no u rc o u n t r y ， t h eb r e a k d o w nn u m b e rb e c a u s eo ft h u n d e rs t r i k i n gh a s4 0 o ft h et o t a la m o u n t o rs o ，w h i l ei nt h ec o m p l i c a t e dg e o g r a p h yc o n d i t i o np l a c ew i t hm a n y t h u n d e r ， i nw h i c ht h es o i le l e c t r i cr e s i s t a n c er a t ei sh i g h e r ， s ot h e b r e a k d o w nn u m b e rc a na m o u n tt o7 0 t h u si tw i l lb r i n gf o rh u g ee c o n o m y l o s s r e d u c i n gt h ev a l u eo ft o w e ri m p u l s eg r o u n d i n gr e s i s t a n c ei sak i n d o ft h ev a l i dm e t h o dt h a tc a nr a i s et h es a f ec i r c u l a t i o no ft h ee l e c t r i c t r a n s m i s s i o nl i n e ，s ot h a tt h ea c c u r a t ea n dd e p e n d a b l em e a s u r e m e n tt ot h e t o w e ri m p u l s eg r o u n d i n gr e s i s t a n c ei st h ek e yf o rt h es a f ec i r c u l a t i o no f t h ee l e c t r i ct r a n s m i s s i o n1 i n e d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lm e a s u r e m e n tf o rt h et o w e ri m p u l s eg r o u n d i n g r e s i s t a n c em a i n l yh a st h r e ek i n d so fm e t h o d t h ef i r s tm e t h o di sn u m e r i c a l c a l c u l a t i o n t h es e c o n dm e t h o di st h em e a s u r i n ga ts p o t t h el a s tm e t h o d i st h a tt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o ni sc o m b i n e dw i t ht h em e a s u r i n ga ts p o t n u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d ：t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o dn o t o n l ye s t a b l i s h e sm a t h e m a t i c sp h y s i c sm o d e lv e r yd i f f i c u l t y ， b u ta l s od o e s n o tc o n s i d e rt h ed i f f e r e n ts p o te n v i r o n m e n t ， s u c ha sd i f f e r e n ts o i l e l e c t r i cr e s i s t a n c er a t ea n dd i f f e r e n tg e o g r a p h yc o n d i t i o n a n dt h em e t h o d h a sn ou n i v e r s i t ya n dt h ec a l c u l a t i o nr e s u l tc a n tb eg o tt h ev e r i f i c a t i o n m e a s u r i n ga ts p o tm e t h o d ： a l t h o u g ht h em e a s u r i n ga ts p o tm e t h o di s a c c u r a t e ；t h em e a s u r i