CN104777368A - 交流变频接地电阻在线监测仪及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种交流变频接地电阻在线监测仪及检测方法，检测仪包括机壳和内部机芯电路，所述的机壳的前面板设置有显示屏和按键，所述机壳的后面板上设置有C极接口、E极接口、Es极接口、P极接口和通讯接口；所述的内部机芯电路包括主控制器MCU、通讯模块、变频恒流源和外设部件，所述的主控制器MCU分别与通讯模块、变频恒流源和外设部件连接。该监测仪适用于长期定点对接地电阻的监测。可以根据用户的不同需求而设置不同的采样间隔，采样后的数据可通过无线网络远程传输至客户端，也能通过本地有线数据传输至客户端，可以实现多机集中监测，同时监测仪可设定报警门限值，以提示用户被监测地网是否在合理范围内。

Description

交流变频接地电阻在线监测仪及检测方法

技术领域

本发明涉及一种交流变频接地电阻在线监测仪及检测方法。

背景技术

目前国内接地电阻在线监测仪器仪表比较薄弱，市面上常见的在线监测仪主要归为两类：非接触接地电阻在线监测仪即回路接地电阻监测仪和三极法地电阻在线监测仪。

回路接地电阻监测仪的基本原理是测量回路电阻。传感器先给被测接地回路一个激励脉冲信号，在被测回路上感应一个脉冲电势E，在电势E的作用下将在被测回路产生电流I。传感器对E及I进行测量，并通过公式：R＝E/I即可得到被测回路电阻。根据回路监测仪的测量原理得知，它是对接地网回路电阻的测量，在架空地线和地网连接点比较多的情况下，就需要对多个回路进行测量并综合计算才能算出近似的接地阻抗，这种情况下显然比较麻烦。被测回路电流是靠激励线圈的脉冲信号感应而得，测试电流不会很大，这样抗干扰的能力就相对比较弱。

三极法地电阻在线监测仪是基本原理是在辅助电流C极和地网之间注入一个恒流脉冲信号或正弦交流信号形成电流I，在此两极之间安装一个测试电压P极来获取电压U并通过公式：R＝U/I即可得到被测接地电阻。由于电流回路和电压测量回路共用了接地测量线(接地网和仪器之间的连接线)的线阻所以此法的测量电流不能太大，否则会导致测量结果偏差较大。而且由于接地测量线的长度不是确定的，线阻的值也不确定，也不能通过固定补差来反应真实值。由于测量电流不能太大，也不能应用于中大型接地网的测试。

目前国内接地电阻的测试大多数还是采用人工定期测量并记录保存，这种方法不但效果不好，费用开支还不小，由此提出在线定时监测系统。当然市面上已有上述两种在线监测仪，但是仍然解决不了实际的问题。

在对接地装置测量时，由于受各种杂波、射频等信号的干扰，使得测量结果产生一定的误差。特别是在大型接地网(一般小于0.8Ω)，干扰带来的误差会更大。而一般为了消除这些误差而提出有两种方法：增大测试电流和异频法。第一种方法增大测试电流，从而提高信噪比。根据DL/T475-2006标准不宜小于50A，可以想象一下要达到这样电流级别是多么大的一个设备。异频法则改变了测试电流的频率避开了工频的干扰，从而提高了测试的准确度。因此我们提出一种交流变频接地电阻在线监测仪。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种交流变频接地电阻在线监测仪及检测方法，该监测仪适用于长期定点对接地电阻的监测。可以根据用户的不同需求而设置不同的采样间隔，采样后的数据可通过无线网络远程传输至客户端，也能通过本地有线数据传输至客户端，可以实现多机集中监测，同时监测仪可设定报警门限值，以提示用户被监测地网是否在合理范围内。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：交流变频接地电阻在线监测仪，它包括机壳和内部机芯电路，所述的机壳的前面板设置有显示屏和按键，所述机壳的后面板上设置有C极接口、E极接口、Es极接口、P极接口和通讯接口；所述的内部机芯电路包括主控制器MCU、通讯模块、变频恒流源和外设部件，所述的主控制器MCU分别与通讯模块、变频恒流源和外设部件连接。

