CN112730990A - 一种大型接地网阻抗测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大型接地网阻抗测试装置，属于电力测量技术领域。包括电源模块、电压测量模块、电流测量模块和控制模块；所述电源模块包括调压单元、整流单元、滤波单元、稳压单元和逆变单元；所述电压测量模块包括电压测量端子、电压滤波单元和隔离放大单元；所述电流测量模块包括电流测量端子、电流互感器、电流滤波单元和运算放大单元；所述控制模块包括处理单元、显示单元及操作单元。本发明利用交变方波信号来测试接地阻抗，能够更有效的避免工频干扰，提高测试的准确度；本发明能够应对故障情况下产生的高频干扰，能够检测存在高频干扰故障地网的阻抗情况；本发明的电源测试导线与电流测试导线均采用屏蔽导线，能够更有效的避免互感影响。

Description

一种大型接地网阻抗测试装置

技术领域

本发明属于电力测量技术领域，具体涉及一种大型接地网阻抗测试装置。

背景技术

我国的电力建设发展速度很快，随着系统额定电压等级的提高，高电压，大容量的变电站日益增多，电力设备和电力系统的安全运行也就显得尤为重要，首当其冲的就是能直接反映接地网性能和状态好坏的接地阻抗，其准确测量的重要意义是不言而喻的。

目前对变电站大型接地网的测量或测试多采用异频测试法，所述异频测试法是采用区别于工频（50Hz）的正弦波电流信号（如45Hz，55Hz）实现对阻抗的测量。如国家标准GB/T 17949.1-2000《接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则 第1部分:常规测量》就提到：在测量大型接地系统的工频接地阻抗时，应采取一些措施。对于这种测量，测试装置应在接近工频下工作，但测试频率应稍高或稍低于工频。

如专利文献CN108152595A提出一种地网类工频接地阻抗测试仪，所述测试仪包括异频横流电源、电流放大器和电压放大器，所述异频恒流源输出可变频率测试电流；所述电流放大器从电流互感器取得电流信号并放大后送给滤波器I，所述电压放大器采集电压输入端的电压放大后送给滤波器II，经滤波器I和滤波器II过滤后的电流和电压经过A/D转换器传送给微控制器，所述微控制器内含有存储单元，用于保存每次的测试数据。所述异频恒流源输出频率为45Hz或55Hz的有效值为1-3A的可调正弦波测试电流。

又如专利文献CN211928028U提出一种基于异频信号的大功率接地电阻测量装置，所述测量装置包括变频电源、隔离变压器、电压和电流采样单元、可控切换测量单元、主板及人机操作、滤波电路和软件，其特征在于：所述变频电源的输出端与隔离变压器的输入端单向电性连接，所述隔离变压器的输出端与电压和电流采样单元的输入端单向电性连接，所述电压和电流采样单元输出端与可控切换测量单元的输入端单向电性连接，所述可控切换测量单元的输出端与主板及人机操作的输入端单向电性连接，所述软件包括数字滤波及傅里叶变换技术和人机界面；所述电阻测量装置采用更接近工频的异频对称信号(45Hz和55Hz)；所述变频电源经LC滤波后为纯正弦波。

上述专利文献均通过在接地网注入异频测试电流的方式实现对接地阻抗的测量，但上述专利采用的都是正弦波信号（交流电），电力系统中的50Hz工频干扰往往也是正弦波形，因此在分析处理时，不易提取测试的波形数据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种大型接地网阻抗测试装置。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种大型接地网阻抗测试装置，包括电源模块、电压测量模块、电流测量模块和控制模块；

所述电源模块包括调压单元、整流单元、滤波单元、稳压单元和逆变单元，用于将输入的交流电转换为直流交变方波信号，所输出交变方波信号的频率及电流均可调；

所述电压测量模块包括电压测量端子、电压滤波单元和隔离放大单元，用于采集电压信号，将采集到的电压信号经过滤波、放大处理后，发送至所述控制模块；

所述电流测量模块包括电流测量端子、电流互感器、电流滤波单元和运算放大单元，用于采集电流信号，将采集到的电流信号经过滤波、放大处理后，发送至所述控制模块；

所述控制模块包括处理单元、显示单元和操作单元，用于调整所述电源模块的输出频率大小及输出电流大小、用于分析处理所采集到的电压信号和电流信号，并计算出接地阻抗；所述电源模块、所述电压测量模块和所述电流测量模块均与所述控制模块电性连接。