n ge q u i p m e n t sa r ev e r yb u l k ya n dn o ts u i t a b l ef o r t h ep o l et o w e rc o n d i t i o ni no p e nc o u n t r y ，p a r t i c u l a r l yi nt h ec o m p l i c a t e d g e o g r a p h yr e g i o n s s o m et i m e s ，t oc a r r yt h eb u l k ye q u i p m e n t st ot h es p o t i sa l m o s ti m p o s s i b l y t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h em e t h o dt h a tt h en u m b e rc a l c u l a t i o nm e t h o d 1 1 1 a b s t r a c t i sc o m b i n e d w i t ht h em e a s u r i n ga ts p o tm e t h o d t h i sk i n do fm e t h o dc o m b i n e s t h es p o tm e a s u r i n gm e t h o dw i t ht h en u m b e rc a l c u l a t i o nm e t h o d ， a v e r t i n g f r o mt h ep r o b l e mo fb u l k ye q u i p m e n t st h a ti m i t a t et h et h u n d e ra n dl i g h t n i n g a tt h es p o t t h i sm e t h o dw i t hc o n v o l u t i o nc o m p u t a t i o na v e r t sf r o m e s t a b l i s h i n gt h ed i f f i c u l t ya n dc o m p l i c a t e dt h ep o l et o w e rm a t h e m a t i c s m o d e l ， c o m p u t i n gt r i v i a le q u a t i o n t h em e t h o dc a nb es u i t a b l ef o rt h e d i f f e r e n ts p o te n v i r o n m e n ta tt h es a m et i m e ， s u c ha sd i f f e r e n ts o i l e l e c t r i cr e s i s t a n c er a t e ，t h ed i f f e r e n tg e o g r a p h yc o n d i t i o n s i n c et h e r e s u l ti so u to fi m i t a t i n gm e a s u r e ， i tc a nb eg o tt h ev a l i dv e r i f i c a t i o n t h ek e yp r o b l e mt ob es o l v e di nt h i sp a p e ri sa s f o l l o w i n g ： ( 1 ) c h a p t e r5 ( m a t a l bi m i t a t i o n ) m a k e su s eo ft h em a t l a bs o f t w a r et o i m i t a t e ，a n dc o n f i r m st h ec o n v o l u t i o nc o m p u t a t i o np r i n c i p l ei su s e f u l t h e o r e tic a l l y ( 2 ) c h a p t e r3 ( t h es t r u c t u r ea n dt h eh a r d w a r ed e s i g n so ft h ei n s t r u m e n t ) p r e s e n t st h ee l e c t r i cc u r r e n to c c u r r e n c em a c h i n e ( t h ek e yp a r t si nt h e i n s t r u m e n t ) ，w h i c hc a ne n l a r g et h ee m u l a t i o ns h o o t i n ge l e c t r i cc u r r