CN104155525A

CN104155525A - 一种多频扫描式杆塔接地电阻测量装置及方法

Info

Publication number: CN104155525A
Application number: CN201410203574.9A
Authority: CN
Inventors: 刘国华; 朱云祥; 于洪来; 柴松刚; 李为; 程来
Original assignee: State Grid Corp of China SGCC; Quzhou Power Supply Co of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Current assignee: State Grid Corp of China SGCC; Quzhou Power Supply Co of State Grid Zhejiang Electric Power Co Ltd
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2014-11-19
Anticipated expiration: 2034-05-14
Also published as: CN104155525B

Abstract

一种多频扫描式高压杆塔接地电阻测量装置及方法，它包括现场测量装置和后台数据处理中心；所述现场测量装置包括用于供电的电源模块、用于注入不同频率电流的自动扫频激励源模块、信号采集模块、用于控制的中央处理器模块、液晶显示模块、GPRS无线通讯模块、串行数据输出模块；所述电源模块、自动扫频激励源模块、信号采集模块、液晶显示模块、GPRS无线通讯模块、串行数据输出模块分别于中央处理器模块连接，自动扫频激励源模块和GPRS无线通讯模块分别与信号采集模块连接；本发明的测量装置及方法布极简单，不需要断开接地引线，在很大程度上提高了接地电阻测量工作的效率，且多频扫描的测量方法能够避免杆塔接地电感对测量的影响。

Description

一种多频扫描式杆塔接地电阻测量装置及方法

技术领域

本发明涉及杆塔接地电阻测量技术领域，特别涉及一种多频扫描式高压杆塔接地电阻测量方法及装置。

背景技术

高压输电线路作为电力系统的连接枢纽，运行环境复杂，容易遭受雷击。避雷线作为输电线路最基本的防雷措施之一，既保护线路免受雷电直击，同时也与支撑杆塔、接地装置共同构成雷电流的泄流通道。其中接地装置由埋在大地中的接地体及接地引线构成，是整个泄流通道最重要的部分，而接地电阻是衡量接地装置的主要参数。当雷电流经泄流通道流入大地时，接地装置上的压降将使避雷线获得一个对地电位，如果接地电阻过大将导致避雷线电位升高产生反击过电压使线路跳闸。因此杆塔接地电阻值直接影响输电线路的跳闸次数，对电网的运行有至关重要的作用。符合规程要求的接地电阻是安全、稳定地输送电力的保证，因此准确、高效地测量杆塔接地电阻值具有重要的工程意义。目前常用的测量杆塔接地电阻的方法主要有：

1)电位降法

电位降法测量时需布置电压极和电流极两个辅助电极，通过改变中间电压极的位置，测量得到接地体和电压极之间的电位降曲线，并认为曲线中的饱和段电压为接地体相对于无穷远处电压，因此计算该电压与注入电流比值即可得到接地电阻的测量值。但电位降法测量接地电阻需反复测量，工作量大，且不易绘制电位降曲线，现场操作困难。

2)三极法

三极法是基于电压、电流原理，由接地体G、电流极C、电压极P构成的测量系统。测量时，先布置好电压极和电流极，然后向待测接地体注入电流，并测量电压极上的电压，经过计算得到接地电阻。三极法在土壤电阻率低、地势平坦等测量点，具有准确性较高，性能稳定等优点。但三极法测量必须断开接地引线，又实际中杆塔数量众多，如果每个杆塔都断开接地线，大大增加了工作人员劳动强度和测量时间，效率低下。

3)高频并联法

高频并联法采用与三极法相同的辅助电极布置方式，但测量时不断开接地引线。此时如果仍然采用低频或工频测量电流，则测得的杆塔接地电阻值为所有杆塔接地电阻的并联值，其值远远小于被测杆塔的实际接地电阻值。同时，当测量电流频率较高时，小型接地网电感效应不能忽略。所以此时高频并联法测量杆塔接地电阻时误差较大。

4)大电流法

大电流法是在三极法的基础上，通过增大注入测试电流提高信噪比以增加测量准确性，通常使用50-100A的电流。这在测量时就需要具有一定长度以及一定宽度的实验电流引线和相当容量的实验电流源，并且为了保证测量的准确性，还需要同时满足实验电流大但电流极接地电阻小，以上在实际测量中实现起来比较困难。

总体来说，目前接地电阻测量方法均存在各自的不足，主要表现为：需要断开接地引线、限制条件多、误差较大等，因此需要研发一种能高效、准确、无需断开接地引线测量杆塔接地电阻的系统，以提高检修效率，降低工作人员劳动强度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题提供一种高效、准确的多频扫描式杆塔接地电阻测量装置及方法，该测量装置布极简单，且不需要断开接地引线。其通过注入多组不同频率的电流测量杆塔接地电阻，对测量得到的多组数据应用数据拟合处理的方法实现杆塔接地电阻的计算，使测量误差较小，测量方便准确。

