（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装置研究与设计.pdf

基于d s p 的冲击接地电阻测量装置研究与设计 a b s t r a c t t h em e a s u r e m e n to fi m p u l s eg r o u n d i n gr e s i s t a n c ea b o u tg r o u n d i n gd e v i c ei sai m p o r t a n t i n d i c a t o ro fe n s u r i n gs t a b l eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e ma n ds a f e t yo fe l e c t r i c a le q u i p m e n t o w i n gt od i r e c tm e a s u r e m e n ti sl i m i t e db yv a r i o u sc o n d i t i o n s ，s oc u r r e n t l yt h er e s e a r c h e so f i m p u l s eg r o u n d i n gr e s i s t a n c ea r em a i n l yn u m e r i c a lc o u n ta n dt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w h i c ha r e r o u g he s t i m a t e s i n t h i sp a p e r , b a s e do nr e s e a r c ha n da n a l y s i sa b o u tm a t h e m a t i c a lm o d e lo fg r o u n d i n g d e v i c e s ，w i t h o u tt a k i n gi n t oa c c o u n tt h ei m p a c to fc u r r e n t t o - g r o u n dd i s c h a r g e ，w ee q u i v a l e n t g r o u n d i n gd e v i c et ol i n e a rt i m e i n v a r i a n td i s t r i b u t e dn e t w o r k sa s s e m b l e db yr e s i s t a n c ea n d i n d u c t a n c e ，i nf r e q u e n c yd o m a i n ，g r o u n d i n gd e v i c e sn e t w o r kf u n c t i o ni ss o l e u s i n gt h i s f e a t u r e ，i fk n o w ns o m ei n j e c t i o nc u r r e n ta n dr e s p o n s ev o l t a g e ，u s ec o n v o l u t i o nt o f i n d s t a n d a r di m p a c tc u r r e n t sr e s p o n s ev o l t a g et of i n di m p u l s eg r o u n d i n gr e s i s t a n c e o nt h eb a s i so fa b o v et e s tp r i n c i p l e sa n dt h en e e d so fe n g i n e e f i n gp r a c t i c e ，p r o p o s i n gt h e m e t h o do fi n j e c t i n gm o d e r a t ew a v e f o r mc u r r e n tt of i n di 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 n t i m e ，d e v e l o p i n gt h ee q u i p m e n to fm e a s u r i n gi m p u l s eg r o u n d i n gr e s i s t a n c e ，t h i s e q u i p m e n ta r ec o m p o s e do ft h em a i nc o n t r o lu n i t ( m e t 0 ，i m p u l s ec u r r e n tg e n e