e n t ， a n da l lt h en e wd e s i g n ，t h u sr a i s i n gt h ea c c u r a c yo fm e a s u r et h er e s u l t ( 3 ) c h a p t e r3 ( t h es t r u c t u r ea n dt h eh a r d w a r ed e s i g n so ft h ei n s t r u m e n t ) s e l e c t st m s 3 2 0 f 2 8 1 2p r o c e s s i n gc h i pa n dm a k e su s eo ft h ed s ps o li dt h ea d c m o l dt h a tt a k e ss e v e r a lt h ec o n v e r s i o nm o l dp i e c e s t a k i n g s a m p l ea n d c o n v e r s i n gs i g n a l s ow ec a nc u td o w nt h em a n u f a c t u r i n gc o s ta n ds a t i s f y t h en e e do ft h em a r k e t ( 4 ) i nc h a p t e r4 ( t h es y s t e ms o f t w a r ed e s i g no ft h ei n s t r u m e n t ) ，w e d e s i g nt h ew h o l ec h i n e s el c d m a n i f e s t a t i o nm e n up r o g r a ma n dt h ek e y b o a r d r e s p o n d st ot h ep r o c e d u r e ，m a k i n gt h es y s t e mh a v et h eg o o dp e r s o n m a c h i n e d i a l o g u ef u n c t i o na n dm o r ec o n v e n i e n ti nu s e ( 5 ) i nc h a p t e r6 ( e x p e r i m e n ta n dm e a s u r e m e n t ) ，w eh a v ec a r r i e do n i m i t a t i n gt e s ta tt h es p o tf o rm a n yt i m e s ， g o td a t ar e s u l t sa n dd a t aw a v e s ， a n dc a r r i e do nt h es y s t e ma n a l y s i st op u tf o r w a r dt h ef u t u r ed e v e l o p m e n t i v a b s t r a c t d i r e c t i o n t h i se q u i p m e n th a sb e e nm e a s u r e du s i n go nt h es c e n ef o rm a n yt i m e s ， w h i c hc e r t i f i c a t e st h a tt h es y s t e mo p e r a t i n gi so fc o n v e n i e n c e ， o p e r a t i o n s p e e di sq u i c k l ， a n dt h er e s u l ti sa c c u r a t ea n dv a l i d ，h a y i n gg o o d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：p o l et o w e r ；i m p u l s eg r o u n d i n gr e s i s t a n c e ；m e a s u r e m e n t e q u i p m e n t ；c o n v o l u t i o nc o m p u t a t i o n ；d s p v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得直昌太堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的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谢意。 