为实现上述目的，本发明可以通过以下技术方案来实现：一种多频扫描式高压杆塔接地电阻测量装置，它包括现场测量装置和后台数据处理中心。

所述现场测量装置包括用于供电的电源模块、用于注入不同频率电流的自动扫频激励源模块、信号采集模块、用于控制的中央处理器模块、液晶显示模块、GPRS无线通讯模块、串行数据输出模块；所述电源模块、自动扫频激励源模块、信号采集模块、液晶显示模块、GPRS无线通讯模块、串行数据输出模块分别与中央处理器模块连接，自动扫频激励源模块和GPRS无线通讯模块分别与信号采集模块连接；

所述自动扫频激励源模块的输出端与杆塔接地引下线连接，测量端与信号采集模块的输入端连接，输入端与用于控制的中央处理模块连接。

其中自动扫频激励源模块包括波形发生器模块和电压控电流源VCCS模块；信号采集模块包括信号放大模块、信号滤波模块和有效值转换模块；

所述后台数据处理中心包括数据处理模块和PC机。

一种多频扫描式高压杆塔接地电阻测量方法，它包括如下步骤：

(1)确定三极布极方式，引入电压极和电流极两个辅助电极，建立引入电压极和电流极两个辅助电极布置方式的测量模型图；

(2)简化等效电路模型，确立多频扫描式杆塔接地电阻准确测量条件为杆塔接地电阻的计算式的导数式为零；

(3)分析多频扫描式测量得到一组离散接地阻抗值，根据建立的简化等效电路模型，确定多频扫描法扫频范围为1kHz-10kHz；

(4)获取测量信号：通过自动扫频激励源模块注入符合本发明方法测量要求的不同频率的电流，利用采集到的电压、电流信号得出各个频率所对应的接地电阻值，将每种频率下测量得到的数据信号全部输入中央处理器模块；

(5)将上述得到的数组测量值，利用最小二乘法处理测量数据，求得被测杆塔的最佳测量频率点，进而准确计算被测杆塔接地电阻值；

(6)将计算出的杆塔接地电阻值输出至液晶显示模块进行相应的显示，并通过GPRS无线通讯模块将被测杆塔接地电阻值发送至后台数据处理中心；

(7)后台数据处理中心将接收到的数据进行自动处理，包括监控并记录一条输电线路杆塔近来接地电阻值的变化情况，用曲线图的方式来预测线路杆塔接地电阻的变化趋势，对接地电阻值超过国家规定要求的杆塔进行声光报警，并显示杆塔的具体位置，通知其检查。

本发明的工作过程为:通过自动扫频激励源模块注入符合本发明方法测量要求的不同频率的电流，利用采集到的电压、电流信号得出各个频率所对应的接地电阻值，根据杆塔接地电阻准确在线测量的条件(杆塔接地电阻的计算式的导数式为零)，利用导数的定义算出各个频率点对应的接地电阻的导数值，利用最小二乘拟合法(使整体误差到的最小)找到频率与杆塔接地电阻倒数值之间的关系式，找出接地电阻倒数为零的点(实际中找最小值点)所对应的频率值，由于此频率值是在准确在线测量的条件下找的测量频率，所以将此频率带入杆塔接地电阻的计算式，从而可以准确得到杆塔接地电阻值。最后将计算出的杆塔接地电阻值输出至液晶显示模块进行相应的显示，若超出国家规定的接地电阻值范围则进行相应的报警提示，通知其检修。并通过GPRS无线通讯模块将被测杆塔接地电阻值发送至后台数据处理中心，以期得到杆塔接地电阻的变化趋势，作出更好的预测。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：本发明的测量装置布极简单，不需要断开接地引线，在很大程度上提高了接地电阻测量工作的效率，且多频扫描的测量方法能够避免杆塔接地电感对测量的影响。通过注入多组不同频率的电流测量杆塔接地电阻，对测量得到的多组数据应用数据拟合处理的方法(最小二乘法)实现杆塔接地电阻的计算，使测量误差较小，测量方便且更加准确；并且测量的杆塔接地电阻值可以通过GPRS无线通信模块将数据传送至后台数据处理中心，数据处理中心PC机上的软件根据接收的数据对杆塔接地电阻变化趋势进行预测，以便使其做好预处理工作，更好的维护高压杆塔周围环境安全，使电力输电线路可靠的运行。

