CN103675462B - 小电流雷电冲击接地阻抗测试方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种小电流雷电冲击接地阻抗测试方法及其装置。该装置包括冲击信号发生单元、冲击信号采样单元、信号处理单元和供电单元。该测试方法通过冲击信号发生单元产生冲击小电流信号注入接地装置，经接地装置流散入地，冲击信号采样单元采集流经接地装置的冲击电流以及其冲击电压，再经信号处理单元对冲击电流、冲击电压进行比较处理，得出冲击电流峰值I_m及冲击电压峰值U_m，最后结合冲击接地电阻的工程定义对I_m及U_m进行运算处理，从而获得冲击接地阻抗值。本发明装置能够输出幅值可达安培级的多种冲击电流信号，可有效模拟分析不同雷电作用下的接地装置冲击特性情况，且具有体积小巧、结构便携、安全性高、实用性好的特点，应用性较广。

Description

小电流雷电冲击接地阻抗测试方法及其装置

技术领域

本发明属于接地装置状态检测评估领域，涉及一种接地装置冲击接地阻抗测试方法及其装置，更具体的说，是一种基于小幅值冲击电流的接地装置冲击接地阻抗模拟测试方法及其装置。

背景技术

冲击接地阻抗是指当雷电流经接地装置流散入地时，接地装置与远方零电位点之间的阻抗值，它反映了电力系统接地装置对雷电流的整体泄散能力，是衡量、评估系统防雷性能的一项重要指标。当前国内、外相关行业领域对接地装置冲击接地阻抗的测试方式主要有：

1.在理论分析的基础上针对具体的接地装置建立数学物理模型，通过解偏微分方程或差分方程，从而计算求出接地装置的冲击接地阻抗。这种方法的缺点是建立数学物理模型困难，求解复杂繁琐，而且不同的接地装置对应不同的数学物理模型，通用性差，结果无法验证；

2.在实验室内按比例搭建一个等效的接地装置，然后通过模拟雷电作用情况的方式来测试接地装置冲击接地阻抗，此方式一般只适用于结构较简单的集中接地体的模拟实验，且实验电流要求较大，所需测试设备庞大，不便于现场的实测使用，实用性差；

3.通过将测试所得的工频接地电阻值乘以一个冲击系数，换算出冲击接地阻抗。实际上由于工频接地电阻与冲击接地阻抗分别是接地装置在不同特征电流下所表现出的接地特性，深受电流的散流特性、接地装置结构以及土壤状况等多重因素的影响，二者之间的关系复杂多变，采用冲击系数换算的方式来测试冲击接地电阻，过于片面，其有效性有待深究。

4.根据经验公式进行估算，虽然计算简单方便，但其缺点相较明显，此方式准确性低，仅适用于估算。

有鉴于此，本发明人针对当前行业领域中现有接地装置冲击接地阻抗测试方法及其装置存在的缺点进行深入研究，遂有本案产生。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种新型的接地装置冲击接地阻抗测试方法和相关装置，该测试方法是通过输出一个幅值较小、波形参数符合标准雷电波要求的冲击电流信号来进行测试，该测试装置具有结构便携、安全性高、实用性强等特点，便于户外现场冲击接地阻抗测试评估工作的开展。

为实现上述目的，本发明所设计的小电流雷电冲击接地阻抗测试方法，通过如下方案实现：

通过冲击信号发生单元产生冲击小电流信号注入接地装置，经接地装置流散入地，冲击信号采样单元捕捉采集流经接地装置的冲击电流以及产生的冲击电压，再经信号处理单元对采样的冲击电流、冲击电压进行滤波、峰值检测比较处理，获得冲击电流峰值I_m及冲击电压峰值U_m，最后结合冲击接地电阻的工程定义R=U_m/I_m，对比较所得的冲击电流峰值I_m及冲击电压峰值U_m进行运算处理，从而获得冲击接地阻抗值。