学位论文作者签孝：溯诵签字日期沙c 年月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权直昌太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进 行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者躲讹鼍讳 签字日期：7 纠- l 年月- r 日 嚣差，黼弓勾叛露降工作单位：音、飞览锱蛩邳反彳p 址善、位设t 丫警面c 衫 导师签夤7 吻 替日w b 7 日 电话：。7 73 弘j “ 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 本课题的研究意义 随着工农业的发展，社会对输电线路供电安全性与可靠性要求越来越高。线 路停电故障不仅影响设备的正常工作，而且将极大地影响人们的正常生活，造成 巨大的经济损失甚至威胁生命安全。然而，随着电力系统的发展，由雷击输电线 路引起的事故也日益增多。根据电网故障分类统计表明，在我国跳闸率比较高的 地区，由雷击引起的故障次数占总数的4 0 左右，尤其在多雷、土壤电阻率高和地 形复杂的地区，雷击输电线路而引起的事故率可达7 0 ，这己给社会带来巨大的经 济损失。例如：天平5 0 0 k v i 、i i 回输电线路和信阳1 l o k v 信李线，在1 9 9 2 和1 9 9 3 年 多次发生雷击跳闸事故。1 l o k v 宝平线，在1 9 9 5 年前每年都要发生雷击跳闸事故， 有的一年发生多次。根据统计，在日本5 0 以上的电力系统事故是由于雷击输电线 路引起的。国际大电网会议公布的美国和前苏联等1 2 个国家连续3 年运行资料中指 出，在电压等级为2 7 5 - 5 0 0 k v 输电线路中( 总长为3 2 7 万k m ) ，雷害事故占总事故的 6 0 。因此目前为了减少输电线路中出现的雷击故障，各个国家都在积极进行线路 防雷的研究。因此提高输电线路的耐雷能力，降低线路雷击跳闸率对于电力系统 的安全运行有着非常重要的意义。当雷击杆塔顶端时，雷电流经过杆塔冲击接地 电阻散入大地，导致了杆塔顶端出现雷电过电压。当雷电过电压超过绝缘子串所 能耐受的数值时，绝缘子串将发生闪络现象，这种现象称为“反击”当雷直击杆 塔引起绝缘子串闪络时，雷电流将沿着绝缘子串表面的闪络通道流入导线，并沿 着导线向相邻杆塔传播。由于雷电电流持续时间只有几十微秒，在这个时间内线 路开关来不及动作，当沿闪络通道流过工频电流所形成电弧持续燃烧时j 线路就 会跳闸停电造成事故。因此对于雷击跳闸的事故，输电线路杆塔冲击接地电阻过 大是其重要原因，降低输电线路杆塔冲击接地电阻，是提高输电线路的耐雷能力， 降低线路雷击跳闸率的一种非常有效途径，所以迫切需要研制一种简便和有效的 测量仪器对杆塔的接地电阻进行测量。 1 2 本课题研究的国内外现状 通过查阅国内外相关文献和技术资料，经归纳综述，目前对于杆塔冲击接地 电阻的计算测量方法主要有三大类方法如下： 第1 章绪论 1 2 1 数值计算的方法 1 2 1 1 在理论分析的基础上，对杆塔接地体，按非均匀分布的有损长线来处理， 建立非均匀分布的等值回路数学模型，其基本方程为： 害刈州，) l 。鲁 式( 1 _ 1 ) 式中，为接地体的轴向电流，接地体的对地电导g 是一个与x ，f 等多种因素有 关的变量，解这个偏微分方程在数学上将遇到极大的困难，且找不到g ( x ，f ，) 这样一个曲线函数因此将此式转化为差分方程进行求解，从而计算求出深长接地 体的冲击接地电阻。这种方法的缺点是建立统一的数学物理模型非常困难，而且 求解十分复杂繁琐，没有考虑现场不同的环境，如不同的土壤电阻率和不同的地形 等等因数，不具有一般性，且计算结果无法得到验证。 1 2 1 2 利用测量得到的杆塔工频接地电阻乘以冲击系数，进行估算求出杆塔冲 击接地电阻。这也是目前在工程上最常用的一种。但在事实上，工频接地电阻与 冲击接地电阻在定义上就不一样，用工频接地电阻来代替冲击接地电阻显然是不 科学的。 1 2 2 现场测量的方法 对杆塔接地体进行现场模拟试验测量。在现场将很高幅值的雷电流注入杆塔 接地体，即时测量出杆塔在雷电流作用下呈现的冲击接地电阻。这种方法测量虽 然准确，但是测量设备极其笨重，不适合野外杆塔测量，尤其是地形复杂的地区， 进行现场模拟测量几乎不可能，所以现场测量的普遍性差。 1 2 3 数值计算与现场测量相结合的方法 考虑到对杆塔冲击接地电阻的测量是重在其结果的有效性和实用性，因此在 现场用波头较缓和幅值较低的模拟入射电流，注入杆塔接地体，再通过卷积变换 的数值计算方法，计算出接地体在波头较陡和幅值较大的标准雷电流波形作用下 的电压响应，从而进一步求出杆塔冲击接地电阻。这种方法结合了现场模拟测量 的方法和数值计算的方法，避开了现场模拟雷电流测量设备笨重的问题，卷积的 数值计算方法又避开了对杆塔建立数学模型困难和计算烦琐的差分方程，同时还 兼顾了现场不同的环境，如不同的土壤电阻率和不同的地形等等因数，具有很强 的现场实用性和通用性，且因为结果是模拟测量的，因此可以得到有效验证。 