CN107247189A - 一种冲击接地阻抗的测试系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种冲击接地阻抗的测试系统及其方法，基于人工引雷技术，将雷电流作为检测冲击接地阻抗的测试电流。该测试系统包括将雷电流注入至待测接地装置的引流杆、测量雷电流的电流测量装置、测量响应电压的电压测量装置以及计算冲击接地阻抗的阻抗计算装置。在本申请提供的冲击接地阻抗的测试过程中，采用雷电流作为测试电流，与通过冲击电流发生器产生冲击电流作为测试电流相比，雷电流可达到百kA的雷电波形，且有多次回击，可使土壤充分的火花放电，从而使待测接地装置反应出真实的防雷特性。根据待测接地装置呈现出真实的防雷特性，对待测接地装置更有可针对性进行设计或改造。
Description
技术领域
本申请涉及高压防雷接地技术领域，尤其涉及一种冲击接地阻抗的测试系统及其方法。
背景技术
冲击接地阻抗是指冲击电流或雷电流从接地装置向周围大地流散时，接地介质(土壤、岩石以及降阻剂等)所呈现的阻抗值。在实际应用中，冲击接地阻抗用于表征接地装置的防雷特性。
目前，冲击接地阻抗的测量方法包括模拟试验法，其测量过程为，采用大型的冲击电流发生器生成冲击电流，以该冲击电流模拟雷电流；将冲击电流注入接地装置；测量冲击电流沿着接地装置流入大地时所呈现的阻抗值，即为冲击接地阻抗。
但是，冲击电流发生器发生的冲击电流与雷电流存在较大的差距，首先，雷电流的幅值可达到百KA级，而冲击电流的幅值仅能达到十KA级。其次，雷电流除了包括主放电外，还存在多次的回击电流，而冲击电流发生器受到电容器充电时间的影响，很难达到短时间内的多次连续放电，即冲击电流无法模拟雷电流产生多次回击电流的过程。因此，采用冲击电流测量的阻抗值并不是雷电流流入接地装置时所呈现的真实的阻抗值。
发明内容
本申请提供了冲击接地阻抗的测试系统及其方法，以解决现有技术测量的冲击接地阻抗不能准确、真实反映接地装置的防雷特性的问题。
第一方面，本申请提供了一种冲击接地阻抗的测试系统，该装置包括，
依次连接的引雷装置与引流杆，所述引流杆上未连接所述引雷装置的一端用于连接待测接地装置的中心；
电流测量装置，所述电流测量装置包括第一电流计量器，所述第一电流计量器被配制成，测量注入待测接地装置的雷电流，并将测量的雷电流传至阻抗计算装置；
至少一个电压测量装置，每个所述电压测量装置包括第一电压计量器，第一电压计量器被配制成，在距待测接地装置中心的预设位置处，测量待测接地装置在雷电流作用下产生的响应电压，并将测量的响应电压传至阻抗计算装置；
所述阻抗计算装置用于根据所述雷电流与响应电压，计算冲击接地阻抗。
优选地，所述系统还包括电光转换器与光电转换器，所述电光转换器的输入端分别连接所述第一电流计量器与所述第一电压计量器，所述电光转换器的输出端通过光纤连接所述光电转换器的输入端，所述电光转换器用于将所述雷电流与响应电压分别转换为相应的电流光信号和电压光信号；
所述光电转换器的输出端连接所述阻抗计算装置，所述光电转换器用于将所述电流光信号和电压光信号还原为其相应的雷电流与响应电压。
优选地，所述电流测量装置还包括第二电流衰减器，所述第二电流衰减器用于将所述第一电流计量器测量的雷电流衰减预设的倍数。
优选地，所述电压测量装置还包括第二电流衰减器，所述第二电压衰减器用于将所述第一电压计量器检测的响应电压衰减预设的倍数。
第二方面，本申请还提供了一种冲击接地阻抗的测试方法，该方法包括：
通过引雷装置与引流杆，将雷电流注入至待测接地装置的中心处；
利用电流测量装置，测量流入待测接地装置的雷电流；
利用电压测量装置，测量在该雷电流作用下待测接地装置的响应电压；
将测量的所述雷电流与响应电压传至阻抗计算装置；
所述阻抗计算装置根据所述雷电流与响应电压，计算冲击接地阻抗。
优选地，所述将测量的所述雷电流与响应电压传至阻抗计算装置，具体包括，
将所述雷电流与响应电压分别转化为对应的电流光信号与电压光信号；
通过光纤传输所述电流光信号与电压光信号；
将所述电流光信号与电压光信号还原为相应的雷电流与响应电压。
优选地，所述将测量的所述雷电流与响应电压传至阻抗计算装置之前还包括步骤，将测量的所述雷电流衰减预设的倍数。
优选地，所述将测量的所述雷电流与响应电压传至阻抗计算装置之前还包括步骤，将测量的所述响应电压衰减预设的倍数。