为了实现上述方法而专门设计的雷电冲击接地阻抗测试装置，它包括：高压转换模块、稳压模块、充电电容模块、波形存储模块、D/A转换模块、功率放大模块、开关控制输出模块、冲击电流采样模块、冲击电压采样模块、滤波模块、录波模块、峰值检测模块、A/D转换模块、ARM处理器、可编程FPGA模块、可充电电池以及电平变换模块；其中：高压转换模块、稳压模块、充电电容模块、波形存储模块、D/A转换模块、功率放大模块以及开关控制输出模块连接构成冲击信号发生单元，用于产生并输出一个幅值较小、波形参数符合标准雷电波要求的冲击小电流信号；冲击电流采样模块及冲击电压采样模块构成冲击信号采样单元，用于捕捉采集接地装置上的冲击电流、冲击电压；滤波模块、录波模块、峰值检测模块、A/D转换模块、ARM处理器和可编程FPGA模块连接构成信号处理单元，用于对采样信号进行滤波、峰值检测比较、运算处理及录波；可充电电池及电平变换模块构成供电单元，为整个测试装置提供电能。

进一步地，该冲击信号发生单元可产生0.25/100us、1/20us、1.2/50us、4/10us、8/20us、10/350us和30/80us冲击波形信号。

进一步地，该冲击信号发生单元的开关控制输出模块接收该冲击信号采样单元反馈的测试回路情况，并与该功率放大模块、充电电容模块共同作用，实现与测试回路最优匹配的冲击电流信号输出。

进一步地，该信号处理单元的录波模块可实时记录冲击测试信号波形。

进一步地，该供电单元的可充电电池采用便携式铅酸蓄电池。

进一步地，该冲击信号发生单元、冲击信号采样单元、信号处理单元以及供电单元均集成装配在ABS工程注塑材质的pelican塘鹅机箱内，装置外观尺寸大小为345mm×300mm×150mm（长×宽×高），重量为5.5kg。

本发明与现有技术相比，充分显示其优越性在于：

本发明的雷电冲击接地阻抗测试装置基于小幅值冲击电流测试原理，并采用可充电铅酸蓄电池作为供电电源，无需外接大功率交流电源，且产生的冲击测试电流仅为安培级，远低于传统大电流法kA级以上的测试电流，具有体积小巧、结构便携、安全性高、实用性强的特点，便于户外现场接地装置冲击接地阻抗测试工作的开展。此外，本发明装置还能产生多种冲击电流波形，可反映不同雷电波形下接地装置的冲击特性情况。

附图说明

图1为本发明的小电流雷电冲击接地阻抗测试方法的原理示意图；

图2为本发明的雷电冲击接地阻抗测试装置的电路模块结构示意图。

图中：

冲击信号发生单元A冲击信号采样单元B

信号处理单元C供电单元D

高压转换模块1稳压模块2

充电电容模块3波形存储模块4

D/A转换模块5功率放大模块6

开关控制输出模块7冲击电流采样模块8

冲击电压采样模块9滤波模块10

录波模块11峰值检测模块12

A/D转换模块13ARM处理器14

可编程FPGA模块15可充电电池16

电平变换模块17。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1-2所示，本发明的小电流雷电冲击接地阻抗测试方法的关键部分包括：冲击信号发生单元A、冲击信号采样单元B以及信号处理单元C。测试时，通过冲击信号发生单元A产生并输出一个幅值较小、波形参数符合标准雷电波要求的冲击小电流信号，并注入接地装置中，通过冲击信号采样单元B捕捉采集流经接地装置的冲击电流以及接地装置上的冲击电压，再由信号处理单元C分析比较得出冲击电流峰值I_m及冲击电压峰值U_m，并结合冲击接地阻抗的工程定义R=U_m/I_m，最终求出被测接地装置的冲击接地阻抗值。

本发明的雷电冲击接地阻抗测试装置，如图2所示，包括：冲击信号发生单元A、冲击信号采样单元B、信号处理单元C和供电单元D。该冲击信号发生单元A、冲击信号采样单元B、信号处理单元C以及供电单元D均集成装配在ABS工程注塑材质的pelican塘鹅机箱内，装置外观尺寸大小为345mm×300mm×150mm（长×宽×高），重量为5.5kg。