第l 章绪论 1 3 本课题研究的主要内容 在数值计算与现场测量相结合的方法基础上，并对接地电阻测量器进行了深 入的分析和总结，研制出一台新式的杆塔冲击接地电阻测量仪器。主要完成的工 作如下： ( 1 ) 基于高压大电流的全控型的电力电子器件i g b t 以及高隔离电压电源模块 和高耐压等级的电容，设计出全新的冲击电流发生器，提高了现场入射电流，使 得测量结果更加准确。 ( 2 ) 在对信号采样速度以及对其结果有效性分析的基础上，选取t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 处理芯片，并利用d s p 本身固带的a d c 模数转换模块进行采样与信号转换，大大 减少了测量仪器的制造成本。 ( 3 ) 运用m a t o a b 仿真软件，对卷积计算的测量原理进行了大量的仿真，验证 了对于具有双指数波：f ( t ) = a 【e x p ( - t t ，) - e x p ( - t 正) 】( a 为信号的幅值，i 为 理论波尾时间，兀为理论波头时间) 特性的信号，进行卷积计算的正确性。 ( 4 ) 设计了全汉化液晶显示菜单和键盘响应程序，使得系统具有以下功能：控 制功能、测量功能、显示功能和人机对话功能。 ( 5 ) 进行了模拟试验和现场测量，并给出了数据结果和波形，对系统进行了分 析，并提出了未来的发展方向。 第2 章仪器的测量原理及d s p 系统设计 第2 章仪器的测量原理及d s p 系统设计 2 1 杆塔冲击接地电阻的定义 当雷击线路杆塔时( 考虑线路有避雷线) ，线路绝缘子上的电压幅值为： u j ：一u d = ( ，( r c h + i 么6 ) + 口) ( 1 一七) 式中，r 。是杆塔的冲击接地电阻，l 昏是杆塔的等值电感，工雷电流幅值，d 是杆 塔分流系数，口是感应系数，k 是避雷线和导线问的耦合系数，h 。是导线的平均 高度。雷电流流过接地体时，接地体呈现的接地电阻与工频接地电阻是不同的。 因为泄放的电流不是工频电流，而是雷电流。而雷电流是一种上升沿很陡的单极 性冲击电流，它包含极丰富的高次谐波成分，因而接地体的电感和容成分将对它 发生重要作用。同时，由于雷电流的幅值很大，会引起土壤放电。所以，当冲击 电流进入接地体时，就会引起一系列复杂的过渡过程，每一瞬间接地体呈现的有 效电阻值都可能有所不同，而且接地体上最大电压出现的时刻不一定是电流最大 的时刻。 为了使冲击接地电阻尺曲有一个明确的意义畸1 ，通常令： 尺曲： 式( 2 1 ) l 埘 式中，“。为接地体上的最大电压，f 。为流过接地体的最大电流。由于“。和f 。出现 的时刻可能不同，所以r 曲并无实际的物理意义，但是这一定义在工程上使用很方 便，因为本文感兴趣的是在一定的f 。条件下，接地体的最大电压”。是多少，而这 在r 曲已知的条件下马上就可以计算出来。 本文将雷电流波头时刻t = 2 6 p s 时的杆塔接地体呈现的电阻，作为杆塔的冲击 接地电阻。 2 2 仪器的测量原理 2 2 1 系统方案的研究n 本文不考虑由于冲击电流幅值过大，而引起的土壤放电，且将整个杆塔接地 系统认为是线性时不变系统( l t i ) 。杆塔接地系统的等效图2 1 所示。 4 第2 章仪器的测量原理及d s p 系统设计 杆塔接地系统 如图2 1 线性时不变的杆塔接地系统具有如下基本性质： ( 1 ) 叠加性与均匀性 对于给定的系统，i l ( t ) l 5 u p ) 和，：( ，) 与u ：( ，) 分别代表两对电流激励与电压 响应，则当电流激励是a 。i l ( t ) + a ：1 2 ( t ) ( a 1 与彳：分别为常数) 时，系统的响应为 4u l ( f ) + 4 2u 2 ( f ) 。此特性如图2 - 2 所示。 杆塔接地系统 图2 2 ( 2 ) 时不变特性 对于时不变的杆塔接地系统，由于系统参数本身不随时间改变，因此在同样 起始状态下，系统电压响应与电流激励施加于杆塔接地系统的时刻是无关的。写 成数学表达式，若电流激励为，( f ) ，产生电压响应为u ( t ) ，则当电流激励为，o f 。) 时，电压响应就为u ( t 一，。) 。此特性如图2 3 所示。它表明当电流激励延迟一段时 间b 时，杆塔接地系统的电压响应也同样会延迟气时间，波形形状不变。 在不考虑火花放电的情况下，求得的杆塔冲击接地电阻将不仅偏于安全，而 且在工程上完全能保证其数据的有效性。因为在火花放电的区域内土壤的等值电 阻率下降，有利于电流的流散，相当于杆塔接地体的等值直径增大，从而使冲击 第2 章仪器的测量原理及d s p 系统设计 接地电阻值降低。雷电流的幅值越高，在土壤中引起火花放电的区域就越大，冲 图2 3 击接地电阻值就越小。不过对于伸长接地体和地网而言，由于接地装置本身的电 感呈现较大的阻碍雷电流流通的作用，火花放电主要集中在电流入射点的附近， 火花放电的范围相对于整个伸长接地体和地网还是很小的。因此，火花放电对于 冲击接地电阻的影响是有限的。