由以上技术方案可见，本申请实施例提供一种冲击接地阻抗的测试系统及其方法，基于人工引雷技术，将雷电流注入待测接地装置，使待测接地装置呈现出真实的防雷特性，从而提高检测的冲击接地阻抗的准确度。该测试系统包括引流杆、电流测量装置、电压测量装置以及阻抗计算装置，其中，引流杆将引雷装置采集的雷电流注入至待测接地装置；电流测量装置测量注入待测接地装置的雷电流；电压测量装置测量在雷电流作用下待测接地装置产生的响应电压；阻抗计算装置根据测量的响应电压与雷电流，计算其比值得到冲击接地阻抗。在本申请提供的冲击接地阻抗的测试过程中，采用自然产生的雷电流作为测试电流，雷电流经过待测接地装置进入周围的土壤介质中后，可使周围的土壤介质得到充分放电，继而使待测接地装置呈现真实的防雷特性，因此，采用本方法测量的冲击接地阻抗，可更真实地反应自然雷电条件下待测接地装置的防雷特性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请冲击接地阻抗的测试系统的一个实施例的结构示意图；
图2为本申请冲击接地阻抗的测试方法的流程图；
图3为本申请传输雷电流与响应电压的流程图；
图1-3中的标号分别表示为：1-引雷装置，2-引流杆，3-电流测量装置，31-第一电流计量器，32-第二电流衰减器，4-电压测量装置，41-第一电压计量器，42-第二电压衰减器，51-电光转换器，52-光纤，53-光电转换器，6-阻抗计算装置，7-检测室,8-待测接地装置。
具体实施方式
图1为本申请冲击接地阻抗的测试系统的一个实施例的结构示意图，如图1所示，该系统包括引雷装置1、引流杆2、电流测量装置3、至少一个电压测量装置4与阻抗计算装置6。引雷装置1的输出连接引流杆2，引雷装置1将自然生成的雷电流引入到地面，并传至引流杆2中。引流杆2的一端连接引雷装置1，另一端连接待测接地装置8的中心，引流杆2将雷电流注入至待测接地装置。
电流测量装置3包括第一电流计量器31，第一电流计量器31被配制成：测量注入待测接地装置8的雷电流，并将测量的雷电流传至阻抗计算装置6。本实施例中，第一电流计量器31的输入端连接引流杆2，其输出端连接至阻抗计算装置6。第一电流计量器31在引雷时测量引流杆2上的雷电流的幅值，并将测量的雷电流的幅值传至阻抗计算装置6。
可实现电流计量的装置有多种，例如，测量线圈或同轴分流器等，在此不对其进行具体限定。在具体使用时，应选择具有合适测量量程的第一电流计量器，雷电流峰值不超过第一电流计量器的测量范围，并且测量装置的输出值不超过电光转换装置的量程。
为了提高测量装置的抗干扰性，电流测量装置3还包括第二电流衰减器31，即在第一电流计量器31与阻抗计算装置6的连接电路上连接第二电流衰减器32。该衰减器可将第一电流计量器测量的雷电流衰减预设的倍数。本领域技术人员可根据实际需要，选择合适衰减倍数的衰减器，例如10:1或100：1的衰减器等。
每个电压测量装置4包括第一电压计量器41，第一电压计量器41被配制成：在距待测接地装置中心的预设位置处，测量待测接地装置8在雷电流作用下产生的响应电压，并将测量的响应电压传至阻抗计算装置6。
在此将对第一电压计量器在电路中的连接方式进行说明。在传统的连接方式中，第一电压计量器输入端的高压侧连接待测接地装置中心，其输入端的低压侧连接接地桩。这种连接方式与定义的零电位一致(接地桩与大地连接，定义其电压为零电压)，因此较容易理解。但是，其电路中的测量设备与周围区域内的测量人员将始终处于一个高电位场区，而且该高电位场区并不完全相等，即某区域范围内存在一定的电压偏差，若该电压偏差足够大，则会损坏测量设备的和危害测量人员的人身安全。例如，假设高电位为2万伏，偏差为1％，则存在200伏的电压偏差，该电压偏差将危及测量人员和测量设备的安全。另外，采用该种连接方式时，电路中只能接一个第一电压计量器，假如接了两个第一电压计量器，则相对零电位位置有两个电压差，而实际整个地网上电压近视相等，导致两个电压测量装置测量结果相同，从而使两个零电位失去实际意义。