r a t o r ( i c g ) ， t r i g g e ru n i t ，d a t aa c q u i s i t i o nu n i t ，i s o l a t i o na n dc o m m u n i c a t i o nu n i t ，a dc o n v e r s i o na n d s t o r a g eu n i t ，p o w e rm o d u l e sa n ds oo n t h i se q u i p m e n tm a k em c ua n di c gf u l li s o l a t i o n ，a n dr e a l i z et h ec o n n e c t i o nb y 霭 a n d ￥nt f a n s f o i t i ia sw e l la si n f r a r e dc o m m u n i c a t i o n ；u s i n gd s pt or e a l i z ev a r i o u s a l g o r i t h m so fd i g i t a ls i g n a l ；i c gi sm a d eb yi g b t , w h i c h i se a s yt oc o n t r o la n dc i r c u i ti s s i m p l e a tl a s t t r a n s f o n na l g o r i t h mo ft h em a t l a bs i m u l a t i o nr e s u l t sw e r em a d e ，a n dp r o v i n g t h i sa l g o r i t h mi sa c c e p t a b l e m o r e o v e r , s i m u l a t i o ni sm a d e ，t h er e s u l ts h o wt h a tn o to n l y m e a s u r e m e n t m e t h o d sa n ds t r u c t u r e so ft h es y s t e mc a l lm e a s u r et h ei m p a c to fe a r t hr e s i s t a n c e ， b u ta l s oh a v eh i g hv a l u eo ft h ee n g i n e e r i n gp r a c t i c e k e yw o r d s ：i m p u l s eg r o u n d i n gr e s i s t a n c e ；t r a n s f o r ma l g o r i t h m ；d s p ；r e l i a b i l i t y 硕士学位论文 插图索引 图2 1 接地系统等效图7 图2 2 叠加性与均匀性示意图8 图2 3 时不变特性示意图8 图2 4 接地装置等效图1 0 图3 1 测量系统原理图1 2 图3 2 测量系统电压电流取样电路图1 6 图3 3 电压信号采集电路1 6 图3 4 典型的运放输入保护电路1 7 图3 5 程控增益放大电路1 8 图3 6 信号采集隔离方案1 9 图3 7 信号隔离方案2 0 图3 8 发射部分电路2 0 图3 9 接收部分电路2 1 图3 1 0 红外通讯电路2 l 图3 1 l 数据采集电路示意图2 2 图3 1 2a d 转换电路2 3 图3 1 3 缓存与逻辑控制电路2 5 图3 1 4 标准雷击电流示意图2 6 图3 1 5 冲击电流发生器主回路原理图2 6 图3 1 6 变压整流电路原理图2 8 图3 1 7i g b t 触发电路原理图3 0 图3 1 8s c r 隔离触发电路3 1 图3 1 9 采集板电源模块3 2 图3 2 0 主控制板电源电路3 4 图4 1 系统主流程图3 8 图4 2 信号采集流程图3 9 图4 3 测量与计算程序4 0 图4 4 数据预处理流程图4 1 图4 5 滤波程序流程图4 2 图4 6 通讯流程图4 3 图5 1 接地装置模型4 8 图5 2 标准雷击电流波形4 9 图5 3 模拟冲击电流波形4 9 图5 4 卷积得到冲击响应与标准雷击电流响应波形5 0 图5 5 瞬时阻抗与最终结果5 0 图5 6 标准雷击电流波形5 1 图5 7 模拟冲击电流波形5 1 图5 8 卷积得到冲击响应与标准雷击电流响应波形5 2 图5 9 瞬时阻抗与最终结果5 2 图5 1 0 接地装置的模拟测试电路5 5 m 基于d s p 的冲击接地电阻测量装置研究j 没计 附表索引 表5 1 采样频率和测量用信号对结果的影响5 3 表5 2 参与卷积点数对结果的影响5 4 i v 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 季砖 j 日期：护，年歹月re l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本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和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 孝寸 缈吁 日期：沪寺年 日期：砧够年 7 月厂日 舌月驴日 硕十学位论文 第1 章绪论 接地电阻是反映电力系统和电力设备接地状态是否良好的关键参数，是衡量系统接 地安全的重要指标。