本文不考虑火花放电的影响，测量计算的结果比 实际值要大些，这样在设计或测量时更为安全，并且完全满足实际工程的需要。 本文认为，将杆塔接地系统等效为线性时不变系统和不考虑火花放电的情况，在 工程上是完全可行的。 2 2 2 理论公式推导 在频域中，杆塔接地体被认为是线性时不变系统，对于线性时不变系统，零 状态下的响应像函数r ( s ) 与激励像函数e ( s ) 之比定义为系统函数( 也叫网络函 数) 。即 砷) = 器 式( 2 _ 2 ) 式中，e ( s ) 和r ( s ) 分别为频域中激励像函数与响应像函数。当激励像函数e ( s ) 与 响应像函数r ( s ) 取自系统的同一端v i 时，系统函数具有输入导纳或输入阻抗的含 义。即 耶) = 器或者耶) = 普( 2 - 3 ) 在线性时不变的系统中，系统函数是唯一不变的，不随激励信号的特性变化 第2 章仪器的测量原理及d s p 系统设计 而变化。如果系统函数作为输入阻抗时，即下苹成立： 酱= 器1 2 北埘 玳s ) ( j ) 式中，厶( s ) 和1 2 ( s ) 分别为频域中的激励信号，而u 。( s ) 和u ：( s ) 为相应激励下的响 应信号。整理上式可得： u 1 ( j ) t ( j ) = u 2 ( s ) i l ( s ) 式( 2 5 ) j ：“。( f ) i z ( t r ) d f = j ：“：( f ) f 。( f f ) d f a ( 2 6 ) 上式，为连续时间域的卷积。根据卷积的定义，当采样时间间隔t 足够小时，就 可以把连续时间域的卷积进行离散。离散化上式可得： r “。 ( n - k ) t l i ：( 七f ) = z “2 ( 1 t ) i 。【 一矽】 式( 2 7 ) k = ll = l 式中，为采样的时问间隔，假设，为单位时间，整理上式，就可得离散时间域的 卷积公式： “l q ) 乖f 2 0 ) = “2 ( 挖) 水f l ( 玎) 式( 2 8 ) 式中，f 。( 九) ，“。( ，z ) 和f ：( 玎) 均为时域中的采样值序列。求解上述卷积即得到“：( 甩) 序 列。由于杆塔接地体可等效为多个兀型电路，而多个兀型电路经过变换后，最终 可化成一个n 型电路，所以本文用一个兀电路模型来代替接地体。如下图2 4 所 示。 图2 - 4l q 型等值电路 仪器的冲击电流发生器产生的冲击电流波与标准雷电波一样，都为双指数波。 不同的是两者波头和波尾时间不一样。双指数波的数学表达式为： j ( f ) = lx e x p ( 一t t 。) 一e x p ( - t t ：) 】( 互为理论波尾时间，正为理论波头时间) 。模 拟入射电流，( r ) 由c 与g 两端输入，计算得到c g 之间的响应电压u ( t ) ，再以一定 7 第2 章仪器的测量原理及d s p 系统设计 的取样频率对，o ) 和u ( t ) 和标准雷电流l i ( t ) 进行离散化得到i ( n ) 、u ( n ) 和l i ( n ) ， 卷积计算得到雷电压响应l u ( n ) 。卷积变换计算后的冲击接地电阻： r 曲= m a x ( l u ( n ) ) m a x ( l l ( n ) ) 。再把标准雷电流l i ( t ) 由c 与g 两端输入，计算得 到c g 之间的标准雷电压响应u 。( f ) ， 标准的冲击接地电阻： 如= m a x ( u b ( t ) ) m a x ( z i ( t ) ) ，比较如和r 曲。再分别改变模型参数r 。、尺2 、三和 入射电流幅值，以及波头等参数，观察结果的变化。在第五章m a t l a b 仿真中大量 仿真表明，入射电流为双指数波时，上述卷积变换算法是成立的。因此，就可以 用波头较缓和幅值较低的入射电流，通过卷积变换计算，求出接地体在波头较陡 和幅值较大的标准雷电流波形作用下的电压响应，从而根据公式：r 曲= 进一 l 珊 步求出杆塔冲击接地电阻。 2 3d s p 系统设计 目前d s p 系统设计的一般过程如图2 5 所示： 图2 - 5d s p 系统设计流程 第2 章仪器的测量原理及d s p 系统设计 ( 1 ) 必须根据应用系统的目标确定系统的性能指标和信号处理的要求； ( 2 ) 根据系统的要求进行高级语言的模拟，确定最佳的处理方法，即数字信号 处理的算法( a l g o r i t h m ) ，因此这一步也称算法模拟阶段； ( 3 ) 设计实时d s p 系统。实时d s p 系统的设计包括硬件设计和软件设计两个方 面。硬件设计首先要根据系统运算量的大小、对运算精度的要求、系统成本限制、 体积以及功耗等要求选择合适的d s p 芯片。然后设计d s p 芯片的外围电路及其它电 路。软件设计和编程主要根据系统要求和所选的d s p 芯片编写相应的d s p 程序。d s p 系统硬件和软件设计完成后，必须对其进行调试。软件的调试一般借助于d s p 开发 工具，如软件模拟器、d s p 开发系统或者仿真器等。