附图说明

图1是本发明的整体系统原理示意图；

图2是本发明的现场测量装置结构图；

图3是本发明的自动扫频激励源模块结构图；

图4是本发明的信号采集模块结构图；

图5是本发明现场测量装置的工作流程图；

图6是利用三极法断开接地引线测量杆塔接地电阻布极图；

图7是高频并联法不断开接地引线测量杆塔接地电阻模型图；

图8是高压杆塔接地参数等效电路模型；

图9是多频扫描式杆塔接地电阻测量等效电路模型；

图10是杆塔接地电阻在线测量等效电路简化模型；

图11是又一杆塔接地电阻在线测量等效电路简化模型。

图12是实地测得接地阻抗对电流频率f导数的曲线图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作详细的说明：如图1所示，本发明所述的多频扫描式高压杆塔接地电阻测量装置，它包括现场测量装置1和后台数据处理中心2。

如图2所示，所述现场测量装置1包括用于供电的电源模块11、用于注入不同频率电流的自动扫频激励源模块12、信号采集模块13、用于控制的中央处理器模块14、液晶显示模块15、GPRS无线通讯模块16、串行数据输出模块17；所述电源模块11、自动扫频激励源模12块、信号采集模块13、液晶显示模块14、GPRS无线通讯模块16、串行数据输出模块17分别于中央处理器模块14连接，自动扫频激励源模块12和GPRS无线通讯模块16分别与信号采集模块13连接；所述自动扫频激励源模块12的输出端与杆塔接地引下线连接，测量端与信号采集模块13的输入端连接，输入端与用于控制的中央处理模块14连接。

其中自动扫频激励源模块12包括波形发生器模块121和电压控电流源(VCCS)模块122；信号采集模块13包括信号放大模块131、信号滤波模块132和有效值转换模块133，分别见图3和图4。

所述后台数据处理中心包括数据处理模块和PC机。

本发明所述自动扫频激励源模块12的输出端接杆塔接地引下线，测量杆塔接地电阻；信号采集模块的输入端接自动扫频激励源模块12的测量端；自动扫频激励源模块12和信号采集模块13都受中央处理器模块14的控制，使其产生有效的测量激励信号和对测量得到的电压、电流信号进行相应的处理；液晶显示模块15的输入端接中央处理器14模块，后者控制其进行接地电阻值的显示；GPRS无线通讯模块16通过通信接口电路与中央处理模块14相连；串行数据输出模块17与中央处理器模块14相连对杆塔接地电阻值记忆拷贝，以便更好对杆塔接地电阻值变化趋势做出预测，更好实现杆塔接地电阻的维护；电源模块11分别为自动扫频激励源模块12、信号采集模块13、中央处理器模块14、GPRS无线通讯模块15供电。

本发明的工作流程为：如图5所示，利用自动扫频激励源模块将可变频高频信号通过杆塔接地引下线注入接地体中，利用三极布极原理形成的测量回路，在自动扫频激励源模块测量端采集测量信号，信号采集模块将采集到的测量信号预处理后送入中央处理器模块，中央处理器模块换算处理测量信号后将测量结果通过液晶显示模块和GPRS无线通讯模块进行显示和传送，线路负责人员接收到GPRS无线通讯模块发来的信息后，根据接收的信息作出相应的处理；或由串行数据输出模块对被测杆塔接地电阻值在一段时间内的记忆进行输出，根据记忆的接地电阻值进行被测杆塔接地电阻变化趋势的预测，以便更好地维护高压杆塔周围环境安全。

下面对各个模块作详细的介绍：

(a)电源模块11是整个系统有效运行的基础，而由于系统功能模块较多，各模块的供电电压不相同，因此需要对锂电池的电压进行转换处理以保障装置正常有效运行。自动扫频激励源模块中VCCS模块的PA05芯片供电电压范围为15V至45V，因此可采用使用寿命较长的20V锂电池组串联引出±20V电压。而信号放大模块与信号滤波模块中OP37芯片一般供电电压为±15V，故需用7815与1915芯片进行降压处理输出正负15V电压以满足要求。另中央处理器模块所需电压为5V，可采用高性能的LM2576-5.0芯片实现电压转换。

(b)、自动扫频激励源模块12是整个装置产生测量信号的源头，它由波形发生器模块和电压控电流源模块在中央处理器模块的控制下有效工作。波形发生器模块采用的是AD公司生产的AD9833可编程波形发生芯片，在中央处理模块的控制下产生测量所需要的异频波形。而波形发生器模块产生的波形信号达不到测量所需求的信号幅值，所以利用以PA05芯片为核心的电压控电流源模块进行信号放大，在两者的协同工作下产生本系统测量所需要的激励信号。