因此准确的测量接地电阻并及时的发现问题对电力系统安全运行 有着十分重要的意义 2 1 0 1 1 接地电阻概述 1 1 2 接地与接地电阻 电力系统中的接地是指为了系统工作和安全的需要而将电力系统或者电气装置的 某些部分通过接地装置与大地相连接b 1 。电力系统中的接地点一般是中性点，但也可能 是相线上的某一点；电气装置是指一定空间内相互关联的电气设备的组合，这些电气设 备包括变压器、电机、电器、保护装置、仪器与仪表等，也可以是变电、输配电以及用 电设备1 4 1 。 接地是电力系统操作和电气设备安装所必须的一项工作。接地按照其在工作原理分 为：安全接地、工作接地、防静电接地、防雷接地等。 安全接地：亦称保护接地，这类接地主要是针对电气装置的，这类装置的金属外壳、 配电装置的构架以及线路塔杆等由于其绝缘材料的老化和损坏可能是带电的，所以为了 防止对操作人员和设备本身的伤害，就要对装置实施接地。 工作接地：亦称系统接地，是指为了工作的需要而接地，例如在电力系统中，通常 将中性点通过接地装置接地或者直接接地，其主要作用是稳定电网对地电位，保证供电 系统安全可靠运行。 防静电接地：此类接地主要的防止静电对设备或者器件造成的损害，例如在元器件 生成的过程中，操作人员必须有良好的防静电措施，以免静电将器件击穿损害；对易燃、 易爆等危险物的储运设备，同样需要接地措施。 防雷接地：防雷接地主要是针对雷电保护装置的，如避雷器、避雷针、避雷线等装 置，它们的作用是向大地泄放速变大电流，此类接地在建筑行业和电力系统输配电的塔 杆中极为常见1 5 1 。 接地电阻就是指电流经接地装置流入大地所遇到的阻抗，它通常包括接地装置本身 的电阻和接地装置与土壤的接触电阻。在工程上，为了计算的方便，可以认为电流经接 地装置流向无限远处，同时因为接地体附近电流流散的面积小、密度大的原因，所以可 以认为接地电阻主要集中在接地体附近1 6 。 随着现代化电网输电系统向超高压、远距离输电的方向发展，对电力系统输电的安 全性和稳定性也有了更高的要求。发电厂、变电站的接地装置的性能关系到电力设备和 操作人员的安全，所以愈来愈受到人们的关注，因为发电厂、变电站的接地网不但要满 足工频短路电流的需要，而且随着微机保护以及综合自动化装置的广泛应用，这些弱电 基于d s p 的冲击接地电阻测量装置研究与设计 设备对接地网的要求更高，地电位干扰对监控和自动化装置影响越来越严重，因而接地 网的雷电流冲击特性成为接地网特性良好的一个主要参数，而不得不引起人们的关注 1 1 2 冲击接地电阻 随着电力系统的发展以及电网规模的急剧扩大，接地短路电流亦越来越大，对接地 装置的要求亦越来越高。根据国家电力行业标准一接地装置特性参数测量导则 ( d l t 4 5 2 0 0 6 ) ，接地电阻的阻抗是指接地装置对远方电位零点的阻抗，数值上为接 地装置与远方电位零点的电位差，与通过接地装置流入地中的电流比值，按照冲击电流 求得接地阻抗称为冲击接地阻抗，按工频电流求得的接地阻抗称为工频接地阻抗n 1 。 对接地装置特性参数的测试不但包括以下内容：电气完整性测试、接地阻抗测试、 地区地表电位梯度测试、接地电位差测试、跨步电位差测试以及转移电位的测试n 1 ，而 且对于电气设备的接地装置而言，冲击接地电阻测量更能反映其性能的优劣眈1 。 冲击接地电阻是指以冲击电流作为入射电流通过接地装置所产生的阻抗，这里的冲 击电流指的是指雷击电流，主要是针对雷击所采取的接地保护装置的测试。在此以输电 线路塔杆为例，作以说明。 当雷击线路塔杆时，线路绝缘子的电压为： u fa 一仉一( ，宰户( 氏+ 乞2 6 ) + 口* h d ) 宰( 1 一七) ( 1 1 ) 式中：屯冲击接地电阻，为电流幅值，卢为分流系数，虬导线的平均高度，a 为 感应系数，k 为耦合系数。从上式可以看出，线路绝缘子的响应电压是由诸多不确定因 素共同影响的1 7 1 0 雷电流流过接地体时，因为泄放的是雷击电流，而非工频电流，所以 接地装置呈现的阻抗与工频接地阻抗是完全不同的 m 1 。雷电流是一种上升沿极陡的单 极性冲击电流，它包含了极其丰富的高次谐波成分，而且由于冲击电流较高的幅值，会 引起土壤放电。