调试d s p 算法时一般采用比较 实时结果与模拟结果的方法，如果实时程序和模拟程序的输入相同，则两者的输 出应该一致。应用系统的其它软件可以根据实际情况进行调试。硬件调试一般采 用硬件仿真器进行调试。系统的软件和硬件调试完成后，就可以将软件直接在实 际应用系统上运行。d s p 系统的开发，特别是软件开发是一个需要反复进行的过程： 虽然通过算法模拟基本上可以知道实际系统的性能，但实际上模拟环境不可能做 到与实际系统环境完全一致，而且将模拟算法移植到实际系统时必须考虑算法是 否能够实时运行的问题。如果算法运算量太大不能在硬件上实时运行，则必须重 新修改或简化算法。 2 4 本章小结 本章首先对杆塔冲击接地电阻给出了一个明确的工程定义，从系统方案和理 论公式推导的角度，对测量原理进行了详细的介绍。给出了卷积测量公式的简单 推导过程，对于整个被测量的杆塔系统，本文认为是线性时不变系统，以及不考 虑土壤火花放电对冲击接地电阻的影响，在系统方案研究中，给出了详细的论述， 当入射电流为双指数波时，所求得的杆塔冲击接地电阻将不仅偏于安全侧，而且 在工程上，完全能保证数据结果的有效性。最后介绍了d s p 系统设计的般流程。 9 第3 章测量仪的结构及硬件设计 第3 章测量仪的结构及硬件设计 3 1 测量装置硬件整体结构 对于本测量装置，电流取样电阻的大小将直接影响仪器测量结果的稳定性。 采样频率、参与卷积的点数，以及参与卷积运算的起始点等，都将影响测量结果 的误差。解决不稳定的主要措施在于提高入射电流的大小，入射电流增大后，就 可提高测量的区分度，同时可提高电流的取样电阻。为了提高信噪比及防止测量 溢出，还要做到入射电流可控。对杆塔冲击接地电阻的研究，还需大量的现场数 据及现场波形，所以仪器本身还需足够的存储容量，用来存储现场测量的数据及 波形。考虑到野外测量，还得考虑器件的低功耗。综合考虑以上各种因素，本文 提出了一套全新的解决方案。它主要分为三大部分：冲击电流发生、d s p 主控板和 电源模块。整体方案如图3 1 所示。 l c d 显示、键盘r s 2 3 2 、蜂鸣器 石磊面刀 礤 剐 刭 o _ 鲁 接口电路 1 2 v + 2 0 v g n d 5 v 接口电路卜_ 叫冲击电流发生器 詈景量瓤杆塔接地体电流取样电路k _ 一 图3 1 整体方案图 系统的工作过程： 系统主控板d s p ，收到测量指令后，根据充电电压设定值，发出对电容器组充 电的控制指令，随后触发冲击电流发生器产生入射电流，注入接地体，经信号预 处理、取样电路和a d 变换后存于数据区。最后d s p 对原始数据进行标变换、剔 除异常数据、数据平滑、滤波，以及卷积计算等等，求出接地体在标准雷电流作 用下的电压响应，分别找出雷电流及其响应电压的最大值，将二者相除，即得接 1 0 块一块一 一块模一模|ii一模 制一第一 一叱 控一计一 一a 果 一 据 结 一 数 终 一 始 最 一 原 谁颦悼骷武 第3 章测量仪的结构及硬件设计 地体在标准雷电波作用下的冲击接地电阻，计算结果送液晶显示。若超出量程范 围，则自动调整数字电位器选择最佳量程，为下次测量做准备，并设置异常处理。 3 2 测量装置的硬件部分 3 2 1 冲击电流发生器的研制 本文使用实验的方法来测量杆塔冲击接地电阻。首先向接地体注入一个冲击 电流信号，采集电压和电流后再进行计算。所以测量仪的核心部件之一就是冲击 电流发生器，它直接关系到本仪器的成功与否与效果的好坏。本文首先介绍一下 传统的冲击电流发生器，如图3 2 所示。 图3 - 2 传统冲击电流发生器典型构成 f t 。调压器g 间隙 t 2 _ 一高压变压器d 一整流器 r 限流电阻c 储能电容( 组) f 负载( 测试对象) it _ 一传输线 冲击电流发生器的基本原理是：“慢充快放”。即通过各种方式，将较低的电 压( 交流或者直流) 升为较高的直流电压，缓慢地对电容( 组) 充电，然后在某种控 制装置作用下，在极短的时间内( 一般为几“s 到几十斗s ) 放电，形成瞬间大电流。 实际的冲击电流发生器还包括调波电感( 用以调整波形特征) 、测量传感器、传输 线和各种保护装置等。它产生的波形为双指数波。冲击电流发生器的基本要求是： 主放电回路电感和振荡尽可能小。 可采取的基本措施有： ( 1 ) 减小传输线电感，一般采用同轴电缆； ( 2 ) 采用低感电容器； 第3 章测量仪的结构及硬件设计 ( 3 ) 采用多隔离间隙的并联运行。 参照传统的冲击电流发生器的构成，根据实际需要还得满足以下要求： ( 1 ) 入射的冲击电流幅值虽然与雷电流相比很低，但也要达到几安培，以满足 测量时所要求的信噪比； ( 2 ) 冲击电流幅值可调，来保证测量的精度。 3 2 1 1 高压直流电源模块 本测量仪采用高压电源厂生产的直流高压电源模块，将电压从+ 1 2 v 升到高压 直流。直流高压电源模块如图3 - 3 所示。 