(c)、信号采集模块13用来采集将激励信号注入接地体后的测量电压、电流信号，在自动扫频激励源模块的测量端取信号，由于采集到的信号是交流信号，而中央处理器模块只能处理直流信号，故需要先将交流信号转变为直流信号，所以需要一个有效值转换模块，这里采用AD公司生产的AD637芯片将交流信号转变为直流信号，而AD637芯片的最佳转换电压为0.7-7V，自动扫频激励源模块测量端的信号输出为0.4-4V，所以需要一个二倍的放大，利用OP37芯片及外围电路可以很好的实现信号放大，以此基础上形成了信号放大模块，又由于测量得到的信号具有工频干扰等，需要对其进行滤波处理，经过信号滤波模块处理后的信号方可输入有效值转换模块，最后得到中央处理器模块可以处理的测量信号。

(d)、中央处理器模块14采用美国Microchip公司的高性能微处理器PIC18F4420，通过编程控制自动扫频模块产生测量所需的波形信号，对测量得到的信号进行换算处理，最后得出被测杆塔的接地电阻值，通过液晶显示模块和GPRS无线通讯模块进行杆塔接地电阻值的显示、记忆和预测。

(e)、液晶显示模块15采用12864点阵液晶进行杆塔接地电阻值的显示。

(f)、GPRS无线通讯模块16采用西门子公司的MC39I模块，通过通信接口电路的匹配后实现将中央处理器模块计算出的杆塔接地电阻值发送至后台数据处理中心，后台数据处理中心根据接收并在数据处理软件上分析处理所接收到的数据；

所述后台数据处理中心2包括数据处理模块22和PC机23；

a)、数据处理模块22自动处理从现场测量终端通过GPRS网络发来的数据，如监控并记录一条输电线路杆塔近来接地电阻值的变化情况，用曲线图的方式来预测线路杆塔接地电阻的变化趋势，对接地电阻值超过国家规定要求的杆塔进行声光报警，并显示杆塔的具体位置，通知其检查；

b)、PC机23作为运行数据处理模块的载体，支持数据处理模块的运行；

本发明利用电压极、电流极两个电极进行布极，利用自动扫频激励源模块向被测杆塔接地体中注入符合杆塔准确测量要求频率范围内的激励电流信号，通过信号采集模块将采集的电压、电流信号经过放大、滤波、转换处理后输入中央处理器模块计算被测杆塔接地电阻值，同时将测量得到的杆塔接地电阻值通过液晶显示模块现场实时显示，并且通过GPRS无线通讯模块将被测杆塔接地电阻值发送至后台数据处理中心，得到杆塔接地电阻的变化趋势。

本发明所述多频扫描式杆塔接地电阻测量方法，是在确定布极方式以后进而推导出实现准确测量的条件，再依据建立的等效测量电路模型，计算出需要注入的为避免杆塔接地电感对测量影响的激励信号频率范围，利用以上所述的现场测量装置测取电压、电流值，对测量得到的数据在满足准确测量条件的基础上应用数据拟合的方法进行数据处理，最后求得接地电阻值。其主要包括以下步骤：

1、确定三极布极方式，引入电压极和电流极两个辅助电极；

本发明采用多频扫描方法测量杆塔接地电阻的布极方式是一种简单易行、测量准确的方法，在土壤电阻率均匀、地形平坦的条件下可以准确的测量杆塔接地电阻。本发明的测量方法在布极时引入电压极和电流极两个辅助电极。当接地体G与辅助电压极P、辅助电流极C布置在一条直线上时(即为如图6所示的辅助电极布置方式)，接地体、大地和电流极共同构成电流回路，注入接地体中的测量电流流经土壤后由电流极流出，大地中电位发生变化，测量电压极与接地体之间的电压U和电流极与接地体中的电流I得到接地电阻值R。三极布极的方法在理论上可以准确地测量杆塔接地电阻值，并受到国内外标准推荐而广泛使用，但准确测量时必须完全断开接地引线而影响测量效率。如果不断开接地引线进行测量，仍然使用低频或工频测量电流，则测得的接地电阻值R_loop为通过避雷线与周围杆塔形成并联回路的并联值，即其中R_x是被测杆塔接地电阻，此时测量结果极不准确。引入电压极和电流极两个辅助电极布置方式的测量模型如图7所示。基于上述问题，在引入辅助电极布极方式下可以充分利用避雷线电感L，提高测量电流频率，增大避雷线感抗X_L，这样可以近似认为被测杆塔与周围杆塔是断开的。此外，该布极方式在建立模型时杆塔接地体的电感对测量也有一定的影响，在测量电流频率保持单一较高值的情况下，埋设于土壤中有限长均匀水平接地体建立模型时需要考虑接地体电感的作用，接地阻抗随通入接地体电流频率与土壤相对磁导率增大而增大。因此，根据现场地形及土壤性质、测量电流频率等因素综合考虑接地电感效应，该方法采用了扫频的方式解决不断开接地引线情况下应用两个辅助电极测量不准确的问题，能很好地适应现场情况。

