CN112485532B - 基于结点电压法的多引下线接地电阻测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于结点电压法的多引下线接地电阻测量方法，本方法基于回路法，根据结点电压方法，列写结点电压方程，并根据钳表法列写回路电阻方程，利用电压互感器将电压感应至引下线，再利用电流互感器采集引下线上的电流值，求解待求量。本方法对于多引下线接地系统，可以便捷的实现接地极接地电阻及引下线电阻的综合测量。

Description

基于结点电压法的多引下线接地电阻测量方法

技术领域

本发明涉及一种基于结点电压法的多引下线接地电阻测量方法，主要应用于建筑及输电线路接地电阻测量领域。

背景技术

在多引下线系统接地电阻测量方面，主要体现在以下几个方面：

1.对于含有架空地线或者多引下线接地系统，回路法测量接地电阻是符合国家标准和行业规范的，操作便捷。测量时，将引下线钳入钳口，钳形表通过电压互感器感应至引下线确定的电压信号，再通过电流互感器读取电流信号，其比值即为回路电阻。对于含有架空地线或者多引下线接地系统，其回路电阻即认为是接地电阻值。但若多引下线连接同一接地极，则该接地极的接地电阻值无法测量。

2.多引下线接地系统中，各引下线也存在电阻值，在实际工程中，其阻值计入接地极接地电阻中，但多引下线接地系统各引下线之间存在联结关系，在目前的操作中不能体现引下线接地电阻对于总体接地系统的影响。

3.对于多引下线连接同一接地极的接地系统，钳形表只可测量各引下线的导通状态，其测量数值不能体现接地系统的接地性能，在实际应用中存在较普遍的误操作现象。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供一种基于结点电压法的多引下线接地电阻测量方法，对于多引下线接地系统，可以便捷的实现接地极接地电阻及引下线电阻的综合测量。

为了解决所述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于结点电压法的多引下线接地电阻测量方法，包括以下步骤：

S01)、构建接地电阻测量电路：

接地电阻测量电路包括控制器、正弦电压产生电路和电流检测电路，正弦电压产生电路用于向接地系统的多条引下线施加测量电压，电流检测电流检测测量电压在引下线产生的电流，并反馈至控制器；

S02)、列写结点电压方程：

首先构建接地系统等效电路，设接地系统有N条引下线，将N条引下线视为N个并联的支路，N条引下线通过接地体接地，N条引下线的等效电阻为R₁～R_N，接地体等效电阻值为R_g，测量时，正弦电压产生电路对N条引下线施加的测量电压为U₁～U_N，各引下线电流为I₁～I_N，接地体两端电压为U，则根据结点电压法，有：

公式(1)中，U无法直接测量，但根据基尔霍夫电流定律及欧姆定律有：

将公式(2)代入公式(1)，即为：

整理可得：

公式(4)即为利用结点电压法列写的方程；

S03)、列写回路电阻方程，利用钳表法钳入第i条引下线，获得测量数据T_i，并且测量数据T_i为：

T_i＝R_i+R₁//R₂//…//R_i-1//R_i+1//…//R_N//R_g (5)，

则R_i＝T_i-R₁//R₂//…//R_i-1//R_i+1//…//R_N//R_g (6)，

其中//表示并联，R₁//R₂//…//R_i-1//R_i+1//…//R_N//R_g表示取R₁、R₂、···、R_i-1、R_i+1、···、R_N、R_g并联后的电阻值；

公式(6)即为回路电阻方程；

S04)、求解接地电阻，引下线等效电阻R₁～R_N和接地体等效电阻值为R_g为被求量：

正弦电压产生电路对接地系统各引下线施加一组测量电压，电流检测电路检测各引下线的电流，构建结点电压方程；

对于N条引下线，分别利用钳表法获得N个测量数据T_i，基于N个测量数据T_i构建N个回路电阻方程；

将结点电压方程与回路电阻方程联立，求得各引下线等效电阻和接地体等效电阻。

进一步的，通过迭代求解接地电阻，具体步骤为：

S41)、根据精度要求确定允许误差值e及允许迭代次数q，令R_i(1)＝T_i，将该数据代入结点电压方程，求得R_g(1)，其中R_i(1)为迭代计算的初始值，也是钳表法的测量值；

