CN101236222A - 运用冲击电流测量接地网电阻和电感的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明为运用冲击电流测量接地网电阻和电感的系统和方法，解决雷电流流过接地网时的接地阻抗、电阻和电感的测量问题。冲击电流发生器(B)的输入与隔离变压器(A)的输出连接，隔离多压器(A)的输入与交流电源连接，冲击电流发生器(B)的输出经硅堆(C)和保护电阻(D)对电容(I)进行充电，可控硅(G)控制电容(I)对测试回路放电，分流电阻(F)、可调电感(E)和等效地网(H)串联于电容(I)的放电回路中，串联的第一、第二分压电阻(M₁，M₂)与等效地网(I)并联。分流电阻(F)和第二分压电阻(M₂)与A/D转换器(J)的输入连接，A/D转换器的输出与微处理器(K)连接。

Description

运用冲击电流测量接地网电阻和电感的系统和方法

技术领域：

本发明与电力系统模拟在雷电流流过地网时的接地参数的测量系统和方法有关。

背景技术：

在2006年最新的测量导则中，规定用接地阻抗代替接地电阻的概念。这使得接地装置的参数概念更加准确，也为电力系统接地测量地提出了新的要求。我们知道，通常所说的接地电阻并不是接地装置的纯电阻，而是含电抗分量在内的接地阻抗，它分为工频接地阻抗和冲击接地阻抗。工频电流向大地散流时接地介质呈现的阻抗为工频接地阻抗，雷电流(冲击电流)流过接地装置呈现的阻抗为冲击接地阻抗。且接地装置对冲击电流所呈现的阻抗是与工频接地阻抗和直流电阻不同的。目前的接地阻抗测试仪一般只能测出接地装置的工频接地阻抗和直流电阻，所以研制用冲击电流测量接地阻抗系统是非常有必要的。

发明内容：

本发明的目的是提供一种抗干扰能力强，测量精度高，测量简单实用的运用冲击电流测量接地网电阻和电感的系统和方法。

本发明是这样实现的：

本发明运用冲击电流测量接地网电阻和电感的系统，冲击电流发生器B的输入与隔离变压器A的输出连接，隔离多压器A的输入与交流电源连接，冲击电流发生器B的输出经硅堆C和保护电阻D对电容I进行冲电，可控硅G控制电容I对测试回路放电，分流电阻F、可调电感E和等效地网H串联于电容I的放电回路中，串联的第一、第二分压电阻M₁，M₂与等效地网I并联。分流电阻F和第二分压电阻M₂与A/D转换器J的输入连接，A/D转换器的输出与微处理器K连接。

冲击电流发生器B为6倍压电路，由串连的六个电容C₁-C₆和并联的6个二极管D₁-D₆组成。

第一、第二分压电阻M₁，M₂的阻值在2-20KΩ范围内可调，分流电阻F和第一、第二分压电阻M₁，M₂为无感电阻器。

电感E为可调电感。

系统的测量方法，包括如下步骤：

(1)计算机读入A/D转换器输出的二进制电压U信号、电流I信号数据经转换单元转换为十进制数据U(t_i)和I(t_i)，i为采集的数据点数排序值，采集的数据点数n由A/D转换器的采样频率确定：n＝fT，其中f为采样频率，T为采样周期，

(2)快速付立叶变换单元把U(t_i)和I(t_i)变换为频域内的频率和幅值的对应关系U(ω_i)和I(ω_i)，ω为基频， $\mathrm{\ω}=\frac{f}{n},$

(3)阻抗计算单元计算冲击阻抗 $Z\left({\mathrm{\ω}}_i\right)=\frac{U\left({\mathrm{\ω}}_i\right)}{I\left({\mathrm{\ω}}_i\right)},i=\mathrm{1,2},...n,$

(4)计算单元计算频域内的一组电阻分量R(ω_i)和电感分量L(ω_i)，

$R\left({\mathrm{\ω}}_i\right)=\sqrt{(i^2{Z}_i^2-{Z_{i+1}}^2)/(i^2-1)}$

$L\left({\mathrm{\ω}}_i\right)=\sqrt{(Z_{i+1}^2-Z_i^2)/(i^2-1){\mathrm{\ω}}^2},i=\mathrm{1,2},...n-1,$