进一步的，所述电压测量模块还包括电压测试导线，所述电流测量模块还包括电流测试导线；所述电压测试导线与所述电流测试导线均为屏蔽导线。

进一步的，所述电压测量模块还包括电压量程切换单元，所述电流测量模块还包括电流量程切换单元；所述电压量程切换单元与所述电流量程切换单元均与所述控制模块电性连接，均可在所述控制模块的控制下自动调节量程。

进一步的，所述电源模块的输出频率可调范围为0-5000Hz。

进一步的，所述电源模块的输出电流可调范围为0-10A。

进一步的，所述控制模块还包括存储单元和打印单元。

接地网的接地阻抗是复数阻抗，不仅包含电阻分量，还含有与频率有关的电抗性分量（电感性和电容性分量，即感抗和容抗）。测试电阻或阻抗时需要首先测量电压和电流，并通过欧姆定律计算，但当我们直接测量接地网的电压电流信号，或通过传感器将各种物理量转换为电压电流信号然后测量时，很难得到测试结果，因为接地网中存在很强的50Hz干扰，所以微弱的测试信号因与50Hz强干扰而难以测出。特别是大型接地网的接地阻抗一般很小（一般在0.5Ω以下），干扰带来的相对误差更大。

在这种情况下，采用工频的方法测试接地阻抗时，为排除工频干扰，就需要增加测试电流，如行业标准《接地装置特性参数测量导则》（DL/T 475-2017）中就提到：如果采用工频电流测试接地装置的工频特性参数，应采用独立电源或经隔离变压器供电，并尽可能加大试验电流，试验电流不宜小于50A。但采用大电流进行测试，必然需要增大试验设备的体积和导线的横截面积，布线和搬运设备时耗时耗力，并且测试时会给变电站设备带来安全威胁。

为了解决这种问题，目前对接地阻抗的测试多采用异频法，即在接地网上输入异于工频的正弦波信号源。在测试时可采用接近工频的频率，如采用两点对称变频测量（如45Hz、55Hz），或采用多点对称变频测量（如45Hz、47Hz、53Hz、55Hz），随后根据异频下的测量结果计算出50Hz下的接地阻抗。如文献《大型地网接地电阻的测量》（李进扬. 大型地网接地电阻的测量[J]. 高电压技术, 2006, 32(10): 141-142.）就介绍了这种测试方法。

但采用异频法进行测试时仍具有以下缺陷：

1、测试所用异频电流频率与工频接近并且采用标准的正弦波波形，因此其与50Hz工频的波形接近，因此在通过滤波器过滤工频干扰时，易对测试结果造成影响，通过其他方法也难以提取测试的波形数据。

如行业标准《接地装置特性参数测量导则》（DL/T 475-2017）中提到：宜采用异频电流法测试接地装置的工频特性参数。试验电流频率宜在40Hz～60Hz范围，标准正弦波波形，电流幅值通常不宜小于3A。

2、测试时电压极及电流极会出现互感现象，影响最终的测试结果。因此在测试时需要保持电压极与电流极远离，要求电源测试导线与电流测试导线呈角度放置。如文献《互感对大型地网接地电阻测试的影响》（陈宇民, 施勇. 互感对大型地网接地电阻测试的影响[J]. 云南电力技术, 2007, 35(2): 5-7.）就介绍了上述影响及消除方法。

但很多时候变电站周遭的地理环境较为复杂，多为野外作业，测试工作的进行受制于地形地貌，电压极与电流极很难达到理想的距离和角度，因此，二者之间的互感影响很难完全消除。

3、大型接地网的阻抗非常复杂，不仅存在50Hz工频干扰，在一些故障情况下，还可能产生几千赫兹的干扰信号，目前的阻抗测试设备由于调频范围有限（多为接近工频的频率），很难做到精确测量。

在这种情况下，本发明人提出一种利用交变方波信号实现对接地阻抗的测试装置。

本发明的有益效果如下：

本发明的电源模块可以将交流电压转换为直流的交变方波信号，并将交变方波信号输出至接地网，电压测量模块和电流测量模块通过对交变方波信号的检测来完成阻抗的测试。本发明所生成的交变方波信号与正弦波的波形区分明显，能够更有效的避免50Hz工频等正弦波的干扰，提高测试的准确度。

本发明可以通过在0-5000Hz间调频的方式实现对接地阻抗进行测量，能够应对一些故障情况下产生的高频干扰，能够检测到一些存在高频干扰故障地网的阻抗情况，可以更加全面的了解接地网的工作情况。