v c t r lg n d 3 g n d 2 v i n 直流高压 g n d l h v 图3 3 直流高压电源模块 引脚定义： v i m 输入g n d l ：输入地g n d 2 ：控制地 v c t r l ：0 5 v h v ：输出g n d 3 ：输出地 输入为1 2 2 v ，输出为0 + 1 0 0 0 v 可调，v c t r l 用来控制输出电压的大小， 额定输出电流为2 0 m a ，且输出地与输入地共地。因为本仪器用1 2 v 蓄电池供电， 所以本模块比较适合。另外本文用数字电位器对v c t r l 进行控制，故可做到输出 电压0 1 0 0 0 v 可调。 3 2 1 2 冲击电流发生器组成原理 因为直流高压电源模块的输出电流不是很大，所以，本文还是用传统的冲击 电流发生器的“慢充快放 的思想，先对电容器组缓慢充电，充电完成后再对电 容器组快速放电，这样就可产生本文需要的冲击电流，产生的冲击电流也是双指 数波。冲击电流发生器的组成原理如图3 - 4 所示。 第3 章测量仪的结构及硬件设计 图3 - 4 冲击电流发生器 本文采用高压大电流的全控型的电力电子器件i g b t 管作为开关控制，可以承 受较高的直流电压，且控制起来比较方便。d s p 输出的信号是不大于3 3 v 的脉冲 信号，其驱动能力有限，不能直接用来作为驱动脉冲，必须经过功率放大。另外， 从d s p 输出的脉冲信号必须与后续电路进行隔离，才不至于使d s p 受到后级电路 干扰，因此，它先通过光藕放大器t l p 5 2 1 - 2 进行隔离后，再给i g b t 的驱动电路 e x b 8 4 1 的导通提供所需的驱动信号。 i g b t 是绝缘栅双极晶体管，或称绝缘门栅极晶体管。它是将场效应管m o s f e t 与电力晶体管g t r 集成在一个芯片上的复合器件。m o s f e t 是单极型电压驱动器件， 工作速度快，输入阻抗高，热稳定性好，驱动电路简单，但导通电阻较大，电流 容量也较低；g t r 是双极型电流驱动器件，其阻断电压高，载流能力强，但工作速 度较慢，驱动电流较大，控制电路较复杂。i g b t 综合了m o s f e t 和g t r 两者的优点， 很适合作为高压大电流器件的开关。 i g b t 的输入特性几乎与m o s f e t 相同。i g b t 的驱动电路均需满足如下四个条 件： ( 1 ) 提供需要的栅射极间电压( u g s 或o c e ) ，以保证开关管的可靠开通和关断。 i g b t 管容量一般比较大，为确保电路稳定工作，通常采用具有正负值的电压； ( 2 ) 减小驱动电路的输出电阻，以提高栅极充放电速度，从而提高逆变主电路 和控制电路的开关速度； ( 3 ) 实现主电路与控制驱动电路的隔离； ( 4 ) 较强的抗干扰能力，i g b t 的工作频率与输入阻抗较高，易受干扰； 第3 章测量仪的结构及硬件设计 由于高压直流模块的输出的直流电压可达到1 0 0 0 v ，所以i g b t 的额定电压为 1 2 0 0 v ，通过i g b t l 的输出电流达几十毫安，故选用f a i r c h i l d 公司的 c h f m g 2 g 5 0 u s l 2 0 ( 1 2 0 0 v ，5 0 a ) 型号即可，i g b t 2 的额定电压为1 2 0 0 v ，电流达到几 十安培，故也选用f a i r c h i l d 公司的c h f m g 2 g 5 0 u s l 2 0 ( 1 2 0 0 v ，5 0 a ) 型号即可。 i g b t 的驱动电路常用驱动模块，不同容量的i g b t 对驱动模块的型号和参数要 求是有不同的。在i g b t 的驱动模块中，常用的有e x b 8 4 0 和e x b 8 4 1 。设计选用 e x b 8 4 1 ( e x b 8 4 1 可用于驱动高达3 0 0 a 1 2 0 0 v 的i g b t ) 。e x b 8 4 1 内部电路结构如图 3 - 5 所示n 0 。 e x b 8 4 1 由放大部分、过流保护部分和5 v 电压基准部分组成。1 4 和1 5 脚为驱 动脉冲输入端，5 脚为过流保护输出端，3 脚为脉冲输出端。 45 图3 - 5e x b 8 4 1 内部结构框图 设计中具体的驱动电路结构如图3 - 6 所示。设计中采用了全桥整流为驱动电 路提供工作电压，每个i g b t 均需要一路驱动。 驱动电路工作原理如下： 驱动电路采用e x b 8 4 1 作为i g b t 的驱动模块。模块的供电电压为2 0 v ，光耦合 器的输入电流l o m a 。2 0 v 直流电压接在e x b 8 4 1 的2 脚和9 脚之间，2 脚接电源的 正端，9 脚接电源的负端，2 脚和9 脚之间的电压供给e x b 8 4 1 工作。从d s p 输出 的脉冲信号接在e x b 8 4 1 的1 4 脚和1 5 脚之间，为e x b 8 4 1 提供驱动信号。e x b 8 4 1 模块的1 4 脚接共地。每个e x b 8 4 1 的1 5 脚通过电阻接受脉冲信号。当脉冲信号到 第3 章测量仪的结构及硬件设计 来时，模块内1 4 脚和