综上所述，本发明提出的杆塔接地电阻测量方法的布极方式采用引入电压、电流两个辅助电极的布极方式(测量方便、准确)，汲取不断开接地引线方便测量的优点，实现杆塔接地电阻的准确方便测量。

2、确立多频扫描法杆塔接地电阻准确测量条件；

利用上述布极的方式需要确保测量的准确性，所以就需要找到一个在上述布极方式下准确测量的条件，在满足准确测量条件的基础上进行的测量为有效测量。

杆塔接地体对应的决定避雷线电位升高的接地参数呈现为一个接地阻抗Z＝R+jX＝R+jωL_x(电容效应在一般情况下不明显)，等效电路如图8所示。当注入直流或工频电流时，感性分量不明显，接地阻抗值Z等于接地电阻值R。随着频率和土壤电阻率的提高，电感效应越来越明显。基于图7和图8可以等效出多频扫描式杆塔接地电阻测量电路模型如图9所示，在进行杆塔接地电阻测量的过程中一个明确可行的必要条件是保证测量杆塔接地电阻时不断开接地引线测量的有效性和准确性，因此通过对杆塔接地电阻测量等效电路模型分析，提出了杆塔接地电阻准确在线测量的必要条件，并进行了简化分析。

在图9中，注入电流I分为I₁和I₂(下文中所有计算符号均为模值)，其中I₁经由杆塔接地体流回电流极，而I₂通过接地引线流向杆塔、避雷线，并通过土壤回到电流极。

则接地阻抗在线测量值为：

Z = \frac{U}{I} - - - (1)

而实际接地阻抗值为：

Z_{x} = \frac{U}{I_{1}}

设接地体分流系数代入式(1)得接地阻抗在线测量值为：

Z = \frac{U}{I} = \frac{k_{1} U}{I} = k_{1} Z_{x}

则接地阻抗在线测量值Z与接地电阻准确值R_x的绝对误差为：

Δ = Z - R_{x} = k_{1} Z_{x} - R_{x} = k_{1} \sqrt{R_{x}^{2} + {(2 πf L_{x})}^{2}} - R_{x} - - - (2)

由式(2)可知，要使接地阻抗测量值与接地电阻实际值相等即：Z＝R_x，则测量绝对误差：

Δ = k_{1} \sqrt{R_{x}^{2} + {(2 πf L_{x})}^{2}} - R_{x} = 0

因此得出杆塔接地电阻准确在线测量的严格必要条件为：

k₁＝1且2πfL_x＝0 (3)

又由图9可知虽然实际中k₁<1且2πfL_x≠0，但可以从工程应用出发在一定允许误差范围内接近上述条件，即：

k₁≈1且2πfL_x≈0 (4)

由式(4)可知，不断开接地引线准确测量的必要条件虽然为实现杆塔接地电阻准确在线提供了判定条件，但由于需要同时满足k₁≈1和2πfL_x≈0两个相对独立的条件，且实际工程测量中测量得到的为离散接地阻抗值，很难基于上述条件实现判定，因此需要对杆塔接地电阻准确测量必要条件进一步分析简化，以适应实际工程测量需要。为便于必要条件的计算分析，需要对杆塔接地测量模型进行等效简化，得到图10所示的杆塔接地电阻不断开接地引线测量等效电路简化模型。

设待求杆塔两侧的避雷线感抗、避雷线电阻、杆塔电阻、杆塔感抗总和为Z_eq＝jωL_eq+R_eq，等效电路图如图10所示。设避雷线分流系数则k₁ ²+k₂ ²＝1，因此可将杆塔接地电阻在线准确测量必要条件式转化为：

k₂≈0且2πfL_x≈0

由图10知：

k_{2} = \sqrt{\frac{R_{x}^{2} + {(2 πf)}^{2} L_{x}^{2}}{{(R_{eq} + R_{x})}^{2} + {(2 πf)}^{2} {(L_{eq} + L_{x})}^{2}}}

另设系数

k_{3} = \sqrt{\frac{R_{x}^{2} + ω^{2} L_{x}^{2}}{R_{x}^{2} + ω^{2} {(L_{eq} + L_{x})}^{2}}},

则可得：

k_{2} = \sqrt{\frac{R_{x}^{2} + {(2 πf)}^{2} L_{x}^{2}}{{(R_{eq} + R_{x})}^{2} + {(2 πf)}^{2} {(L_{eq} + L_{x})}^{2}}} < \sqrt{\frac{R_{x}^{2} + ω^{2} L_{x}^{2}}{R_{x}^{2} + ω^{2} {(L_{eq} + L_{x})}^{2}}} = k_{3}

因此当k₃≈0时，由k₂>0可知此时k₂≈0，即必要条件等效为：k₃≈0且2πfL_x≈0，所以根据系数可得出：图10中等效电路模型可简化为如图11所示等效电路模型，且不影响推导结论。