S42)、将R_g(1)重新代入回路电阻方程，求得R_i(2)和R_g(2)，多次迭代，直至|R_g(p)-R_g(p-1)|＜e，迭代结束，结果即为所求，若p＝q时，仍未达到|R_g(p)-R_g(p-1)|＜e，则迭代法不适用，无法利用该方法计算接地电阻。

进一步的，接地电阻测量电路还包括相位检测电路，相位检测电路对测量的电流与发出的电压之间的相位进行检测，若被求量包括阻性部分和感性部分，电流检测电路将测量的电流大小和相位一起反馈至控制器，控制器根据反馈计算接地回路阻抗值。

进一步的，钳表测量时，若某引下线故障，可实现辨别，并可在列写结点电压方程和回路电阻方程时不再考虑该支路，方程数量依次减少，该方法仍然适用。

本发明的有益效果：

对于多引下线接地系统，可以便捷的实现接地极接地电阻及引下线电阻的综合测量。

基于回路法，利用电压互感器将电压感应至引下线，再利用电流互感器采集引下线上的电流值，根据结点电压方法，列写方程，求解得到待求量。

若某一接地引下线断开，系统能够实现判断并且不影响方程的求解。

若电路中某参数为阻抗形式，该方法仍然适用。

附图说明

图1为接地电阻测量电路的原理框图；

图2为接地电阻等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例公开一种基于结点电压法的多引下线接地电阻测量方法，本方法包括以下步骤：

S01)、构建接地电阻测量电路：

如图1所示，接地电阻测量电路包括基本系统、正弦电压产生电路、电流检测电路和相位检测电路。

基本系统由电源模块、串口模块以及主控制器MCU组成。其中电源模块负责对整个系统供电，可提供多种电压标准，必要时可提供负电压；串口模块用于将单片机的串口输出电平转换成外围设备所需要电平标准，如RS232、RS485、CAN等，方便与外围设备连接；主控制器应搭建复位电路，配备晶振并设置工作指示灯。

正弦电压产生电路用于向接地系统的多条引下线施加测量电压。该部分由信号发生模块、信号放大模块、功率放大模块组成。其中信号发生模块可由DDC芯片通过编程实现正弦波的输出，也可由主控制器输出后滤波得到，还可由主控制器DA模块或DA芯片直接输出；若上述输出电压较小，则需信号放大模块将输出电压放大至较大电压值；另外，该电路需驱动电压互感器，功率较大，无法直接连接，因此应通过功率放大电路来驱动。

电流检测电流检测测量电压在引下线产生的电流，并反馈至控制器。该部分由IV转换模块、滤波模块、交直流转换模块、AD转换模块组成。当测量接地回路电阻值时，电流数据通过电流互感器回读，电流信号应首先转换为电压值再进行测量，而回读的信号干扰较大，应对其滤波处理，滤波后该信号仍为交流电压值，无法直接测量其大小，应通过交直流转换模块将其转换为直流电压，再通过AD转换，测量其数据。

若接地回路非纯阻性负载，而影响杆塔防雷性能的是阻性部分，当测量接地回路阻抗值或者计算接地体接地电阻值时，应区分阻性部分和感性部分，必须对测量的电流数据进行相位检测，因此设置相位检测电路。相位检测电路对测量的电流数据进行相位检测，若电流包括阻性部分和感性部分，电流检测电路将阻性部分和感性部分一起反馈至控制器，控制器根据反馈计算接地回路阻抗值。