所以当冲击电流流过接地装置时，是一个复杂的过渡过程，每一个瞬间 所呈现的电阻可能是不同的，而且在入射电流达到峰值时，响应电压不一定能够达到峰 值。为了使冲击接地电阻心有一个明确的意义，定义： 一誓 ( 1 2 ) 式中l 为流过接地体的峰值电流，以为峰值电流作用下的峰值电压，由于玑和，艉 可能出现在不同时刻，所以足。从物理意义来讲是不准确的，但从工程实践的角度来说， 使用起来是比较方便的。 1 1 3 测量冲击接地电阻的意义 首先，相对于工频接地电阻而言，测量接地装置的冲击电阻更加有意义。如前文所 述，工频接地电阻是按工频电流为入射电流求得的接地装置的阻抗，对电力设备接地装 置和建筑行业的防雷设备，也只是在工频接地电阻的基础上再乘以一个冲击系数求得装 2 硕上学位论文 置的冲击接地电阻，很显然这种方法是粗略的不科学的，因为标准的冲击电流是陡度很 大、频率很高的电流，所以冲击电流的等效频率远比工频电流的频率丰富的多，当冲击 电流流入接地体时，就会引起一系列的过渡过程，而每一个瞬间接地装置所呈现的等效 阻抗是不同的，而且般情况下冲击电流的幅值都比较大，会引起土壤放电。所以与工 频入射电流相比，以冲击电流入射接地装置时，更能反映出接地装置的真实特性，反映 接地装置在雷击电流作用下的接地特性是否良好，所以冲击接地电阻与工频接地电阻相 比，具有更大的优势。 其次，随着电力系统的发展，电网规模的不断扩大，自动化的普及，变电站已经逐 渐用微机保护代替了原来的电磁式继电保护，而这些微机设备的引进带来方便的同时， 其耐压水平低也给自动化系统带来了新的问题，特别是雷击时，雷电流流经避雷针( 避 雷器) 引入地网中，引起地网的冲击电位升高，对电网产生干扰。近年来，在电力系统 中已发生过多次因雷击变电站地网造成微机保护异动或死机，甚至烧毁主设备的事故， 给电力系统带来巨大的经济损失，故而从保护电力系统设备安全的角度来讲，冲击接地 电阻的测量是非常必要的测试手段之一。 最后，随着我国现代化建设的不断推进，社会对输电线路供电安全性和可靠性的要 求会越来越高，线路停电故障不仅影响到设备的正常运行，而且也会给人们的正常生活 带来很大的不便，有时也会造成巨大的经济损失甚至威胁生命安全。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 电流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，线路就会跳闸停 电造成事故，根据电网故障分类统计表明，在我国，由雷击输电线路引起的事故也日益 增多，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高达7 0 ；这给社会带来巨大的经济损失2 1 。 因此对于野外输电线路的塔杆作冲击接地电阻的测量，对提高输电线路的“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。 1 2 本课题的意义 随着我国现代化建设的不断推进，对供电系统的稳定性和安全性提出了更高的要 求，在我国有些地区，每年因为雷击输电线路而引起的事故率高达7 0 2 1 9 而在邻国日 本，根据有关方面的统计，5 0 以上的输电线路故障都的由雷击所引起的阳1 ；国际大电 网会议公布的美国和欧洲等国家连续三年的运行资料指出，在电压等级为2 7 5 k v - - 5 0 0 k v 输电线路中( 总长为3 2 7 万千米) ，雷电事故占总事故的6 0 ，因此为了减少输电线路 中出现的雷击事故，各个国家都在积极进行线路防雷的研究。 鉴于此，如何准确测量并及时发现输电线路塔杆以及其他电气设备接地装置存在的 接地隐患是提高输电线路安全运行的有效方法。但是目前对冲击接地的测量方法还是比 3 基于d s p 的冲击接地电阻测量装置研究与设计 较粗略的，对更加精确的测量方法也只是限于实验室的研究，而且也不成熟，并不能应 用到工程实践中去，更不用谈冲击接地电阻的测量仪器了。这显然不能满足当前生产实 践的需要，所以迫切需要研制一种简便而且有效的测量接地装置冲击接地电阻的测量仪 器。 本课题将在充分研究国内外研究冲击接地电阻测量原理的基础上，尝试研制一个测 量分析系统。此测量分析系统将从测量原理、整体设计、抗干扰手段等几个方面为出发 点，设计基于高速数字信号处理器的冲击接地电阻的测量装置，此装置能够快速而准确 的测量接地装置的冲击接地电阻；该装置应该具有体积小、重量轻、操作简单等特点， 而且要能够满足野外操作的要求。同时，本文所提出的变换算法以及算法的仿真结果也 可以为冲击接地电阻测量装置的研究提供了智力参考。 目前，因为国内外还没有同类产品出现，所以具有广阔的市场前景。 