由图11中简化等效电路可计算得出：杆塔接地阻抗测量值随测量电流频率变化的关系式为：

(f) = \sqrt{\frac{{(2 πf)}^{4} L_{eq}^{2} L_{x}^{2} + R_{x}^{2} {(2 πf)}^{2} L_{eq}^{2}}{R_{x}^{2} + {(2 πf)}^{2} (L_{eq}^{2} + {2 L}_{eq} L_{x} + L_{x}^{2})}} - - - (5)

将ω＝2πf代入式(5)，则杆塔接地阻抗测量值为：

Z (ω) = \sqrt{\frac{ω^{4} L_{eq}^{2} L_{x}^{2} + R_{x}^{2} ω^{2} L_{eq}^{2}}{R_{x}^{2} + ω^{2} {(L_{eq} + L_{x})}^{2}}} - - - (6)

对式(6)求导得：

Z^{'} (ω) = \frac{L_{eq} ({2 ω}^{2} L_{x}^{2} + R_{x}^{2}) [R_{x}^{2} + ω^{2} {(L_{eq} + L_{x})}^{2}] - {ωL}_{eq} (ω^{3} L_{x}^{2} + R_{x}^{2} {ωL}_{eq}) {(L_{eq} + L_{x})}^{2}}{[R_{x}^{2} + ω^{2} {(L_{eq} + L_{x})}^{2}]^{2} \sqrt{\frac{ω^{2} L_{x}^{2} + R_{x}^{2}}{R_{x}^{2} + ω^{2} {(L_{eq} + L_{x})}^{2}}}} - - - (7)

将准确在线测量严格必要条件：且X_x＝ωL_x＝0，代入式(7)得：

Z^{'} (ω) = \frac{R_{x} ω^{2} L^{3} - R_{x} ω^{2} L^{3}}{ω^{3} L_{eq}^{3}} = 0 - - - (8)

故Z′(ω)＝0为简化后的严格必要条件。而如前所述，实际中k₁<1且2πfL_x≠0，所以仅能尽量满足Z′(ω)≈0。

又由(8)式知Z′(ω)>0，因此Z′(ω)_min在所有接地阻抗导数值中最接近0，因此在线(不断开接地引线)测量必要条件简化为：

Z′(ω_t)＝Z′(ω)_min (9)

3、确定多频扫描法扫频范围

要实现杆塔接地电阻准确测量，需要进行多频扫描式测量得到一组离散接地阻抗值，因此首先需要对测量的扫频范围进行分析。由杆塔接地电阻简化等效电路及准确在线测量必要条件k₁≈1且2πfL_x≈0时，可得：

2πfL_x＜＜R_x＜＜2πfL_eq

将上式转换为注入电流频率f的不等式为：

\frac{R_{x}}{{2 πL}_{eq}} < < f < < \frac{R_{x}}{2 π L_{x}} - - - (11)

将R_x＝1Ω，L_x＝10uH，L＝10mH代入式(11)中得：

15.9Hz＜＜f＜＜15.9kHz (12)

由式(12)并结合实际测量需要，杆塔接地电阻多频扫描式不断开接地引线测量方法扫频范围设定为1kHz-10kHz，即对1kHz-10kHz范围内每隔1kHz进行测量。

实际测量中所得均为离散的杆塔接地阻抗值Z(f)，而准确不断开接地引线测量接地电阻的必要条件却是对接地阻抗导数值进行判定，因此需要先对测量得到的数据进行预处理求得导数值Z′(f)。

根据函数求导公式知：

Z^{'} (f) = \lim_{Δf &RightArrow; 0} \frac{Z (f + Δf) - Z (f)}{Δf} - - - (13)

只要(13)式中Δf值足够小，则可转化为：

Z^{'} (f) = \frac{Z (f + Δf) - Z (f)}{Δf} = 0 - - - (14)

因此由式(14)可知，通过测量一组电流频率为f和f₁＝f+Δf(Δf很小)对应的接地阻抗值Z(f)和Z(f+Δf)，就能计算得到一组电流频率f与测量值Z′(f)的离散值。为计算简便，令式(14)中的Δf＝0.1f。综上所述，测量频率点的选取1k,1.1k,2k,2.2k…9k,9.9k,10k,11k。

4、获取测量信号

确定多频扫描式接地电阻测量频率范围以后，通过自动扫频激励源模块向被测杆塔接地体中注入测量范围内的各个频率信号，利用信号采集模块将每种频率下测量得到的数据全部输入中央处理器模块，此时便可以对测量获取的信号进行处理。

5、利用最小二乘法处理测量数据，求得被测杆塔的准确接地电阻值

利用现场测量终端中的自动激励源模块12注入在扫频范围内的测量激励信号，并得到数组测量值，而杆塔工频接地电阻不断开接地引线准确测量需求解多项式Z′(f)＝0，但测量值预处理后所得均为存在误差的离散数据，因此为使数据在整体上误差最小，能更好地反映其变化趋势，可采用最小二乘多项式拟合分析数据，方法如下：

