钳型接地电阻测试仪的研究与设计_图文

1、互皇互中幽舟粪号，密龊单位代号：学号上海大学硕士学位论文憎钳型接地电阻测试仪的研究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

2、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

3、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单片机作为系统的处理核心，其内部集成有数模转换器（），模数转换器（）及可编程放大器等硬件设备。外围设备配置了键盘及点的液晶显示，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液晶屏上，此外仪器留有通信接口，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：接地电阻单片机选频检波微电流放大上海大学硕士学位论文，、则鹊，删，丘：血；，一一上海大学硕士学位论文、，：，上海大学硕士学位论文原创性声明本人声明：所呈

4、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！：兰上海大学硕士学位论文第一章绪论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

5、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。交流电器装置的接地中对变电站接地核防雷设施

6、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；及以上的发电厂、变电站接地网的接地电阻应不大于：大型或发电厂、变电站应不大于等。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

7、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；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

8、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、电压辅助极距地网这一要求。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：），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用双钳口测量技术

9、，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。接地电阻测试方法的发展与现状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，此时在被测接地体和电压极之间可获得一电压，通过测量该电流和电压值，根据欧姆定律，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。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。如图是使用安培计、伏特计的测量方法原理图：为电压表，为电流表，、为辅助地极，通过测量由电源沿两电

10、极流入地下的电流值，以及测量为辅助地极，通过测量由电源沿两电极流入地下的电流值，以及测量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。图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，接地棒距离地极为米，而辅助接地距离接地至少米。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。型摇表法五六十年代，苏联的型摇表取而代

11、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，此时在被测接地体和电压极之间可获得一电压，通过测量该电流和电压值，根据欧姆定律，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）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）距离被测地桩米左右，距被测地桩较远的一根辅助测试桩（称为）距离被测地桩米左右。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，在被测地桩和较远的辅助测试桩（称为）之间“灌入”电流，此时在被测地桩和辅助地桩之间可获

12、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：，无论在结构、体积、重量、测量范围、分度值、准确性，都要胜于”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系列为代表的典型仪器。图接地电阻测试仪原理图摇表式接地电阻测试仪的测试原理图如图之所示。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，发电机产生一的交流电流通过两极向地下供电，在之间就可以测到一个交流电压，电流互感器的次级绕组通过标准电阻也产生一个回

13、路，在两点之间也产生一个交流电压，由于检流器是加在晶体管的阳极与阴极之间，当调节电位器鼬，使之间电压与外来之间电压相等时，截止，则检流计无电流通过，指针指在中间平衡位置，即，假设标度盘满刻度为，读数为时，则：，若（）（）则詈：等：等（詈为电流互感器的电流比）（）就是被测到的接地电阻值，可以在刻度盘上读出。与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。，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，特别是对要求的以下地阻的测量。这种测量方法还有其他缺点：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

14、业的劳动强度。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。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。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系列没什

15、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。如法国公司生产的单钳式接地电阻测试仪称得上接地电阻测试的一大革命，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

16、法进行测量。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。测量以下地阻的误差较大，不能满足规定的，以下地阻的测量要求钳口内径小（一般为的圆口），对引线宽度大于的地网无法测量。目前的进口产品例如奥地利的、意大利的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，等种频率中自动选择。测量前，仪器先对接

17、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。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

18、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

19、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钳型接地电阻测试仪设计总体构思。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所示钳翌揍地电阻测试仪图钳型接地电阻测试仪的测量原理图图中为绕在仪器电压钳口内的电压信号发生器线圈匝数，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在被测接地回路内发生一个已知的恒定交流电压：三（）、式中，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。恒定交流电压在接地回路中产生一个电流：（）通过电磁感应，电

20、流被置于仪器钳口内的电流信号感应线圈打转换为（）电流经电流电压转换及放大滤波，通过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：旦（为比例系数）（）”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所示：卜苴显示卜片机一按键系输入统通信接口图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，液晶显示及通信接口。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

21、晶显示程序；干扰频率测量：正弦波激励电压信号的合成及输出；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所示：上海大学硕士学位论文图系统软件总体流程框图系统干扰信号分析与处理方法图现场干扰示意图上海大学硕士学位论文如图，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