为了避免上述问题，本申请中，第一电压计量器采用了新的连接方式。图1为本申请冲击接地阻抗的测试系统的另一个实施例的结构示意图，如图1所示，第一电压计量器在电路中的连接方式具体为：第一电压计量器41输入端的高压侧连接接地桩，第一电压计量器41输入端的低压侧连接待测接地装置8的中心；第一电压计量器41的输出端连接至阻抗计算装置6。第一电压计量器测量的接地桩与待测接地装置之间的电压差即为响应电压，然后将其测量的响应电压传至阻抗计量装置。
与传统的连接方式相比，本申请中的连接方式可同时连接多个第一电压计量器，因此，在一次的试验过程可测量多组数据，从而可将多组数据进行比较。另外，在测量过程中，电压测量装置、电流测量装置、光纤等测试设备与测量人员处于零电位或低电位场区，有利于保障测量人员和测量装置的安全。
本图1所示的实例中，仅以2个第一电压计量器为例进行了示意，当然，本领域技术人员可根据实际需要调整第一电压计量器的数量，例如1、3、4、5或6个等，其第一电压计量器在电路中连接方式与之相同，不在赘述。在此，存在一个特别的情况，即当第一电压计量器为1个时，可采用本申请提供的连接方式，亦可传统的连接方式，均可实现测量，且不影响测量的数据结果。
每个电压计量器对应连接一个接地桩，在图1所示的实施例中，两个第一电压计量器分别对应连接一个接地桩，每个第一电压计量器分别测量待测接地装置中心与其对应的接地桩之间的电压差。
在此，将对接地桩在地面上的安置位置进行说明。将待测接地装置(如接地网)的等效对角线长度设为l，则接地桩的安置位置为距离待测接地装置中心的kl位置处，其中，根据以往的测试经验，k>2。等效对角线长度l为待测接地装置在地面投影上的任意两点之间最长的距离，例如方形的待测接地装置，其有效对角线长度l为对角线的长度；再如圆形的待测接地装置，其有效对角线长度l为直径的长度。
每一个接地桩对应一个kl，例如，在图1所示的实施例中，包含2个第一接地桩设置，其一连接的接地桩设置在距待测接地装置中心k1l的位置处，另一连接的接地桩设置在为距待测接地装置中心k2l的位置处，其中，k1>2，k2>2。
当然，接地桩为其他数量时，各个接地桩也采用相同的安置方式。例如，第一电压计量器的数量为1时，接地桩的数量也为1，其位于距离待测接地装置中心的kl位置处，其中，k可取大于2的任意数值。再如，第一电压计量器的数量为n(n>2)时，接地桩的数量也为n，其分别位于距离待测接地装置中心的k1l、k2l…knl位置处，其中，k1>2，k2>2，…，knl>2。在实际的测试过程中，通过设置多个第一电压计量器，一方面，可以通过多组数据求平均的方法，排除特殊地质、地形造成测量数据的误差；另一方面，可根据多组数据趋势判断接地桩的安置位置是否恰当，若数据变化很大，则说明k取值太小，需重新安置接地桩。
可实现电压测量的装置有多种，例如冲击分压器等，在此不对其进行具体限定。在具体使用时，应选择具有合适测量量程的电压测试装置，响应电压峰值不超过第一电压计量器的测量范围，并且测量装置的输出值不超过电光转换装置的量程。
为了提高测量装置的抗干扰性，电压测量装置4还包括第二电压衰减器41，即在第一电压计量器41与阻抗计算装置6的连接电路上连接第二电压衰减器42。该衰减器可将第一电压计量器测量的响应电压衰减预设的倍数。本领域技术人员可根据实际需要，选择合适衰减倍数的衰减器，例如10:1或100：1的衰减器等。
阻抗计算装置6用于根据雷电流与响应电压，计算冲击接地阻抗。可实现冲击接地阻抗计算的装置有多种，例如示波器等，在此不对其进行具体限定。本实施例中，示波器多通道示波器，可满足雷电流与多组响应电压的同时测量。
雷电流是一个可达到百kA级的强电流，因此，当其流经引流杆2内时，引流杆2周围将产生一个强磁场，电流测量装置3测量的雷电流与电压测量装置4测量的响应电压在传至阻抗计算装置6的过程中，将不可避免的受到该强磁场的干扰，从而影响了测试结果的准确度。为此，本申请中，增设电光转换器51与光电转换器53。
电光转换器51的输入端分别连接第一电流计量器3与第一电压计量器4，电光转换器51的输出端通过光纤52连接光电转换器53的输入端，电光转换器51用于将雷电流与响应电压分别转换为相应的电流光信号和电压光信号。光电转换器53的输出端连接阻抗计算装置6，光电转换器53用于将电流光信号和电压光信号还原为其相应的雷电流与响应电压，并将还原后的雷电流与响应电压传给阻抗计算装置6。本实施例中，电光转换器51与光电转换器53的通道数量均为多个，以满足雷电流与多组响应电压的同时测量。