对Z′(f)的一组数据(f_i,Z_i′)(i＝0,1,2,...,n)，存在函数：

取Φ_m＝span{1,f,f²,…,f^m}，ω_i≡1，m<n，则法方程为：

[\begin{matrix} n + 1 & Σ_{i = 0}^{n} f_{i} & Σ_{i = 0}^{n} {f_{i}}^{2} & \cdot \cdot \cdot & Σ_{i = 0}^{n} {f_{i}}^{m} \\ Σ_{i = 0}^{n} f_{i} & Σ_{i = 0}^{n} {f_{i}}^{2} & Σ_{i = 0}^{n} {f_{i}}^{3} & \cdot \cdot \cdot & Σ_{i = 0}^{n} {f_{i}}^{m + 1} \\ Σ_{i = 0}^{n} {f_{i}}^{2} & Σ_{i = 0}^{n} {f_{i}}^{3} & Σ_{i = 0}^{n} {f_{i}}^{4} & \cdot \cdot \cdot & Σ_{i = 0}^{n} {f_{i}}^{m + 2} \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ \cdot & \cdot & \cdot & \cdot \\ Σ_{i = 0}^{n} {f_{i}}^{3} & Σ_{i = 0}^{n} {f_{i}}^{4} & Σ_{i = 0}^{n} {f_{i}}^{5} & \cdot \cdot \cdot & Σ_{i = 0}^{n} {f_{i}}^{2 m} \end{matrix}] [\begin{matrix} a_{0} \\ a_{1} \\ a_{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ a_{m} \end{matrix}] = [\begin{matrix} Σ_{i = 0}^{n} Z_{i}^{'} \\ Σ_{i = 0}^{n} Z_{i}^{'} f_{i} \\ Σ_{i = 0}^{n} Z_{i}^{'} {f_{i}}^{2} \\ \cdot \\ \cdot \\ \cdot \\ Σ_{i = 0}^{n} Z_{i}^{'} {f_{i}}^{m} \end{matrix}] - - - (15)

由拟合曲线可知，Z′(f)为一个抛物线函数，表达式为二次多项式，并根据扫描频率范围可将式(15)简化得：

[\begin{matrix} 10 & Σ_{i = 0}^{9} f_{i} & Σ_{i = 0}^{9} {f_{i}}^{2} \\ Σ_{i = 0}^{9} f_{i} & Σ_{i = 0}^{9} {f_{i}}^{2} & Σ_{i = 0}^{9} {f_{i}}^{3} \\ Σ_{i = 0}^{9} {f_{i}}^{2} & Σ_{i = 0}^{9} {f_{i}}^{3} & Σ_{i = 0}^{9} {f_{i}}^{4} \end{matrix}] [\begin{matrix} a_{0} \\ a_{1} \\ a_{2} \end{matrix}] = [\begin{matrix} Σ_{i = 0}^{9} Z_{i}^{'} \\ Σ_{i = 0}^{9} Z_{i}^{'} f_{i} \\ Σ_{i = 0}^{9} Z_{i}^{'} {f_{i}}^{2} \end{matrix}] - - - (16)

将扫频测量并预处理后得到的数据代入式(16)中即可求出：

Z′(f)＝a₂f²+a₁f+a₀ (17)

在实际应用中由于式(17)恒正，而准确测量的条件需求解Z′(f)＝0，所以需要求出使得Z′(f)最接近零的f值，故对式(17)求导并令其值为0，算得特征测量频率为：

f_{0} = - \frac{a_{1}}{{2 a}_{2}} - - - (18)

将拟合求得的a₁与a₂带入式(18)可得测量的特征频率f₀，由于此时的f₀是在准确测量条件下求出的测量频率，故带入式(5)可得被测杆塔的准确接地电阻值Z(f)。

6、将计算出的杆塔接地电阻值输出至液晶显示模块进行相应的显示，若超出国家规定的接地电阻值范围则进行相应的报警提示，通知其检修。并通过GPRS无线通讯模块将被测杆塔接地电阻值发送至后台数据处理中心，以期得到杆塔接地电阻的变化趋势，作出更好的预测。

7、后台数据处理中心将接收到的数据进行自动处理，包括监控并记录一条输电线路杆塔近来接地电阻值的变化情况，用曲线图的方式来预测线路杆塔接地电阻的变化趋势，对接地电阻值超过国家规定要求的杆塔进行声光报警，并显示杆塔的具体位置，通知其检查。

