CN105785135A - 一种变频接地阻抗测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频接地阻抗测量仪，所述测量仪包括：微控制单元MCU、数模DA输出单元、功率放大单元、隔离变压器、输出档位切换单元、电流互感器、第一运放及量程切换单元、第一滤波单元、第一模数AD采样单元、第二运放及量程切换单元、第二滤波单元、第二模数AD采样单元。本发明的变频接地电阻测量仪在电气测量领域，特别是在输电杆、建筑物等强干扰环境下的接地阻抗参数测量领域有着广泛的应用前景和经济价值。

Description

一种变频接地阻抗测量仪

技术领域

本发明涉及电力测量技术领域，特别涉及一种变频接地阻抗测量仪。

背景技术

接地阻抗(习惯称为“接地电阻”，实为带感性分量的阻抗值)是反映接地网性能和状态好坏最重要的参数，其准确测量的重要意义是不言而喻的。

DL/T475-2006《接地装置特性参数测量导则》对接地阻抗的定义是：接地装置对远方电位零点的阻抗。数值上为接地装置与远方电位零点间的电位差，与通过接地装置流入地中的电流的比值。

由于输电杆塔、建筑物的接地网中存在很强的50Hz干扰，所以现场微弱的测试信号往往因干扰强烈而带来很大的误差甚至无法测量。由于测量现场大多在野外，输电杆塔很多在道路艰难的山区，一般难以取得供电电源，所以目前一般采用内置电池、轻便便携的接地电阻表进行测量。目前的接地电阻测量设备从测量原理上来说，分为如下几种：

(1)直流小电流测试法：测试电流为mA级的直流电流。该方法优点是设备体积小，成本低，技术简单。缺点是从原理来说测得是直流电阻，而非阻抗。且测试电流很小，数据容易受到干扰而出现很大的偏差。

(2)高频方波小电流测试法：仪器输出800Hz以上的交流小电流进行测量。该方法优点同直流小电流测试法。缺点是与50Hz工频阻抗等效性不够好，强干扰下数据不准确，同时由于地网中有电感分量的存在，电感的感抗值与频率成正比，因此在高频下对接地阻抗的测量不准确。

(3)钳表法：钳表法可以通过内置的线圈，感应出约1600Hz的1-3mA的正弦波电流，其优点是简单，轻便，现场不用放线。缺点是由于测量信号是高频小电流，测量数据可信度低，且对于有一定感性的测试回路，等效性差。

(4)异频大电流法：异频大电流大型地网测量系统能输出10A级的45～55Hz异频正弦波电流，能够提高信噪比，提高抗干扰能力，测量精度高,结果真实可信；但其技术复杂,体积重量大,需要交流电源,野外使用不便。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷，本发明提出一种变频接地阻抗测量仪，包括：微控制单元MCU、数模DA输出单元、功率放大单元、隔离变压器、输出档位切换单元、电流互感器、第一运放及量程切换单元、第一滤波单元、第一模数AD采样单元、第二运放及量程切换单元、第二滤波单元、第二模数AD采样单元；所述数模DA输出单元、功率放大单元、第一模数AD采样单元、第二模数AD采样单元分别与MCU直接连接；所述数模DA输出单元连接到功率放大单元，功率放大单元连接到隔离变压器输入，隔离变压器输出连接到输出档位切换单元，同时微控制单元MCU连接到输出档位切换单元切换不同的档位；第一运放及量程切换单元连接至第一滤波单元，再经过第一模数AD采样单元连接到微控制单元MCU；电流互感器连接至第二运放及量程切换单元，经过第二滤波单元，再经过第二模数AD采样单元连接到微控制单元MCU。

其中，所述测量仪还包括电池；电池给功率放大单元供电，然后通过数模DA输出单元，生成异频的正弦波信号，驱动功率放大单元进行功率放大，输出大功率正弦波。

其中，MCU根据外接负载大小，通过调节数模DA输出单元输出正弦波信号的大小来控制功率放大单元输出功率的大小，从而使隔离变压器输出合适的测试电压电流。

其中，隔离变压器用于隔离内部的电子电路与外界的测量回路；所述输出档位切换单元用于切换不同的电压电流输出档位。

其中，所述测量仪还包括电流输出端子C1、C2；所述输出档位切换单元经过电流互感器连接到电流输出端子C1、C2；所述电流输出端子C1、C2通过导线短接，导线穿过电流互感器感应出电流信号，电流信号送入第二滤波单元。

其中，所述测量仪还包括电压测量端子P1、P2；电压测量端子P1、P2接到第一运放及量程切换单元，然后再连接到第一滤波单元，电压信号由第一滤波单元送出，经过第一模数AD采样单元，送入MCU进行采样分析。

其中，所述第一滤波单元和第二滤波单元均为PI型滤波电路；所述PI型滤波电路包括电感及电容；经过滤波的电压、电流信号分别经第一和第二模数AD采样单元后送入MCU，转换成程序可识别的数字信号，所述MCU对数字信号进行傅立叶变换和小波分析。