1 3 国内外研究的现状 工频接地电阻的测量，最常用的方法是i e e e 推荐使用的电位降法，测量方法大致 采用远离法和补偿法n 1 ，冲击接地电阻的测量在国内外还没有比较成熟的理论及测试方 法，目前对冲击接地电阻测量的研究主要局限在以下方面： 1 、数值计算的方法 这种方法在理论分析的基础上，对接地装置建立非均匀分布的等效回路数学模型， 其基本方程为： 器一a ( x 飒o a f ( 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 和t 等多种因素有 关的变量，解这个偏微分方程在数学上将会遇到很大的困难，且很难找到g 0 t ) 这 样的一个曲线函数，因此必须将此式转换为差分方程进行求解，从而计算出接地装置的 冲击接地电阻，显然这种方法对具体实例是最好的方法，但是存在的问题是，对于现场 测试并不适用，原因是建立统一的数学物理模型是非常困难的，同时求解的过程亦非常 复杂，无法考虑到现场测试的环境问题，比如不同土壤的电导率以及不同环境所带来的 环境温度与湿度的差别。武汉大学电气工程学院习文山教授的科研团队在2 0 0 6 年提出 了一种输电线路塔杆冲击接地电阻的算法，这种方法通过数学模型，建立目标函数，利 用最优化方程一变度量法，较精确的求出了双指数函数中的参数，借助于傅氏函数， 把双指数函数转换为很多正弦函数和的形式。应用场路结合的思想，采用节点电压法求 得接地网在冲击电流作用下的参数，整个计算是个逐步逼近的过程，对工程应用具有一 定的价值。但这种方法的最大缺点就是不适合现场测试，对于一般的工程技术人员来说， 并不适合。同时这种方法也不具备一般性，其测试结果无法得到有效的验证。 2 、直接测量法 4 硕十学位论文 这种方法是利用冲击电流发生器产生一个与实际的冲击电流( 雷击电流) 在电流幅 值和电流波头陡度上都非常接近的模拟冲击电流，以该电流作为测量电流，由数据采集 器采集得到接地体内流过的电流波形和电压波形，经过d 转换后，数字信号通过快速 傅里叶变换( f 网变换到频域，并在频域内通过频谱法计算得到冲击阻抗值，最后分离 冲击阻抗中的电阻和感性分量。无疑这种方法是测量接地装置冲击接地电阻最好的方 法，因为相对于其他方法，此法更能真实的反应出接地装置的实际特性。 但是直接测量遇到的最大问题便是冲击电流发生器的问题，要产生一个幅值和波头 陡度都接近于标准雷击电流的冲击电流，在工程上是很难实现的。即使能够实现，设计 制造这样的冲击电流发生器，它的体积将非常庞大，对于野外作业来说，是不方便的。 当然也可以直接购买大功率冲击电流发生器，目前国内有诸多厂家生产大功率的冲击电 流发生器，如武汉国电华瑞电力测试有限公司，用户可以定制所需的冲击电流发生器， 他们能够提供客户所需要的大功率的、符合测试标准的冲击电流发生器，但价格都是非 常昂贵的，体积庞大。而且这种测试方法对于电流的泄放也是选用大面积的球隙放电， 这并不适合工程实践的需要，所以也只能限于实验室研究。在国内，有一些研究所在作 相关方面是实验，如四川电力实验研究院，西北电力科学研究院等就是利用这种方法来 测量冲击接地电阻的。 3 、工频接地电阻与冲击系数相结合的方法 这种方法是以测量接地装置的工频接地电阻为基础的，在工频接地电阻的基础上乘 以一个冲击系数，求出冲击接地电阻。这里所谓的工频接地电阻是指以工频电流为入射 电流测试接地装置的响应电阻，由于对接地装置工频接地电阻的测量无论是在测量理论 与测试仪器上都已经比较成熟，而且工频接地电阻测试仪器不但稳定性很好，而且在价 格上也有很大优势，一段时间以来上海仪表六厂生产的z c 系列工频电阻测试仪占据了 绝大部分的市场，因而至今有些仪器仍在使用，所以工频接地电阻与冲击系数相结合的 方法在工程实践中得到了广泛的应用。但是一个突出的问题就是，冲击系数则要依靠模 拟实验来确定，针对不同的接地装置要作不同的模拟实验，而且这种模拟实验所获得的 数据则会因为测试环境温度、湿度的差异而产生巨大的变化，所以在求冲击系数时是非 常繁琐的。 但事实上，工频接地电阻与冲击接地电阻在定义上是完全不同的，用工频接地电阻 来代替冲击接地电阻的测量是非常粗略的方法，同时也是不科学的。 4 、数值计算与直接测量相结合的方法 考虑到对接地装置冲击接地电阻的测量是重在其测试结果的有效性和实用性，因此 在测试现场并不需要以一个与标准的冲击电流完全相同的入射电流为入射电流测试冲 击接地电阻，而是以幅值较低、波头较缓的模拟入射电流为入射电流，注入接地装置， 再通过变换计算的方法，求出接地装置在幅值较高、波头较陡的标准雷击电流下的响应 电压，进而求出冲击接地电阻。 这种方法结合了现场直接测试的方法与数值计算的方法，避免了因为标准雷击电流 发生器所带来的体积庞大问题，同时变换计算法也避免了要对接地装置建立复杂的数学 5 基于d s p 的冲击接地电阻测量装置研究与设计 物理模型和求解繁琐的差分方程。而且最关键的一点就是兼顾了测试现场的具体环境问 题，如不同的土壤电阻率和测试环境的温度、湿度等，所以这种方法与上文所提及的三 种方法相比，具有较强的通用性和使用性，且其结果是可以模拟测试的，因此能够得到 有效的验证。 