增置的电光转换装置可将雷电流、响应电压转化为光信号，光信号的传输受电磁场的影响较小，因此避免了雷电流与响应电压在传输过程中受到电磁干扰，从而，提供了测量数据的准确度。同时，也可保护测试设备不会因为引雷过程中过大的电流而损坏。
为了进一步确保测量数据不受强磁场的干扰，本实施例中，冲击接地阻抗的测试系统还包括一个检测室7，检测室7内用于布置将光电转换器53与阻抗计算装置6。
当然，也可待测接地装置8上增加接地极、降阻剂等降阻措施，从而评估降阻措施在自然雷电下的降阻效果。
图2为本申请冲击接地阻抗的测试方法的流程图，如图2所示，该方法包括如下步骤：
步骤100，通过引雷装置与引流杆，将雷电流注入至待测接地装置。
采用引雷装置1将自然生成的雷电流引入到地面，并通过引流杆2将雷电流注入待测接地装置8。
步骤200，利用电流测量装置，测量流入待测接地装置的雷电流。
本实例中，利用第一电流计量器31测量流入待测接地装置8的雷电流，并将测量的雷电流的幅值传至阻抗计算装置6。
由于雷电流的幅值较大，为了防止阻抗计算装置6因引雷过程中过大的电流而损坏，在将测量的雷电流传至阻抗计算装置6之前还包括步骤210，将测量的雷电流衰减预设的倍数。
步骤300，利用电压测量装置，测量在该雷电流作用下待测接地装置的响应电压。
本实例中，采用第一电压计量器41测量流入待测接地装置8的响应电压，并将测量的响应电压的幅值传至阻抗计算装置6。
由于响应电压的幅值较大，为了防止阻抗计算装置6因引雷过程中过大的响应电压而损坏，在将测量的响应电压传至阻抗计算装置6之前还包括步骤310，将测量的响应电压衰减预设的倍数。
步骤400，将测量的雷电流与响应电压传至阻抗计算装置。
为了避免了雷电流与响应电压在传输过程中受到电磁干扰，本申请中，将测量的雷电流与响应电压传转为为电学信号再进行传输，图3为本申请传输雷电流与响应电压的流程图，如图3所示，传输雷电流与响应电压传的过程具体包括，
步骤401，将雷电流与响应电压分别转化为对应的电流光信号与电压光信号。
采用电光转换器51将雷电流、响应电压分别转化为相应的电流光信号与电压光信号。
步骤402，通过光纤52传输电流光信号与电压光信号。
光信号的传输过程受电磁场的影响较小，因此避免了雷电流与响应电压在传输过程中受到电磁干扰，从而，提供了测量数据的准确度。
步骤403，将电流光信号与电压光信号还原为相应的雷电流与响应电压。
采用光电转换器53将将电流光信号与电压光信号还原为相应的雷电流与响应电压，并将雷电流、响应电压发送至阻抗计算装置6。
步骤500，阻抗计算装置根据雷电流与响应电压，计算冲击接地阻抗。
本实例中，计算冲击接地阻抗的过程具体包括，
根据接收的雷电流，确定第j次放电时第一电流计量器测量的电流幅值Ij；
根据接收的响应电压，确定第j次放电时第k个第一电压计量器测量的电压幅值Vkj；
计算V1j和V2j的电压偏差，并判断其是否超过预设的相对偏差值，若未超过预设的相对偏差值，则说明接地桩的安置位置恰当，其测量的电压值可用于计算冲击接地阻抗Zkj；若超过预设的相对偏差值，则说明k取值太小，需重新安置接地桩。其中，本领域技术人员可根据实际需要，选择相对偏差值合适的数值大小。
利用公式Zkj＝Vkj/Ij，计算冲击接地阻抗Zkj；
根据计算的Zkj，得到待测接地装置的冲击接地阻抗Z。
以下将通过一个实例说明此计算过程。
测试系统包括两个第一电压计量器测量，k＝1，2。测量过程中，雷电有1次主放电和2次回击，即j＝3，对应的3次电流值分别为I1＝40.65kA，I2＝17.11kA，I3＝6.54kA；第一个第一电压计量器，即k＝1时，对应的3次电压值分别为V11＝160.6kV，V12＝72.03kV，V13＝26.54kV；第二个第一电压计量器，即k＝2时，对应的3次电压值分别为V21＝169.23kV，V22＝74.73KV，V23＝29.88Kv。
本实例中，设定相对偏差值为5％。经计算，V1j和V2j的电压偏差小于5％，因此，V1j和V2j均可用于计算冲击接地阻抗Zkj。
本实例中，以V2j为例说明计算冲击接地阻抗Zkj的过程，即k＝2时，利用公式Zkj＝Vkj/Ij，计算冲击接地阻抗Zkj，其分别为：Z21＝V21/I1＝4.16，Z22＝V22/I2＝4.37，Z23＝V23/I3＝4.57。