本发明提出的变频接地阻抗测量仪，采用变频和选频测量方法，可排除现场50Hz的干扰影响；同时仪器输出数百mA或更大的电流测试，大大提高信噪比；可达到在强烈干扰下，准确测量接地阻抗很小的地网的目的。

为达到以上目的，本发明采用异频测量的方法，通过仪器输出异频大电流信号，采用强抗干扰的选频测量技术，实现对接地网接地阻抗的准确测量。

为解决上述问题，本发明采用如下技术方案：

与现有技术相比，本发明的变频接地电阻测量仪具有如下优点：(1)采用变频测量技术，仪器输出接近工频30Hz～80H的异频信号进行测量，保证了与工频接地阻抗测量的等效性。之前同类仪器或者测得的或者是直流电阻，或者是高频阻抗，与我们希望得到的工频阻抗之间没有等效性。(2)输出电流大，比其他接地电阻测量仪几毫安的测试电流大百倍以上。(3)抗干扰能力强，以往的接地电阻表基本不具备抗干扰能力，而本仪器能在上百倍的干扰下测量。(4)仪器内置大功率锂电池，适合野外无电源环境下的使用。(5)可数字化的进行软件校准，保证了各频率和各量程下测量的准确性。(6)电路架构清晰，前端模拟电路较简单。(7)系统核心部分为MCU和软件算法。

本发明的变频接地电阻测量仪在电气测量领域，特别是在输电杆、建筑物等强干扰环境下的接地阻抗参数测量领域有着广泛的应用前景和经济价值。

附图说明

图1是本发明的变频接地阻抗测量仪的结构示意图。

具体实施方式

本发明的阻抗测量仪涉及两个方面的技术：变频和选频。变频是需要将锂电池输出的直流电源逆变成正弦波变频电源，选频则是需要在现场各种复杂的干扰中将变频后的微弱信号提取出来，并进行准确测量。

下面结合附图对本发明做详细地说明。如图1所示，本发明的变频接地阻抗测量仪包括：电池、微控制单元MCU、数模DA输出单元、功率放大单元、隔离变压器、输出档位切换单元、电流互感器、第一运放及量程切换单元、第一滤波单元、第一模数AD采样单元、第二运放及量程切换单元、第二滤波单元、第二模数AD采样单元电压测量端子P1、电压测量端子P2、电流输出端子C1、电流输出端子C2、用户操作单元、数据存储单元、显示单元。所述DA输出单元、功率放大单元、第一模数AD采样单元、第二模数AD采样单元分别与MCU直接连接。

电池给所述变频接地阻抗测量仪供电，电池连接至功率放大单元，微控制单元MCU控制数模DA输出单元，数模DA输出单元输出到功率放大单元，功率放大单元连接到隔离变压器输入，隔离变压器输出连接到输出档位切换单元，同时微控制单元MCU连接到输出档位切换单元切换不同的档位。输出档位切换单元经过电流互感器连接到电流输出端子C1、C2。用户操作单元、数据存储单元、显示单元分别直接连接至MCU。

隔离变压器用于隔离内部的电子电路与外界的测量回路，防止外部回路较强的工频干扰损坏内部电子元件及影响测量精度。

输出档位切换单元用于切换不同的电压电流输出档位，使得仪器在各种负载下尽可能输出最大的电流。

用户操作单元用于操作界面菜单以选择相应的功能。

数据存储单元用于存储测试和校准数据。

显示单元用于显示操作界面和菜单。

电压测量端子P1、P2经过第一运放及量程切换单元后，经过第一滤波单元再经过第一模数AD采样单元连接到微控制单元MCU。

电流互感器连接至第二运放及量程切换单元，经过第二滤波单元，再经过第二模数AD采样单元连接到微控制单元MCU。

本发明里变频部分采用功率放大单元。所述电池给功率放大单元供电，然后通过数模DA输出单元，生成异频的正弦波信号，驱动功率放大单元进行功率放大，输出大功率正弦波，在较小体积内实现大功率的逆变。MCU根据外接负载大小，通过调节数模DA输出单元输出正弦波信号的大小来控制功率放大单元输出的大小，从而使隔离变压器输出合适的测试电压电流。所述数模DA输出单元，可以集成在MCU中，也可以在MCU外部。

所述电池为内置在仪器大功率的锂电池，其容量大，能够输出大电流信号，保证了测试现场大功率测试信号的稳定输出和现场长时间测量的要求。仪器采用电池供电，工作时无需依赖外部交流电源。

电压测量端子P1、P2接到第一运放及量程切换单元，然后再连接到第一滤波单元，电压信号由第一滤波单元送出，经过第一模数AD采样单元，送入MCU进行采样分析。

电流输出端子C1、C2通过导线短接，导线穿过电流互感器感应出电流信号，电流信号送入第二滤波单元。电流信号由第二滤波单元送出，经过第二模数AD采样单元，送入MCU进行采样分析。