由以上的分析可以看出，目前的测试方法中，除了第四种测试方法外，其他三种要 么是复杂的数值计算，要么是粗略的估算，这些方法都不能准确、高效的反映接地装置 的真实特性，所以需要一种更加有工程实践价值的测试方法。 1 4 本课题研究的主要内容 在查阅国内外相关的参考文献和技术资料的基础上，对接地电阻测量装置作了深入 的分析和总结，在此基础上研制新式的冲击接地电阻测试仪，主要完成了以下工作： 1 、提出数值计算和现场测试相结合的测试方法，这种方法以波头较缓、幅值较小 的入射电流注入接地装置，再通过变换算法求出接地装置在波头较陡、幅值较大的标准 冲击电流情况下的冲击接地电阻。 2 、设计基于高压大电流的全控型电力电子器件i g b t 的冲击电流发生器，提高入 射电流的质量，使得测量结果更加精确。 3 、基于本文提出的测试方法，设计由控制板、数据采集板、冲击电流发生器等组 成的冲击接地电阻测试仪。 4 、运用m a t l a b 仿真软件，对本文中提出的变换算法进行仿真实验，验证了对于 具有双指数波，o ) = lx e x p ( - t t 1 ) 一e x p ( - t 1 2 ) 】( 式中：l 为信号的幅值，互为理论波 尾时间，正为理论波头时间) 特性的信号为入射电流，对本文提出的变换算法作了正确 性探究。 5 、运用m a t i _ a b 仿真软件，分别对离散频率和卷积点数这两个对冲击电阻结果有 主要影响的参数作仿真运算，从而确定实际测量系统的采样频率和参与运算的卷积点 数。 6 硕1 二学位论文 第2 章冲击接地电阻测量原理 在对接地装置进行冲击接地电阻测量时，直接测量无疑是最好的方案，但直接测量 受到诸多条件的限制，就目前技术而言，是不可能实现的；而通过数学计算的方法求冲 击接地电阻并不能有效满足工程实践的需要，而且对于现场技术人员来说，操作比较困 难，所以如何实现直接测量与数学计算相结合的测试方法是一个亟待解决的问题。 2 1 冲击接地电阻的测量原理 在进行冲击接地电阻测量时，由于入射电流的幅值较高、频率较高等原因，一般要 考虑接地装置的等效电感和等效电容对接地电阻的影响，所以接地装置并非一个纯的电 阻，而是由电容、电感、电阻组成的分布式网络。如果考虑冲击电流入射时而引起的对 土壤放电问题，则这个网络是非线性的，其数学模型非常复杂，求解极其繁琐，目前并 没有很好的办法解决。如果不考虑冲击电流引起的土壤放电问题，则接地装置的网络是 线性时不变的网络，网络函数简单，求解比较容易。同时，在不考虑冲击电流对地放电 的情况下，求得的接地系统的冲击接地电阻将偏于安全侧，而且测得的数据在工程上完 全有效。因为在冲击电流对土壤的放电区域内，其等效电阻率会变小，这比较利于电流 的流散，相当于增大了接地体的等效直径，所以接地装置的电阻会变小。相同条件下， 冲击电流幅值越高，对土壤放电也就越明显，放电面积就会越大，冲击接地电阻就会越 小。所以，对于集中体的接地装置而言，冲击电流对土壤放电对测量的结果影响是偏于 安全侧的。 对于伸长接地体和大型地网而言，由于接地装置本身的电感呈现出较大的阻碍雷击 电流的作用，火花放电则主要集中在电流入射点处，火花放电的区域与伸长接地体和大 型地网来说是很小的。因此火花放电对于冲击接地电阻的影响是非常有限的。 经过以上讨论可知，在不考虑冲击电流对土壤放电时，测量的结果与实际值相比会 略大一些，但是这样的计算是偏于安全侧的，是能够满足工程实践需要的，所以在本文 中将接地装置等效成线性时不变系统是可行的。 若不考虑由于冲击电流幅值过大，而引起的对土壤放电时，就可以将整个接地系统 等效成一个线性时不变系统。接地系统的等效图2 1 如示。 图2 i 接地系统等效图 线性时不变的接地系统有如下基本性质： ( 1 ) 叠加性与均匀性 7 基于d s p 的冲击接地电阻测量装置研究与设计 对于一个给定的线性时不变系统，1 0 ) 与u 1 0 ) 和1 2 0 ) 与u ：o ) 分别代表两对电流激 励和在此激励下的电压响应，那么当电流激励为4 ，1 0 ) + 4 1 2 ( t ) ( 其中4 和4 为常系 数) ，则系统的响应为4 以o ) + 4 o ) ，这种特性可以用图2 2 来表示 1 2 1 1 3 1 。 图2 2 叠加性与均匀性示意图 ( 2 ) 时不变特性 对于时不变的接地系统，由于系统本身的参数不会因为时间的推移而发生变化，因 此在同样的起始状态下，接地系统的电压响应与冲击电流施加于接地系统的时间是没有 直接关系的，如果用数学式表达，设激励电流为，( f ) ，响应电压为u ( f ) ，则当激励电流随 时间变化为，( f t o ) 时，响应电压即为u o t o ) ，此特性可以用图2 3 来表示1 1 2 。 t= 图2 3 时不变特性示意图 t t 从图2 3 可以看出，当激励延迟一段时间厶后，接地系统的响应亦延迟相应的时间 厶，而且波形没有发生变化。 依据以上讨论，接地装置可等效成线性时不变的分布式网络，所以它符合线性时不 变系统的特性。