(5)计算单元计算电阻R、电感L，

$R=\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}R\left({\mathrm{\ω}}_i\right)}{n-1};L=\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}L\left({\mathrm{\ω}}_i\right)}{n-1}.$

本发明运用冲击电流作为模拟雷电的测量电流，并用一套较新的计算方法计算接地参数，该方法能把电阻和电抗分量分开，能测量出其它方法不能测出的冲击接地阻抗。测量装置简单，便于操作，抗干扰能力强，测量精度高，有较高的工程实用价值。

附图说明：

图1为本发明的电路原理图。

图2为冲击电流发生器的电路原理图。

图3为本发明的计算机程序的流程图

具体实施方式：

本发明的硬件主要是冲击电流发生器和数据采集装器。冲击电流发生器的设计思想是：在箱体绝缘足够的情况下，尽量小型化，便于携带。根据实际工程的要求，冲击电流发生器设计为输出电压可调，最大电压5kV，波头较陡的冲击电流波形。冲击电流发生器电源采用220V交流供电电源，经倍压整流电路对1～10KV、10～200μF(主机电容为10μF，可并接更大的外接充电电容L)的电容I充电，充电完毕后切断电源，控制可控硅G导通，电容I对放电回路进行放电。冲击电流发生器可以通过调节分压电阻和电感得到所需要的冲击电流波形。本发明的图1中的各元器件如下所示：

A：隔离变压器

B：6倍压电路。电容6个(CJ41-2 630V-4μF)，二极管6个；

C：硅堆(2DL 1A10kV)

D：保护电阻(RX20-200W)

E：电感线圈(线圈直径7cm，7匝)

F：分流电阻(RX20-200W)

可控硅控制开关(控制充电电容放电)

G：可控硅开关

H：等效地网

I：电容(充电电容5kV，50uF)

J：10bitAD采样器(ADS805E)

K：586EX微处理器(ELANSC520-133)，进行时序逻辑控制，数据处理，程序计算(见软件计算部分)

L：外接充电电容

M₁，M₂：分压电阻(RX20-200W)

测量电流取自220V交流，自隔离变压器A传输到B，在B内经6倍放大后经C放电，D为回路保护电阻。E为可调电感，充电电容I充电完成后，可控硅开关G控制放电。F为分流电阻，H为等效地网，AD转换器经F、M₂上分别采得电流、电压模拟信号并转换为数字信号后送入微处理器K进行数据分析计算，

通过数据采集器采集到电压、电流数据以后传送到计算机进行处理，计算机软件应能计算出接地体的电阻、电感和冲击接地阻抗。

对于冲击接地阻抗的计算，根据冲击接地阻抗的定义，最大电压值与最大电流值的比值即为冲击接地阻抗值。本方法采用频谱分析方法，在频域内，相同频率下电压与电压之比为此频域下的冲接地阻抗值。然后选择其稳定下求其平均值。

如何把接地阻抗的电阻和电抗分量分开，得出接地体的电阻和电感，是冲击测量法重点研究的问题，本发明的具体算法如下：

(1)计算机读入A/D转换器输出的二进制电压U信号，电流I信号数据经转换单元转换为十进制数据U(t_i)和I(t_i)，i为采集的数据点数的排序值，采集的数据点数n由A/D转换器的采样频率确定，n＝fT，其中f为采样频率，T为采样周期，

(2)快速付立叶变换单元把U(t_i)和I(t_i)变换为频域内的频率和幅值的对应关系U(ω_i)和I(ω_i)，ω为基频， $\mathrm{\ω}=\frac{f}{n},$

(3)阻抗计算单元计算冲击阻抗 $Z\left({\mathrm{\ω}}_i\right)=\frac{U\left({\mathrm{\ω}}_i\right)}{I\left({\mathrm{\ω}}_i\right)},i=\mathrm{1,2},...n,$

(4)计算单元计算频域内的一组R(ω_i)和L(ω_i)

$R\left({\mathrm{\ω}}_i\right)=\sqrt{(i^2{Z}_i^2-{Z_{i+1}}^2)/(i^2-1)}$

$L\left({\mathrm{\ω}}_i\right)=\sqrt{(Z_{i+1}^2-Z_i^2)/(i^2-1){\mathrm{\ω}}^2},i=\mathrm{1,2},...n-1,$