所述的通讯接口为RS232接口、RS485接口、RS422接口和以太网接口中的一种或多种。

所述的变频恒流源包括真有效值计算单元、恒流调节模块、电流互感器、电压互感器和正弦合成电路；所述的真有效值计算单元分别与恒流调节器、电流互感器和电压互感器连接，恒流调节器还与正弦合成电路连接；所述的电流互感器通过E极接口与地网连接，电压互感器分别通过Es极接口和P极接口与地网连接，正弦合成电路通过C极接口与地网连接。

所述的通信模块包括GPRS模块、CDMA模块和以太网模块。

所述的外设部件包括信息存储器和实时时钟。

所述的真有效值计算单元为硬件IC：CS5460A，它包括程控放大器、数字滤波器、电流/电压/电能真有效值计算单元和控制接口，所述的程控放大器接收电流/电压互感器的信号输入，放大后的信号经数字滤波后进行真有效值计算，计算得到的真有效值通过控制接口传输到微控制器。

交流变频接地电阻在线监测仪的检测方法，它包括如下步骤：

S1：主控制器MCU向正弦合成电路发出测量接地电阻指令；

S2：正弦合成电路接收指令后生成正弦电流，经C极接口()流入地网；

S3：正弦电流经过待测地网后经E极接口回到监测仪；

S4：电流经过电流互感器后将信号送至真有效值计算单元，计算注入地网电流大小；

S5：若注入地网电流大小偏离设定值，则驱动恒流调节器进行调节，达到恒流；

S6：电压互感器通过Es接口和P极接口从地网采样到电压，并将电压传输到真有效值计算单元计算出真实电压；

S7：真有效值计算单元利用真实电压和注入地网电流，根据欧姆定律计算出接地电阻阻值。

所述的真实电压的计算是利用最近的N个瞬态电压采样值计算，N值放在周期计数寄存器中，电压采样值存储在Vrms寄存器中

$V_{\mathrm{RMS}}=\sqrt{\frac{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_n}{N}}.$

所述的真实电压计算是利用最近的N个瞬态电流采样值计算，N值放在周期计数寄存器中，电流采样值存储在Irms寄存器中

$I_{\mathrm{RMS}}=\sqrt{\frac{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n}{N}}.$

所述的接地电阻阻值计算采用欧姆定律，P极和E极之间会形成一定电压Vp，Es极和E极之间也会形成一定电压Ves，而这部分电压恰恰就是接地线带来的测量误差，测量电流Ic越大接地测量线越长误差越大，在计算接地电阻时把这部分电压扣除，所以接地电阻R＝(Vp-Ves)/Ic，其中Vp、Ves和Ic通过真实真有效值计算获得。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种交流变频接地电阻在线监测仪及检测方法，该监测仪适用于长期定点对接地电阻的监测。可以根据用户的不同需求而设置不同的采样间隔，采样后的数据可通过无线网络远程传输至客户端，也能通过本地有线数据传输至客户端，可以实现多机集中监测，同时监测仪可设定报警门限值，以提示用户被监测地网是否在合理范围内，同时监测仪体积小，测量结果准确。

附图说明

图1为监测仪整体结构图；

图2为监测仪后面板结构图；

图3为监测仪内部电路图；

图4为监测仪监测方法流程图；

图5为接地电阻测量示意图；

图6为监测仪使用有线传输监测图；

图7为监测仪远程无线组网监测图；

图中，1-机壳，2-显示屏，3-按键，4-C极接口，5-E极接口，6-Es极接口，7-P极接口，8-通讯接口。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

如图1、图2和图3所示，交流变频接地电阻在线监测仪，它包括机壳1和内部机芯电路，所述的机壳1的前面板设置有显示屏2和按键3，所述机壳1的后面板上设置有C极接口4、E极接口5、Es极接口6、P极接口7和通讯接口8；所述的内部机芯电路包括主控制器MCU、通讯模块、变频恒流源和外设部件，所述的主控制器MCU分别与通讯模块、变频恒流源和外设部件连接。主控制器MCV内部包含CPU、RAM、ROM、定时计数器、多种I/O和各种驱动外设接口，由于它功能强大通常扮演“大脑”的角色，负责与外部设备的数据通讯、控制按键和LCD液晶显示屏实现人机互动以及指挥变频恒流源有效的测量。