22、具体分析如下：按照传播的途径分为：发电站变电站空间传播的电磁场干扰：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；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。按照信号的频段范围分为：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。与系统信号频率比较接近的干扰信号，称为近频干扰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

23、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

24、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（）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：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系统干扰信号处理过程示意图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

25、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，

26、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。三重屏蔽的设计（）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

27、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（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

28、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：图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，

29、一般将电磁屏蔽层接地。（）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：高饱和雀通低导磁牢层斗图圈瑚三圉，高导电率层爨鬻蒸霆蘩

30、篓图三重屏蔽原理低饱和磁通商肆磁率屡图翻需要注意的是，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

31、最高为，退火铜次之为，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，选择相对磁导率为的退火纯铁为第一重磁屏蔽层，选择相对磁导率为的坡莫合金作为第二重磁屏蔽层。材料名称相对电导率相对磁导率银退火铜金铬软铝硬铝锌铍黄铜镉镍青铜。铂锡硅钢纯铁（退火）坡莫合金蒙乃尔铜一镍合金考涅尔铁镍铬台金阿姆科铁（合金）不锈钢（）表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

32、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。（）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，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

33、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）、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。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（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初始磁导率（），最大导磁率，（）密度（岔）居里温度【）带材厚度（）。叠片系数表铁基纳米晶铁芯与坡莫合金铁芯以及硅钢片铁芯磁性能

34、对比上海大学硕士学位论文取向性硅钢片；纯铁；：坡莫合金；取向性坡莫合金；超级坡莫合金图坡莫合金与其它材料的磁化曲线（）钳口外形设计现有的电站接地线多采用扁：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：图钳口外形图（）线圈匝数选择在电压钳口原边加入正弦交流信号，得到不同线圈匝数下的电压传输比（表），对比后选择电压钳口线圈匝数为。线圈匝数传输比表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正弦交流信号，得到不同线圈匝数下的电流传输比（表），对比后选择电流钳口线圈匝数为。表电流传输比（）传感器设计总结本新型

35、钳型传感器与传统钳型传感器对比总结如表，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，狈量扁口形采用椭圆形内孔，可以同肘测导线气隙较大，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，可达不准确到测能准确跟踪信号波形变化，真试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

36、度低，只能测以上电数个数量级，可以测量到级流信号（同样大的钳口口径：的电流表钳型传感器特性对比表使用带通滤波器，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：从上的高频干扰到只有几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，系统的采样频率必须大于或等于信号最高频率矗的倍，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，需要使用带通滤波器，通用的

37、带通滤波电路原理图如图，感应信号经过带通滤波处理后，可以滤除信号中的高频及较低频干扰，得到一个较窄的在信号频带范围内的信号，便于后续的信号采样及数字滤波处理。图带通滤波电路原理图特定频率信号的检波带通滤波器是一个窄带滤波，带通滤波后的信号仍然有一定的带宽，一般可以达到但是如果接地回路中含有与信号频率比较接近的周期干扰信号，正好处于窄带滤波的信号频带内，这一近频干扰用一般的方法是很难滤掉的。原始的信号为时域信号，反映的是以时间为自变量的幅度的关系，从中无法看出信号的具体成分，可以设法把信号转换到频域进行处理。由傅立叶级数的基本概念可知，任意一个函数都可以分解为无穷多个不同频率正弦函数之和。正弦信

38、号是最规则的信号，由幅度、相位和频率三个参数即可完全确定，因此，对一个任意信号，都可以用多个不同频率、幅值、相位各异的正弦信号叠加来表示。此时，对于任一个信号又可以用其不同的频率、幅值组成来确定，这样，对信号的认识就由时域转变到了频域。当有用信号的频域特征与干扰背景噪声不同时，采用频域处理方法可以有效地将特定频率的有用信号分离出来。利用离傅立叶变换（）上海大学硕士学位论文对波形的采样值进行频谱分析，可以得到一系列谱线，每一条谱线对应一定频率的幅值或相位值，得到了幅度、相位和频率就可以确定一个正弦信号成分。离散傅立叶变换（）的定义时域上的连续时间信号（）经等时间间隔采样点后，得到一个列长为的离散