S02)、列写结点电压方程：

首先构建接地系统等效电路，如图2所示，设接地系统有N条引下线，将N条引下线视为N个并联的支路，N条引下线通过接地体接地，N条引下线的等效电阻为R₁～R_N，接地体等效电阻值为R_g，测量时，正弦电压产生电路对N条引下线施加的测量电压为U₁～U_N，各引下线电流为I₁～I_N，接地体两端电压为U，则根据结点电压法，有：

公式(1)中，U无法直接测量，但根据基尔霍夫电流定律及欧姆定律有：

将公式(2)代入公式(1)，即为：

整理可得：

公式(4)即为结点电压方程；

S03)、列写回路电阻方程，利用钳表法钳入第i条引下线，获得测量数据T_i，并且测量数据T_i为：

T_i＝R_i+R₁//R₂//…//R_i-1//R_i+1//…//R_N//R_g (5)，

则R_i＝T_i-R₁//R₂//…//R_i-1//R_i+1//…//R_N//R_g (6)，

其中//表示并联，R₁//R₂//…//R_i-1//R_i+1//…//R_N//R_g表示取R₁、R₂、···、R_i-1、R_i+1、···、R_N、R_g并联后的电阻值；

公式(6)即为回路电阻方程；

S04)、求解接地电阻，引下线等效电阻R₁～R_N、接地体等效电阻值为R_g为被求量：

正弦电压产生电路对接地系统各引下线施加一组测量电压，电流检测电路检测各引下线的电流，构建结点电压方程；

对于N条引下线，分别利用钳表法获得N个测量数据T_i，基于N个测量数据T_i构建N个回路电阻方程；

将结点电压方程与回路电阻方程联立，求得各引下线等效电阻和接地体等效电阻。

上述方程组为非线性方程组，现有技术可以求解，但求解复杂，但根据实际工程情况，引下线等效电阻R₁～R_N均较小，且基本平衡，而R_g较大，因此，从回路电阻方式上看，T_i≈R_i。

但也可计算各数据的精确值，可令R_i(1)＝T_i，将该数据代入结点电压方程，求得R_g(1)，再重新代入回路电阻方程，求得R_i(2)和R_g(2)，多次迭代，直至数据稳定，结果即为所求。

若上述计算过程中，若某引下线故障，则在列写结点电压方程和回路电阻方程时不再考虑该支路，方程数量依次减少。

对于n条引下线接地的接地系统，利用该方法的操作步骤如下：

步骤1：利用钳表法钳入第1条引下线，获取其测量数据T₁。若T₁较小，则初步表明该引下线状态正常，保留该数据；若T₁较大，超出接地电阻测量操作规范所规定的数值，则判断该引下线故障，认为该引下线对于整个接地系统无影响，在后续计算过程中不再考虑。

步骤2：对于n条引下线，重复步骤1过程，获取全部测量数据T₁～T_n。将状态正常引下线与故障引下线分类，可分组为第1～k条引下线状态正常，第k+1～n条引下线故障，对于第1～k条引下线，保留测量数据T₁～T_k。

步骤3：对于状态正常的k条引下线，施加一组测量电压为U₁～U_k，并测量各引下线电流数据I₁～I_k，构建结点电压方程，与回路电阻方程联立，形成方程组。

步骤4：根据精度要求，确定允许误差值e，及允许迭代次数q。令R_i(1)＝T_i，将该数据代入结点电压方程，求得R_g(1)，其中R_i(1)为迭代计算的初始值，T_i是钳表法的测量值；再重新代入回路电阻方程，求得R_i(2)，再将R_i(2)带入结点电压方程，求得R_g(2)，R_i(2)和R_g(2)为第二次迭代计算的结果，多次迭代，直至|R_g(p)-R_g(p-1)|＜e，迭代结束，结果即为所求。若p＝q时，仍未达到|R_g(p)-R_g(p-1)|＜e，则该方法不适用，仍然利用钳表测量值计算接地电阻。