而对于线性时不变系统，利用网络函数唯一这一特性，并结合工程实践 的需要，提出以波头较低、幅值较缓的冲击电流为入射电流测试冲击接地电阻的方法n 2 l ， 以下是公式的具体推导与演算过程。 2 2 公式推导 为了使冲击接地电阻氏有一个明确的意义，定义： 8 硕士学位论文 如= 争 ( 2 1 ) 式中l 为流过接地体的最大电流，u m 为此时的最大电压。因此如果获得在一定的l 下 的接地体的最大电压玑，即可将如计算出来。 在不考虑火花放电等非线性因素时，接地体可被等效成一个线性时不变系统。对于 线性时不变系统，系统的网络函数： h ：塑 ( 2 2 ) e ( s ) 式中，尺( s ) 为响应象函数的拉氏变换，e ( s ) 为激励象函数的拉氏变换。当尺( s ) 和e ( s ) 由系统的同一端口取得时，网络函数具有输入阻抗和输入导纳的特性，即 即) = 哿姗加器 ( 2 3 ) 而对于同一线性时不变系统，在频域内网络函数是唯一的，所以有 盟：三垃 ( 2 4 ) u 1 ( s ) u 2 p ) 整理( 2 4 ) 式得到： 观 ) o ) = u o ) l o ) ( 2 5 ) 对( 2 5 ) 式两边分别进行反拉氏变换，以作边为例作如下演算： o ) o ) 2 工u 2 ( o e 讲d 吐 弦“d x 令x = t f ，贝0 f ；石+ f ，当x = 0 时，t f ；当x z o o 时，t = 0 0 ；d x d f ，贝0 有下式： f ：p 弘“d 面o 弘d x ；j ：h ： 矽( f 一了弘叫d t 当t f 5 0 v u s1 1 6 1 而一般带增益控制的运算放大器其转换速度& 远低于设计 的要求，且价格比较贵。视频运放的曰和s 。两项指标都极易满足，但其增益一般都 不允许太高，而且货源较少，不利于产品设计开发。考虑到各种因素，最后选择了l m 2 1 8 和多路模拟开关组成了程控增益放大电路。 l m 2 1 8 在士1 2 v 供电时，b = 1 5 m h z ，s r - - 7 0 v u s ( t y p i c a l ) ，输入电阻3 m 欧姆， 共模抑制比c m r r = 1 0 0 d b ，基本满足系统要求。运放增益通过模拟多路开关调节串联 在反馈回路中的电阻来实现。电路如图3 5 所示。 图3 5 程控增益放大电路 1 8 硕t 学位论文 运算放大器的增益用控制器p i c l 6 f 8 7 6 通过模拟开关7 4 h c 4 0 5 1 来控制，7 4 h c 4 0 5 1 在+ 5 v 单电源供电时，通态电阻在较大的带宽范围内保持在4 0 欧姆左右，而且比较稳 定，又由于这个电阻与反馈电阻串联但远小于反馈电阻，故其影响可忽略不计。同时为 了增加运放的稳定性，防止运放自激，可在反馈电阻上并联2 2 u f 的瓷片电容，可以起 到频率补偿的作用。运放输出端接r 的目的是为阻尼输出振荡，其值在3 0 1 0 0 欧之间， 可根据具体实验结果确定。 3 4 隔离与红外通讯 在进行冲击接地电阻测量时，必须产生一个与标准雷击电流波形相近的冲击电流， 将此电流注入接地装置，装置通过电流传感器和电压分压器采集电流信号和电压信号， 虽然在本测量系统中，注入接地体的电流非标准的雷击电流( 电流幅值远小于标准的雷 击电流幅值) ，但是在测量的过程中，由于速变大电流会引起空间电磁场发生变化，给 本来就比较微弱的测量信号带了巨大的干扰信号，而且可能会引起控制器的程序跑飞甚 至是死机，所以需要将测量装置的信号处理、计算部分与信号的采集部分作隔离，这样 不仅避免了冲击电流对装置测量部分的影响，也使系统的设计和调试更加方便、安全。 3 4 1 信号的隔离采集方案确定 由前述可知，要测量冲击接地电阻，需要有冲击电流发生装置产生入射电流，将此 电流注入接地体，通过采集接地体响应电压，通过换算的方法求出冲击接地电阻，然而 冲击电流发生器本身即为强干扰源，尤其是当冲击电流注入接地体的瞬间，会对土壤放 电，产生强的电磁干扰，如果不对仪器作特殊的处理，势必会影响测量和仪器的可靠性。 如果能将数据采集板与主控制板隔离，将改善系统的稳定性、提高抗干扰的能力。 目前主要有两种隔离方案，即直接隔离和间接和隔离，直接隔离一般选用变压器隔离和 光电隔离的方法。但根据本设计的实际特点：一方面要求隔离的电压较高，另一方面， 要求信号的传输失真度要小，所以以上两个方法被否定，因而也只能采取间接隔离的方 法1 1 7 1 0 间接隔离是指首先将模拟信号进行脉冲频率调制，将脉冲信号进行脉冲变压器隔离 或者光电耦合的隔离，最后将接收到的脉冲调制信号解调还原为模拟信号。根据本设计 的特点要求，本隔离方案最终选择将模拟信号进行脉冲频率调制的方法。