(5)计算单元计算R、L

$R=\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}R\left({\mathrm{\ω}}_i\right)}{n-1};L=\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}L\left({\mathrm{\ω}}_i\right)}{n-1}.$

二进制数据为A/D转换器从分压电阻、分流电阻上采集到的电压U信号、电流I信号。计算机软件将二进制的U和I数据经转换后变为十进制数据U(t_i)、I(t_i)，其中i为采集的数据点数的排序值，如采样频率为1MHz，那么一个工频周期0.02s，共得采集2×10⁴个数据点，那么n＝2×10⁴。U(t_i)，I(t_i)为时域内时间和幅值对应关系。经快速傅立叶变换后得到电压、电流频域内频率和幅值对应关系U(ω_i)，I(ω_i)。冲击阻抗 $Z\left({\mathrm{\ω}}_i\right)=\frac{U\left({\mathrm{\ω}}_i\right)}{I\left({\mathrm{\ω}}_i\right)}.$ 通过公式计算出R(ω_i)和L(ω_i)后，求其平均值R，L。

Claims (6)

1、运用冲击电流测量接地网电阻和电感的系统，其特征在于冲击电流发生器(B)的输入与隔离变压器(A)的输出连接，隔离多压器(A)的输入与交流电源连接，冲击电流发生器(B)的输出经硅堆(C)和保护电阻(D)对电容(I)进行冲电，可控硅(G)控制电容(I)对测试回路放电，分流电阻(F)、可调电感(E)和等效地网(H)串联于电容(I)的放电回路中，串联的第一、第二分压电阻(M₁，M₂)与等效地网(I)并联，分流电阻(F)和第二分压电阻(M₂)与A/D转换器(J)的输入连接，A/D转换器的输出与微处理器(K)连接。

2、根据权利要求1所述的系统，其特征在于冲击电流发生器(B)为6倍压电路，由串连的六个电容C₁-C₆和并联的6个二极管D₁-D₆组成。

3、根据权利要求1所述的系统，其特征在于第一、第二分压电阻((M₁，M₂)的阻值在2-20KΩ范围内可调，分流电阻(F)和第一、第二分压电阻(M₁，M₂)为无感电阻器。

4、根据权利要求1所述的系统，其特征在于电感(E)为可调电感。

5、根据权利要求1所述的系统的测量方法，包括如下步骤：

(1)计算机读入A/D转换器输出的二进制电压U信号、电流I信号数据经转换单元转换为十进制数据U(t_i)和I(t_i)，i为采集的数据点数排序值，采集的数据点数n由A/D转换器的采样频率确定：n＝fT，其中f为采样频率，T为采样周期，

(2)快速付立叶变换单元把U(t_i)和I(t_i)变换为频域内的频率和幅值的对应关系U(ω_i)和I(ω_i)，ω为基频， $\mathrm{\ω}=\frac{f}{n},$

(3)阻抗计算单元计算冲击阻抗 $Z\left({\mathrm{\ω}}_i\right)=\frac{U\left({\mathrm{\ω}}_i\right)}{I\left({\mathrm{\ω}}_i\right)},i=\mathrm{1,2},...n,$

(4)计算单元计算频域内的一组电阻分量R(ω_i)和电感分量L(ω_i)，

$R\left({\mathrm{\ω}}_i\right)=\sqrt{(i^2{Z}_i^2-{Z_{i+1}}^2)/(i^2-1)}$

$L\left({\mathrm{\ω}}_i\right)=\sqrt{(Z_{i+1}^2-Z_i^2)/(i^2-1){\mathrm{\ω}}^2},i=\mathrm{1,2},...n-1,$

(5)计算单元计算电阻R、电感L，

$R=\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}R\left({\mathrm{\ω}}_i\right)}{n-1};L=\frac{\underset{i=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}L\left({\mathrm{\ω}}_i\right)}{n-1}.$

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于步骤(1)中A/D转换器采样频率f与采样周期T为使用者自行设定，f最高可设定为1MHz，T一般设为一个工频周期0.02s即可满足采样要求，则采样点数n必须满足n＝fT＝2^k，k为正整数。

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