根据Z2j，得到冲击接地阻抗值Z，其具体包括，可取Z2j中的任意一数值作为冲击接地阻抗值Z，如Z＝Z22＝4.37，也可取Z2j的平均值作为冲击接地阻抗值Z，Z＝4.36。
本申请实施例提供一种冲击接地阻抗的测试系统及其方法，基于人工引雷技术，将雷电流作为检测冲击接地阻抗的测试电流。与采用冲击电流发生器生成的冲击电流作为测试电流相比，人工引雷得到的雷电流可达到百kA的雷电波形，可使土壤充分的火花放电；同时，人工引雷得到的雷电流有多次回击的特性，可使待测接地装置反应出真实的防雷特性。根据待测接地装置呈现出真实的防雷特性，可针对性对待测接地装置进行设计或改造。
以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。
Claims (8)
1.一种冲击接地阻抗的测试系统，其特征在于，所述系统包括：
依次连接的引雷装置(1)与引流杆(2)，所述引流杆(2)上未连接所述引雷装置(1)的一端用于连接待测接地装置的中心；
电流测量装置(3)，所述电流测量装置(3)包括第一电流计量器(31)，所述第一电流计量器(31)被配制成，测量注入待测接地装置的雷电流，并将测量的雷电流传至阻抗计算装置(6)；
至少一个电压测量装置(4)，每个所述电压测量装置(4)包括第一电压计量器(41)，第一电压计量器(41)被配制成，在距待测接地装置中心的预设位置处，测量待测接地装置在雷电流作用下产生的响应电压，并将测量的响应电压传至阻抗计算装置(6)；
所述阻抗计算装置(6)用于根据所述雷电流与响应电压，计算冲击接地阻抗。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括电光转换器(51)与光电转换器(53)，所述电光转换器(51)的输入端分别连接所述第一电流计量器(31)与所述第一电压计量器(41)，所述电光转换器(51)的输出端通过光纤(52)连接所述光电转换器(53)的输入端，所述电光转换器(51)用于将所述雷电流与响应电压分别转换为相应的电流光信号和电压光信号；
所述光电转换器(53)的输出端连接所述阻抗计算装置(6)，所述光电转换器(53)用于将所述电流光信号和电压光信号还原为其相应的雷电流与响应电压。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电流测量装置(3)还包括第二电流衰减器(31)，所述第二电流衰减器(31)用于将所述第一电流计量器(31)测量的雷电流衰减预设的倍数。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电压测量装置(4)还包括第二电压衰减器(42)，所述第二电压衰减器(42)用于将所述第一电压计量器(41)检测的响应电压衰减预设的倍数。
5.一种冲击接地阻抗的测试方法，其特征在于，
通过引雷装置与引流杆，将雷电流注入至待测接地装置；
利用电流测量装置，测量流入待测接地装置的雷电流；
利用电压测量装置，测量在该雷电流作用下待测接地装置的响应电压；
将测量的所述雷电流与响应电压传至阻抗计算装置；
所述阻抗计算装置根据所述雷电流与响应电压，计算冲击接地阻抗。
6.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述将测量的所述雷电流与响应电压传至阻抗计算装置，具体包括，
将所述雷电流与响应电压分别转化为对应的电流光信号与电压光信号；
通过光纤传输所述电流光信号与电压光信号；
将所述电流光信号与电压光信号还原为相应的雷电流与响应电压。
7.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述将测量的所述雷电流与响应电压传至阻抗计算装置之前还包括步骤，将测量的所述雷电流衰减预设的倍数。
8.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于，所述将测量的所述雷电流与响应电压传至阻抗计算装置之前还包括步骤，将测量的所述响应电压衰减预设的倍数。
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