所述的通讯接口8为RS232接口、RS485接口、RS422接口和以太网接口中的一种或多种。

所述的变频恒流源包括真有效值计算单元、恒流调节模块、电流互感器、电压互感器和正弦合成电路；所述的真有效值计算单元分别与恒流调节器、电流互感器和电压互感器连接，恒流调节器还与正弦合成电路连接；所述的电流互感器通过E极接口5与地网连接，电压互感器分别通过Es极接口6和P极接口7与地网连接，正弦合成电路通过C极接口4与地网连接。变频恒流源是一个完整的模块，通过UART串口或SPI接口与MCU之间进行通讯，来接收命令或返回数据。

所述的通信模块包括GPRS模块、CDMA模块和以太网模块。

所述的外设部件包括信息存储器和实时时钟，信息存储器用于存储客户设置的关键信息比如报警门限值、采样时间间隔等关键信息、同时也为系统提供额外存储媒介。实时时钟为监测提供年月日以及北京时间等重要信息，同时提供间隔采样的时间依据。

所述的真有效值计算单元为硬件IC：CS5460A，它包括程控放大器、数字滤波器、电流/电压/电能真有效值计算单元和控制接口，所述的程控放大器接收电流/电压互感器的信号输入，放大后的信号经数字滤波后进行真有效值计算，计算得到的真有效值通过控制接口传输到微控制器。

如图4所示，交流变频接地电阻在线监测仪的检测方法，它包括如下步骤：

S1：主控制器MCU向正弦合成电路发出测量接地电阻指令；

S2：正弦合成电路接收指令后生成正弦电流，经C极接口4流入地网；

S3：正弦电流经过待测地网后经E极接口5回到监测仪；

S4：电流经过电流互感器后将信号送至真有效值计算单元，计算注入地网电流大小；

S5：若注入地网电流大小偏离设定值，则驱动恒流调节器进行调节，达到恒流；

S6：电压互感器通过Es接口6和P极接口7从地网采样到电压，并将电压传输到真有效值计算单元计算出真实电压；

S7：真有效值计算单元利用真实电压和注入地网电流，根据欧姆定律计算出接地电阻阻值。

所述的真实电压的计算是利用最近的N个瞬态电压采样值计算，N值放在周期计数寄存器中，电压采样值存储在Vrms寄存器中

$V_{\mathrm{RMS}}=\sqrt{\frac{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_n}{N}}.$

所述的真实电压计算是利用最近的N个瞬态电流采样值计算，N值放在周期计数寄存器中，电流采样值存储在Irms寄存器中

$I_{\mathrm{RMS}}=\sqrt{\frac{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n}{N}}.$

如图5所示，监测仪采用四极法测量，所以存在四个测量电极：E(接地极)、Es(接地辅助极)、P(电压极)、C(电流极)。图中最外围是电流循环的回路，电流大小由监测仪内部决定。

实际情况由于接地电阻式一个宽范围阻值，大型地网阻值可以小于0.5Ω，而小型地网则可以能大于10Ω。如果用于测量小于0.5Ω接地电阻时，假定仪器的输出是一个恒压源而不是恒流源，根据欧姆定律Ic的电流将是非常大，整个测量系统不稳定甚至可能无法正常工作，故测量装置就需要一个恒定电流来注入地网进行测量。

实际测量过程中，电压极和接地极之间会形成一定电压Vp，接地辅助极和接地极之间也会形成一定电压Ves，而这部分电压恰恰就是接地线带来的测量误差，测量电流Ic越大接地测量线越长误差越大。在计算接地电阻时把这部分电压扣除，所以接地电阻R＝(Vp-Ves)/Ic，其中Vp、Ves和Ic通过真实真有效值计算获得。

如图6所示，本发明的监测仪组成有线监测系统时，通过通讯接口与客户端连接，有线监测采用以太网模式为最佳，即所有监测仪将数据打包然后通过串口转以太网模块将数据上传至局域网，客户端(PC机)通过网络端口接收数据并存储、处理、查询。由于受有线布线施工的约束，此方式适合局域小规模监测，需要更多或更大规模的监测可参看远程组网监测模式。