供电单元D由可充电电池16及电平变换模块17连接构成，由电平变换模块17输出低压直流信号为整个测试装置提供电能。

冲击信号发生单元A由高压转换模块1、稳压模块2、充电电容模块3、波形存储模块4、D/A转换模块5、功率放大模块6以及开关控制输出模块7连接构成，用于产生并输出幅值较小、波形参数符合标准雷电波要求的冲击小电流信号。其中，由高压转换模块1接受来自电平变换模块17输出的低压直流信号，高压转换模块1、稳压模块2和充电电容模块3依次连接，充电电容模块3与功率放大模块6双向连接；波形存储模块4和D/A转换模块5依次连接后连接至功率放大模块6，功率放大模块6和开关控制输出模块7双向连接。

冲击信号采样单元B由冲击电流采样模块8和冲击电压采样模块9构成，分别用于捕捉采集接地装置上的冲击电流和冲击电压。冲击电流采样模块8和冲击电压采样模块9的输出端分别连接至下述滤波模块10的输入端；冲击信号采样单元B中的冲击电流采样模块8和冲击电压采样模块9的反馈输出端还连接至上述开关控制输出模块7的反馈输入端。

信号处理单元C由滤波模块10、录波模块11、峰值检测模块12、A/D转换模块13、ARM处理器14和可编程FPGA模块15构成，用于对采样信号进行滤波、峰值检测比较、运算处理及录波。其中，由滤波模块10接受分别来自冲击电流采样模块8和冲击电压采样模块9的冲击电流和冲击电压，滤波模块10的一输出端依次连接峰值检测模块12、A/D转换模块13、ARM处理器14和可编程FPGA模块15，滤波模块10的另一输出端通过录波模块11与可编程FPGA模块15相连，且录波模块11受可编程FPGA模块15的控制。

测试时，由供电单元D的电平变换模块17提供一个低压直流信号，此低压直流信号经高压转换模块1后转变为高压信号，再经稳压模块2进行稳压处理后，对充电电容模块3进行充电，为功率放大模块6的信号放大处理和信号输出提供能量，同时波形存储模块4提供一个初始的冲击波形数字信号，经D/A转换模块5转换为模拟信号，再由功率放大模块6进行信号幅值放大，以获取足够高的测试精度，最后通过开关控制输出模块7控制冲击测试信号的输出与关断。另外，优选的，开关控制输出模块7可接收冲击信号采样单元B反馈的测试回路情况，并与功率放大模块6、充电电容模块3共同作用，实现与测试回路最优匹配的冲击电流信号输出。

当冲击信号发生单元A产生并向被测接地装置注入一个幅值较小、波形参数符合标准雷电波要求的冲击测试信号后，通过冲击电流采样模块8及冲击电压采样模块9捕捉采集被测接地装置上的冲击电流信号及冲击电压信号，采样信号经滤波模块10滤波处理后，送至录波模块11并在可编程FPGA模块15的控制下进行录波，同时送至峰值检测模块12进行峰值检测比较处理，获取冲击电流信号峰值I_m及冲击电压信号峰值U_m，再经A/D转换模块13将模拟信号转换为数字信号，送入ARM处理器14中并结合冲击接地电阻工程定义R=U_m/I_m进行运算处理，最后将求得的被测接地装置的冲击接地电阻测量值送至可编程FPGA模块15作进一步处理、存储和显示。

本发明的雷电冲击接地阻抗测试装置基于小幅值冲击电流测试原理，内部的可充电电池16采用便携式铅酸蓄电池，通过电平变换模块17为装置各单元、模块提供电能，能够输出幅值可达安培级且波形参数符合IEC、GB等标准要求的多种冲击电流信号，包括0.25/100us、1/20us、1.2/50us、4/10us、8/20us、10/350us、30/80us等，可有效模拟分析不同雷电作用下的接地装置冲击特性情况，且具有体积小巧、结构便携、安全性高、实用性好的特点，应用性较广。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种小电流雷电冲击接地阻抗测试装置，其特征在于包括：冲击信号发生单元、冲击信号采样单元、信号处理单元和供电单元；其中：