第一滤波单元和第二滤波单元均为PI型滤波电路，即π型滤波电路。所述PI型滤波电路包括电感及电容，可以将部分高频信号滤除。电压、电流信号分两路分别经第一和第二模数AD采样单元后送入MCU，转换成程序可识别的数字信号。MCU对数字信号进行傅立叶变换和小波变换分析，从复杂的波形中分离出所需要测量的微弱频率正弦波信号。MCU通过软件可同时分离出指定频率下的电压、电流信号并计算出两者间的相位差。MCU可同时控制存储、显示、菜单操作等功能。MCU可选常用的TI公司DSP型号如TMS320F2812，也可以是其它通用处理器，如ARM架构处理器。

选频目的是在各种复杂的干扰情况下，分离出微弱的变频信号并进行测量输出结果。往往是干扰信号比有用的变频信号幅值强数倍至数十倍，有用的变频信号被“淹没”在各种干扰信号里。所测的信号里包括了工频干扰、高频干扰、谐波干扰，再叠加上变频信号，波形已变得杂乱无章复杂多变无明确规律，要在这样杂乱复杂的波形里还原提取出有用的微弱信号还要准确测量，难度很大。而且测试频率和干扰频率越近，选频的难度就越大。显然，选频技术直接关系着成套变频测量系统结果的准确性，是成套系统能否达到排除干扰准确测量这个最终目的的关键技术，是成套系统的技术瓶颈。以往异频接地电阻测试仪选频电路的核心均基于硬件滤波电路，硬件滤波电路具有结构简单，成本低廉，响应快速等优点，但也存在着干扰抑制能力较弱，误差较大等问题。本发明采用基于波形软件频谱分析的方法，核心选频滤波系统采用软硬件(MCU+滤波单元)结合的方法，大大提高了抗干扰能力，可满足在很强的干扰下测量微弱的信号。

本发明的充电式变频接地阻抗测量仪输出30Hz～80Hz的非工频电压电流，波形为正弦波；最大输出电流达到50mA以上。

本发明的充电式变频接地阻抗测量仪内部通过数模DA数模转换，生成正弦波驱动信号，该驱动信号经过功率放大单元放大后，经过隔离变压器隔离后输出正弦波信号。

本发明的充电式变频接地阻抗测量仪，采用了选频滤波抗干扰软硬件技术，可以抵抗现场50Hz干扰对测量精度的影响。

本发明的变频接地阻抗测量仪，可在十分接近工频的频率进行测量，从而可得到最接近工频的特性参数。系统基于高性能MCU和软件滤波算法，而非单纯依赖硬件滤波电路。测量系统可抗100倍干扰而数据不漂移，在40V，50Hz干扰下选频53Hz测量可将干扰抑制到0.1mV以下，并且可同时选频测量电压电流信号及两者相位差，自动计算出接地阻抗值得电阻分量和电抗分量。

最后应说明的是：显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (7)

1.一种变频接地阻抗测量仪，其特征在于，所述测量仪包括：微控制单元MCU、数模DA输出单元、功率放大单元、隔离变压器、输出档位切换单元、电流互感器、第一运放及量程切换单元、第一滤波单元、第一模数AD采样单元、第二运放及量程切换单元、第二滤波单元、第二模数AD采样单元；

所述数模DA输出单元、功率放大单元、第一模数AD采样单元、第二模数AD采样单元分别与MCU直接连接；

所述数模DA输出单元连接到功率放大单元，功率放大单元连接到隔离变压器输入，隔离变压器输出连接到输出档位切换单元，同时微控制单元MCU连接到输出档位切换单元切换不同的档位；

第一运放及量程切换单元连接至第一滤波单元，再经过第一模数AD采样单元连接到微控制单元MCU；

电流互感器连接至第二运放及量程切换单元，经过第二滤波单元，再经过第二模数AD采样单元连接到微控制单元MCU。

2.根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于：

优选的，所述测量仪还包括电池；

电池给功率放大单元供电，然后通过数模DA输出单元，生成异频的正弦波信号，驱动功率放大单元进行功率放大，输出大功率正弦波。

3.根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于：

MCU根据外接负载大小，通过调节数模DA输出单元输出正弦波信号的大小来控制功率放大单元输出功率的大小，从而使隔离变压器输出合适的测试电压电流。

4.根据权利要求1-3任一所述的测量仪，其特征在于：

隔离变压器用于隔离内部的电子电路与外界的测量回路；

所述输出档位切换单元用于切换不同的电压电流输出档位。

5.根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于：

所述测量仪还包括电流输出端子C1、C2；

所述输出档位切换单元经过电流互感器连接到电流输出端子C1、C2；

所述电流输出端子C1、C2通过导线短接，导线穿过电流互感器感应出电流信号，电流信号送入第二滤波单元。

6.根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于：

所述测量仪还包括电压测量端子P1、P2；

电压测量端子P1、P2接到第一运放及量程切换单元，然后再连接到第一滤波单元，电压信号由第一滤波单元送出，经过第一模数AD采样单元，送入MCU进行采样分析。

7.根据权利要求5或6所述的测量仪，其特征在于：

所述第一滤波单元和第二滤波单元均为PI型滤波电路；所述PI型滤波电路包括电感及电容；

经过滤波的电压、电流信号分别经第一和第二模数AD采样单元后送入MCU，转换成程序可识别的数字信号，所述MCU对数字信号进行傅立叶变换和小波分析。