实施例：

在本发明技术方案的基础上进行实地测量，并对数据做进一步分析：

为验证多频扫描式不断开接地引线测量方法的有效性及准确性，在重庆江津局双津线路上进行了实际杆塔的实地测量，并进行了试验和数据分析，测得数据如下：

表一实地试验数据

Fig.1.field survey test data

电流频率/kHz	测量电压/V	测量电流/A	Z(f)/Ω	Z'(f)/Ω/kHz
					1	0.227	0.266	0.852	0.320
1.1	0.238	0.269	0.884
					2	0.240	0.263	0.912	0.169

[0135]

2.2	0.241	0.255	0.946
				3	0.244	0.254	0.952	0.097
3.3	0.241	0.246	0.981
				4	0.234	0.235	0.992	0.061
4.4	0.230	0.226	1.014
				5	0.226	0.223	1.015	0.013
5.5	0.221	0.216	1.021
				6	0.216	0.211	1.022	0.002
6.6	0.209	0.204	1.023
				7	0.206	0.201	1.025	0.001
7.7	0.201	0.196	1.026
				8	0.196	0.191	1.027	0.005
8.8	0.188	0.182	1.031
				9	0.186	0.180	1.032	0.014
9.9	0.177	0.170	1.044
				10	0.175	0.167	1.045	0.028
11	0.167	0.156	1.073

由上表数据根据本发明提出的方法得出拟合二次多项式：Z′(f)＝0.008f²-0.1142f+0.392，绘出曲线如图12所示，即实地测得接地阻抗对电流频率f导数(Grounding impedance derivative for current frequency measured in filed)。

令Z″(f)＝0，得出：f＝6.84kHz，测得电阻值R₁＝1.020Ω。又接地电阻准确值为R＝1Ω，则相对误差率为：

η = | \frac{R_{1} - R}{R} | \times 100 % = | \frac{1.020 - 1}{1} | \times 100 % = 2 %

由上式计算结果知测量相对误差较小，且偏向安全侧，说明该杆塔接地电阻在线测量方法在实际测量中具有较好的效果。

本发明设计的是一种多频扫描式杆塔接地电阻测量方法及装置，能够在不需要断开接地引线的情况下准确测量杆塔的接地电阻值，并且采用了最小二乘拟合的数据处理方法使测量误差达到最小，是一种行之简单、有效、准确的测量方法。现场测量装置结构图如图2所示，自动扫频激励源模块通过杆塔接地引线向接地体中注入频率可变的电流信号，信号采集模块采集电压、电流信号经放大、滤波、交直流有效值转换后送入中央处理器模块(单片机)，单片机处理送入数据，将计算结果通过液晶显示模块进行显示，同时利用GPRS无线通讯模块将计算结果发送至后台数据处理中心，后台数据处理中心根据接收的数据描绘杆塔接地电阻变化曲线，对杆塔接地电阻的变化趋势做出预测，以使电力输电线路可靠的运行。

Claims

1.一种多频扫描式高压杆塔接地电阻测量装置，其特征在于：它包括现场测量装置(1)和后台数据处理中心(2)。

2.根据权利要求1所述的多频扫描式高压杆塔接地电阻测量装置，其特征在于：所述现场测量装置(1)包括用于供电的电源模块(11)、用于注入不同频率电流的自动扫频激励源模块(12)、信号采集模块(13)、用于控制的中央处理器模块(14)、液晶显示模块(15)、GPRS无线通讯模块(16)、串行数据输出模块(17)；所述电源模块(11)、自动扫频激励源模块(12)、信号采集模块(13)、液晶显示模块(15)、GPRS无线通讯模块(16)、串行数据输出模块(17)分别于中央处理器模块(14)连接，自动扫频激励源模块(12)和GPRS无线通讯模块(16)分别与信号采集模块(13)连接；

所述自动扫频激励源模块(12)的输出端与杆塔接地引下线连接，其测量端与信号采集模块(13)的输入端连接，输入端与中央处理模块(14)连接；

其中自动扫频激励源模块(12)包括波形发生器模块(121)和电压控电流源(VCCS)模块(122)；信号采集模块(13)包括信号放大模块(131)、信号滤波模块(132)和有效值转换模块(133)。

3.根据权利要求1所述的多频扫描式高压杆塔接地电阻测量装置，其特征在于：所述后台数据处理中心(2)包括数据处理模块(22)和PC机(23)。

4.一种利用权利要求1或2或3所述的多频扫描式高压杆塔接地电阻测量装置的方法，其特征在于，它包括如下步骤：

(3)分析多频扫描式测量得到一组离散接地阻抗值，根据杆塔接地电阻简化模型，确定多频扫描法扫频范围为1kHz-10kHz；

(6)将计算出的杆塔接地电阻值输出至液晶显示模块进行相应的显示，并通过GPRS无线通讯模块将被测杆塔接地电阻值发送至后台数据处理中心。