如图7所示，本发明的监测仪组成远程无线监测系统时，所有监测仪分别将数据打包后通过GPRS模块无线方式将数据上传至手机网络，而后手机网络又将数据打包传输至Intel网络，然后客户端(PC机)通过本地的虚拟串口将数据读取，这样就实现了远程无线组网监测，当然这个过程对于用户来说是隐形而不可见的。通过这样的方式，客户端(PC机)可以实现多个接地电阻的监测。

Claims (10)

1.交流变频接地电阻在线监测仪，其特征在于：它包括机壳(1)和内部机芯电路，所述的机壳(1)的前面板设置有显示屏(2)和按键(3)，所述机壳(1)的后面板上设置有C极接口(4)、E极接口(5)、Es极接口(6)、P极接口(7)和通讯接口(8)；所述的内部机芯电路包括主控制器MCU、通讯模块、变频恒流源和外设部件，所述的主控制器MCU分别与通讯模块、变频恒流源和外设部件连接。

2.根据权利要求1所述的交流变频接地电阻在线监测仪，其特征在于：所述的通讯接口(8)为RS232接口、RS485接口、RS422接口和以太网接口中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的交流变频接地电阻在线监测仪，其特征在于：所述的变频恒流源包括真有效值计算单元、恒流调节模块、电流互感器、电压互感器和正弦合成电路；所述的真有效值计算单元分别与恒流调节器、电流互感器和电压互感器连接，恒流调节器还与正弦合成电路连接；所述的电流互感器通过E极接口(5)与地网连接，电压互感器分别通过Es极接口(6)和P极接口(7)与地网连接，正弦合成电路通过C极接口(4)与地网连接。

4.根据权利要求1所述的交流变频接地电阻在线监测仪，其特征在于：所述的通信模块包括GPRS模块、CDMA模块和以太网模块。

5.根据权利要求1所述的交流变频接地电阻在线监测仪，其特征在于：所述的外设部件包括信息存储器和实时时钟。

6.根据权利要求1所述的交流变频接地电阻在线监测仪，其特征在于：所述的真有效值计算单元为硬件IC：CS5460A，它包括程控放大器、数字滤波器、电流/电压/电能真有效值计算单元和控制接口，所述的程控放大器接收电流/电压互感器的信号输入，放大后的信号经数字滤波后进行真有效值计算，计算得到的真有效值通过控制接口传输到微控制器。

7.如权利要求1-6中任意一项所述的交流变频接地电阻在线监测仪的检测方法，其特征在于：它包括如下步骤：

S1：主控制器MCU向正弦合成电路发出测量接地电阻指令；

S2：正弦合成电路接收指令后生成正弦电流，经C极接口(4)流入地网；

S3：正弦电流经过待测地网后经E极接口(5)回到监测仪；

S4：电流经过电流互感器后将信号送至真有效值计算单元，计算注入地网真实电流大小；

S5：若注入地网电流大小偏离设定值，则驱动恒流调节器进行调节，达到恒流；

S6：电压互感器通过Es接口(6)和P极接口(7)从地网采样到电压，并将电压传输到真有效值计算单元计算出真实电压；

S7：真有效值计算单元利用真实电压和注入地网电流，根据欧姆定律计算出接地电阻阻值。

8.根据权利要求7所述的交流变频接地电阻在线监测方法，其特征在于：所述的真实电压的计算是利用最近的N个瞬态电压采样值计算，N值放在周期计数寄存器中，电压采样值存储在Vrms寄存器中

$V_{\mathrm{RMS}}=\sqrt{\frac{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{V}_n}{N}}.$

9.根据权利要求7所述的交流变频接地电阻在线监测方法，其特征在于：所述的真实电压计算是利用最近的N个瞬态电流采样值计算，N值放在周期计数寄存器中，电流采样值存储在Irms寄存器中

$I_{\mathrm{RMS}}=\sqrt{\frac{\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{I}_n}{N}}.$

10.根据权利要求7所述的交流变频接地电阻在线监测方法，其特征在于：所述的接地电阻阻值计算采用欧姆定律，P极和E极之间会形成一定电压Vp，Es极和E极之间也会形成一定电压Ves，而这部分电压恰恰就是接地线带来的测量误差，测量电流Ic越大接地测量线越长误差越大，在计算接地电阻时把这部分电压扣除，所以接地电阻R＝(Vp-Ves)/Ic，其中Vp、Ves和Ic通过真实真有效值计算获得。