39、数字序列（），他的离散傅立叶变换定义为：（）】篁（），（）（）（）】（）：（啦！“，一）（）（）芝（）蛐（一）（）假定（）与（）是两个长度为的有限长数字采样序列，其各自的离散傅立叶变换分别为：（）（）】，（）（）】根据离散傅立叶变换的定义，可以计算得出：（）（）（）（），（曲为任意常数）（）可见离散傅立叶变换具有线性特性，多个正弦信号叠加后的合成信号的离散傅立叶变换，与单个信号进行离散傅立叶交换后再进行相加后的结果是一致的。离散傅立叶变换的检波滤波特性假设有个不同频率的正弦信号叠加在一起合成一个信号（）：材一（）（）（丘）（）为笫个正弦波信号的幅值，频率，相角对叠加信号（）的进行点等间隔采样，

40、可得到一个离散数字序列（），根据离散傅立叶变换的线性特性有：（）瞰）（）所以可以先对单个正弦波的采样序列进行离散傅立叶变换分析，假设有一正弦波信号：（）（）（）上海大学硕士学位论文、分别为此正弦波信号的幅值、频率、相角设定系统信号采样频率为，则采样时间：采样点数设为，即采样序列长度为，得到正弦波的点离散采样数字序列（）：（）（）（）一（）此点采样序列的离散傅立叶变换：（）：篁（）一：州：。（）（：！：二！：！：（册脓柏）一（肌缸坩）至专二扩蛳。了一“蝴（欧拉公式）：（桃。榔一（十删】。令，则有：等薹月（州一等驴毗）协删（）加叫厂坐勾妁（上海大学硕士学位论文由式（）只有可知当即只有当信号频率时，

41、第点的离散傅立叶变换才有一个值，而其它不同频率的正弦波信号在第点的值为，通过计算（），可以得到频率时的正弦波信号的幅值和相位可见，当输入信号的频率为时，（）的个值中只有（），其余皆为零。因此如果输入信号为若干个不同频率的信号的组合信号，经离散傅立叶变换后，在不同的值上，（）将有一一对应的输出，所以，离散傅立叶变换实质上对特定频率额信号具有选择性，具有检波滤波的作用。为离散付里叶变换的频率分辨率，采样的点数越多，频率分辨率越高。如图所示为离散傅立叶检波滤波示意图，相当于一个梳状滤波器，只有处的频率信号才能通过滤波器。离散傅立叶变换（）上垒孓（）：（卜（）图离散傅立叶检波滤波不慈图对信号进行离散傅

42、立叶变换时，系统采样频率，采样点数等参数选择应符合以下原则：当信号中最高频率为时，采样频矗率应满足奈奎斯特采样定律，即：也就是说采样时间间隔需要满足：酉信号采集的持续时间为：。百去式中为信号采样点数，为谱分析的频率分辨率离散傅立叶变换的采样点数需满足：式是满足给定标准的最少采样点数。上海大学硕士学位论文采样信号幅频特性，相频特性崎；薹等薹。案蛐扭一等蛐薹咖。等，薹哦一等蛐其中：妒芝（）（等为信号的实部，其中：（等）为信号的实部，信号的频率：罟信号的幅值：（）：正了信号的相位：驴：（旦（）窆（）（一詈信号的虚部（）一等）信号的虚部（）（）（）根据以上分析，通过离散傅立叶变换对采样数字序列进行变换后，可以对信号成分进行频谱分析，得到特定频率正弦波分量的幅频特性及相频特性。利用离散傅立叶变换对混合信号检波的仿真有三个不同频率的正弦波信号：（）（。），（）（冗“，（）（。）叠加后得到一个信号：（）（。）（。）（）（）三个不同正弦波及合成后信号的波形如图所示：上海大学硕士学位论文度幅度幅度幅度幅，时间图波形合成示意图对叠加信号以采样频率，采样点采样后的到一离散数字序列：（）（。）（。）（尢）式中：，蔓玉（）采样序列波形如图：图。合成信号采样波形图对此离散数字序列作离散傅立叶变换之后，通过仿真可得到合成信号的幅频特性和相频特性如图所示，由图可以看出，采样序列经过离散傅上海大学硕士学位论文