具体的调制方 案如图3 6 所示1 1 7 1 0 取 信 被测信号 样 号 、霭 电 调 调频 路 理 封电 f n 脉冲 调压 接受 图3 6 信号采集隔离方案 1 9 基于d s p 的冲击接地电阻测量装置研冗与设计 图3 6 中，“v f 调频在数据采集板将测量信号进行电压频率的调制，通过光纤将 此调制信号发射出去，在主控制板，“f v 调压 解调该信号后送调理电路调理后送a d 转换，这样就实现了数据采集板与主控制板的隔离，使二者形成没有连接“浮地 ，同 时也有效降低了因冲击电流形成的空间磁场变化所引起的干扰，所以我们设计了基于红 外通讯与、f 变换的信号隔离方案，如图3 7 所示。 1 、高压信号的采集隔离方案 一。：一一。j l 一一 ：一一一j 图3 7 信号隔离方案 由图3 7 中可见，模拟信号的传递用v 腰、f 变换实现，而主控制板与采集板的通 讯则依赖于红外技术来实现。这样以来，信号采集板与主控制板之间就没有了直接的电 气连接，两个部分可以分开设计，非常利用产品的调试开发，为以后产品升级创造了条 件。 3 4 2 信号的隔离采集方案电路设计 图3 8 、3 9 为v f 、f n 变换电路，以美国b u r r b r o w n 生产的a d v f c 3 2 为核心，它既 可以实现模拟信号向脉冲频率信号调频，也能实现脉冲频率信号向模拟信号的调压，此 电路已经调试成功，若用光纤作为传输媒介，传输距离可达至u 1 0 0 c m ，完全满足本设计 的需求。试验证明，a d v f c 3 2 的变换线性度良好，在1 0 m 满刻度频率时，最大非线性误差 仅为0 0 1 ，而且在工业应用场合有很强的抗干扰能力n 7 1 。 f l 一】 现 l 缸， 1 2 1 2 lj 甩叠卜l l 姗拼i , 酣3 器 1 u b 1 l q 吞 娜 2i 发射部分电路 硕上学位论文 d 略l 扛_ k f k n d 图3 9 接收部分电路 3 4 3 红外通讯电路设计 鉴于对信号采集与处理的隔离，本电路要实现主控制板控制器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 与信 号采集板控制器p i c l 6 f 8 7 6 之间的红外通讯。 图3 1 0 为冲击电流发生器部分的红外收发电路，主控制板的电路与此完全相同，在 此不再赘述。本电路设计以p i c l 6 f 8 7 6 为控制核心，可以利用单片机片内集成的u s a r t 模块以串行工作的方式发送数据。利用m c p 2 1 2 0 来实现符合i r o a 协议的数据编码，最 后由红外收发器t m 4 1 0 0 完成光电转换和数字信号的接受和发送。 + i s 图3 1 0 红外通讯电路 m c p 2 1 2 0 是一款支持i r d a l 0 物理层协议的红外编码译码芯片，它可以将串口发 送的连续数据进行编码，使数据流转换成符合红外协议标准的脉冲串。在本设计中，采 集板控制器p i c l 6 f 8 7 6 通过片内的u s a r t 模块以串行方式发送给m c p 2 1 2 0 作编码处理； 2 1 基于d s p 的冲击接地电阻测量装置研究与设计 当m c p 2 1 2 0 接收到符合标准的脉冲信号时，它可以将此转换成符合u a r t 格式的串行数 据，可以被控制器直接读取。 t m 4 1 0 0 是符合串行红外数据通信标准的红外接收发送芯片，与i r d a l 2 兼容，传 输速度最大可达1 1 5 2 k b s 。它以独立封装的形式，集成了一个红外发射二极管和一个 p h o t o 角二极管以及一块低功耗模拟控制芯片1 1 7 。在错开4 5 度脚的情况下同样可以有 效传输，且最大距离为1 0 0 c m ，此性能完全能满足本设计的需求。 此电路利用红外协议芯片进行设计使整个通信电路外围简单、调试方便、软件短小 精悍。经实际调试，效果良好，达至了设计要求1 1 7 1 。 3 5 信号的a d 转换与数据存储 对于基于微控制器的测量系统而言，尤其是高速的数据采集系统，通常在a d 转换 器件与主控制器之间的接口方面存在以下问题。一方面，对于主控制器主频较低的控制 器，比如中低档的单片机，由于受到主频的限制，在一般情况下，控制器并不能实时的 读取a d 转换的结果，造成数据丢失；另一方面，对于主频较高的控制器，由于要实时 的读取a ，d 转换的结果，使得控制器无法再进行其他的工作，这在很大程度了浪费了控 制器的资源，所以必须在a d 转换与主控制器之间加缓冲器，以克服以上所提到的两种 问题。 对于本设计而言，所设计的冲击电流是1 0 3 5 0 u s 的非周期直流信号，所以这势必要 求本采集系统必须具备高速的数据采集能力，以获得满足设计要求的采样点数。为此， 本文设计了基于f i f o 的高速数据采样电路，电路结构框图如图3 1 1 所示。由图3 1 1 可 见，本设计是一个两路的数据采集系统，在逻辑电路的控制下，电流信号和电压信号经 过加转换后，先送到f i f o 作数据存储，整个数据采集流程完成后，d s p 通过在数据 总线读取转换结果。 图