本方法对于多引下线接地系统，可以便捷的实现接地极接地电阻及引下线电阻的综合测量。基于回路法，利用电压互感器将电压感应至引下线，再利用电流互感器采集引下线上的电流值，根据结点电压方法，列写方程，求解得到待求量。若某一接地引下线断开，系统能够实现判断并且不影响方程的求解。若电路中某参数为阻抗形式，该方法仍然适用。

以上描述的仅是本发明的基本原理和优选实施例，本领域技术人员根据本发明做出的改进和替换，属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于结点电压法的多引下线接地电阻测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

S01)、构建接地电阻测量电路：

接地电阻测量电路包括控制器、正弦电压产生电路和电流检测电路，正弦电压产生电路用于向接地系统的多条引下线施加测量电压，电流检测电流检测测量电压在引下线产生的电流，并反馈至控制器；

S02)、列写结点电压方程：

首先构建接地系统等效电路，设接地系统有N条引下线，将N条引下线视为N个并联的支路，N条引下线通过接地体接地，N条引下线的等效电阻为R₁～R_N，接地体等效电阻值为R_g，测量时，正弦电压产生电路对N条引下线施加的测量电压为U₁～U_N，各引下线电流为I₁～I_N，接地体两端电压为U，则根据结点电压法，有：

公式(1)中，U无法直接测量，但根据基尔霍夫电流定律及欧姆定律有：

将公式(2)代入公式(1)，即为：

整理可得：

公式(4)即为利用结点电压法列写的方程；

S03)、列写回路电阻方程，利用钳表法钳入第i条引下线，获得测量数据T_i，并且测量数据T_i为：

T_i＝R_i+R₁//R₂//…//R_i-1//R_i+1//…//R_N//R_g (5)，

则R_i＝T_i-R₁//R₂//…//R_i-1//R_i+1//…//R_N//R_g (6)，

其中//表示并联，R₁//R₂//…//R_i-1//R_i+1//…//R_N//R_g表示取R₁、R₂、···、R_i-1、R_i+1、···、R_N、R_g并联后的电阻值；

公式(6)即为回路电阻方程；

S04)、求解接地电阻，引下线等效电阻R₁～R_N和接地体等效电阻值为R_g为被求量：

正弦电压产生电路对接地系统各引下线施加一组测量电压，电流检测电路检测各引下线的电流，构建结点电压方程；

对于N条引下线，分别利用钳表法获得N个测量数据T_i，基于N个测量数据T_i构建N个回路电阻方程；

将结点电压方程与回路电阻方程联立，求得各引下线等效电阻和接地体等效电阻；

上述方程组为非线性方程组，计算过程中，若某引下线故障，则在列写结点电压方程和回路电阻方程时不再考虑该支路，方程数量依次减少。

2.根据权利要求1所述的基于结点电压法的多引下线接地电阻测量方法，其特征在于：通过迭代求解接地电阻，具体步骤为：

S41)、根据精度要求确定允许误差值e及允许迭代次数q，令R_i(1)＝T_i，将该数据代入结点电压方程，求得R_g(1)，其中R_i(1)为迭代计算的初始值，也是钳表法的测量值；

S42)、将R_g(1)重新代入回路电阻方程，求得R_i(2)和R_g(2)，多次迭代，直至|R_g(p)-R_g(p-1)|＜e，迭代结束，结果即为所求，若p＝q时，仍未达到|R_g(p)-R_g(p-1)|＜e，则迭代法不适用，无法利用该方法计算接地电阻。

3.根据权利要求1所述的基于结点电压法的多引下线接地电阻测量方法，其特征在于：接地电阻测量电路还包括相位检测电路，相位检测电路对测量的电流与发出的电压之间的相位差进行检测，若被求量包括阻性部分和感性部分，电流检测电路将测量的电流大小和相位一起反馈至控制器，控制器根据反馈结果计算接地回路阻抗值。

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