高压转换模块、稳压模块、充电电容模块、波形存储模块、D/A转换模块、功率放大模块以及开关控制输出模块连接构成冲击信号发生单元，由高压转换模块接受来自电平变换模块输出的低压直流信号，高压转换模块、稳压模块和充电电容模块依次连接，充电电容模块与功率放大模块双向连接；波形存储模块和D/A转换模块依次连接后连接至功率放大模块，功率放大模块和开关控制输出模块双向连接，开关控制输出模块连接被测接地装置，用于产生并输出一个幅值较小、波形参数符合标准雷电波要求的冲击小电流信号；

冲击电流采样模块及冲击电压采样模块构成冲击信号采样单元，冲击电流采样模块和冲击电压采样模块的输出端分别连接至下述滤波模块的输入端；该冲击电流采样模块和冲击电压采样模块的反馈输出端还连接至上述开关控制输出模块的反馈输入端，冲击电流采样模块和冲击电压采样模块的输入端连接接地装置，用于捕捉采集接地装置上的冲击电流和冲击电压；

滤波模块、录波模块、峰值检测模块、A/D转换模块、ARM处理器和可编程FPGA模块连接构成信号处理单元，由滤波模块接受分别来自冲击电流采样模块和冲击电压采样模块的冲击电流和冲击电压，滤波模块的一输出端依次连接峰值检测模块、A/D转换模块、ARM处理器和可编程FPGA模块，滤波模块的另一输出端通过录波模块与可编程FPGA模块相连，且录波模块受可编程FPGA模块的控制，用于对采样信号进行滤波、峰值检测比较、运算处理及录波；

供电单元由可充电电池及电平变换模块连接构成，由电平变换模块输出低压直流信号至高压转换模块为整个测试装置提供电能；

测试时，由供电单元的电平变换模块提供一个低压直流信号，此低压直流信号经高压转换模块后转变为高压信号，再经稳压模块进行稳压处理后，对充电电容模块进行充电，为功率放大模块的信号放大处理和信号输出提供能量，同时波形存储模块提供一个初始的冲击波形数字信号，经D/A转换模块转换为模拟信号，再由功率放大模块进行信号幅值放大，最后通过开关控制输出模块控制冲击测试信号的输出与关断，当冲击信号发生单元产生并向被测接地装置注入一个幅值较小、波形参数符合标准雷电波要求的冲击测试信号后，通过冲击电流采样模块及冲击电压采样模块捕捉采集被测接地装置上的冲击电流信号及冲击电压信号，采样信号经滤波模块滤波处理后，送至录波模块并在可编程FPGA模块的控制下进行录波，同时送至峰值检测模块进行峰值检测比较处理，获取冲击电流信号峰值I_m及冲击电压信号峰值U_m，再经A/D转换模块将模拟信号转换为数字信号，送入ARM处理器中并结合冲击接地电阻工程定义R=U_m/I_m进行运算处理，最后将求得的被测接地装置的冲击接地电阻测量值送至可编程FPGA模块。

2.如权利要求1所述的一种小电流雷电冲击接地阻抗测试装置，其特征在于，该冲击信号发生单元可产生0.25/100us、1/20us、1.2/50us、4/10us、8/20us、10/350us和30/80us冲击波形信号。

3.如权利要求1所述的一种小电流雷电冲击接地阻抗测试装置，其特征在于，该冲击信号发生单元的开关控制输出模块接收该冲击信号采样单元反馈的测试回路情况，并与该功率放大模块、充电电容模块共同作用，实现与测试回路最优匹配的冲击电流信号输出。

4.如权利要求1所述的一种小电流雷电冲击接地阻抗测试装置，其特征在于，该冲击信号发生单元的录波模块可实时记录冲击测试信号波形。

5.如权利要求1所述的一种小电流雷电冲击接地阻抗测试装置，其特征在于，该可充电电池采用便携式铅酸蓄电池。

6.如权利要求1所述的一种小电流雷电冲击接地阻抗测试装置，其特征在于，该冲击信号发生单元、冲击信号采样单元、信号处理单元以及供电单元均集成装配在ABS工程注塑材质的pelican塘鹅机箱内，装置外观尺寸大小为345mm×300mm×150mm，重量为5.5kg。