本发明的电源测试导线与电流测试导线均采用屏蔽导线，采用屏蔽导线能够屏蔽导线内外的电磁信号，能够更有效的避免电源测试导线与电流测试导线均之间的互感影响。

本发明采用软硬件结合的方式自动完成滤波、运算等操作，直接计算出接地网的接低阻抗，抗干扰能力，测量精度高。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

图1：本发明实施例1的电路原理框图。

图2：本发明实施例1的部件连接图。

图3：本发明实施例1的使用示意图。

图4：本发明实施例2的部件连接图。

其中：1-逆变单元，2-电压测量端子，3-电流测量端子，4-电压级，5-电流极，6-电压测试导线，7-电流测试导线，8-接地网。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例和附图进一步清楚阐述本发明的内容，但本发明的保护内容不仅仅局限于下面的实施例。在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。

实施例1：

参阅图1，本发明包括：电源模块、电压测量模块、电流测量模块和控制模块。

所述电源模块用于将220V 50Hz的交流电通过调压、整流、滤波、稳压和逆变处理后，转换为交变方波信号。所述电源模块包括调压单元、整流单元、滤波单元、稳压单元和逆变单元。所述调压单元，连接220V 50Hz的输入电源，用于调节输出电压；所述整流单元与所述调压单元电性连接，用于将正、负交变的50Hz电源变成单方向脉动的直流电压；所述滤波单元与所述整流单元电性连接，用于滤除整流后电压中的交流分量，从而得到平滑的直流电压；所述稳压单元与所述滤波单元电性连接，用于确保输出电压在一定的范围内稳定不变；所述逆变单元与所述稳压单元电性连接，同时与所述控制模块中的处理单元电性连接，用于将直流电压（波形为直线）转换为直流的交变方波信号（波形为方波），所输出的交变方波信号的频率在30Hz-70Hz范围内可调，所输出的交变方波信号的电流值在0-10A范围内可调。

所述电压测量模块用于采集电压信号，将采集到的电压信号经过滤波、放大处理后，发送至控制模块。所述电压测量模块包括电压测量端子、电压滤波单元和隔离放大单元。所述电压测量端子用于采集电压信号；所述电压滤波单元与所述电压测量端子电性连接，用于过滤电压信号中的干扰频率；所述隔离放大单元的输入端与所述电压滤波单元电性连接，输出端与所述控制模块中的处理单元电性连接，输入端与输出端互相隔离（欧姆隔离），用于将电压信号放大后发送至控制模块，以便供控制模块分析处理。

所述电流测量模块用于采集电流信号，将采集到的电流信号经过滤波、放大处理后，发送至控制模块。所述电流测量模块包括电流测量端子、电流互感器、电流滤波单元和运算放大单元。所述电流测量端子穿过所述电流互感器，用于采集待测量的电流信号；所述电流互感器用于感应出电流信号；所述电流滤波单元与所述电流互感器电性连接，用于过滤电流信号中的干扰频率；所述运算放大单元的输入端与所述电流滤波单元电性连接，输出端与所述控制模块中的处理单元电性连接，用于将电流信号放大后发送至控制模块，以便供控制模块分析处理。

所述控制模块用于调整所述电源模块的输出频率大小及输出电流大小、用于分析处理所述电压模块所采集到的电压信号、用于分析处理所述电流模块所采集到的电流信号，并计算出接地阻抗。所述控制模块包括处理单元、显示单元及操作单元。所述处理单元采用单片机等处理器芯片，用于进行运算处理；所述显示单元为液晶显示屏，用于显示电压、频率及计算出的阻抗等信息；所述操作单元用于实现对本发明的操作及控制；所述显示单元及所述操作单元均与所述处理单元电性连接。

本实施例相关部件连接关系及信号传输如图2所示。

图3为本实施例工作时的连线图，如图3所示，所述逆变单元1的电源输出端口与所述接地网8连接，所述电压测量端子2通过电压测试导线6连接电压极4，所述电流测量端子3通过电流测试导线7连接电流极5。所述电压极4与所述电流极5均为金属接地桩，均设置在所述接地网8附近靠近地表的土壤中。

所述电压极4与所述电流极5的位置，以及所述电压测试导线6与电流测试导线7的走向，可参考《接地装置特性参数测量导则》（DL/T 475-2017）的规定，选择三极法中的直线法、夹角法或反向法。

为尽可能的减少电压极4、电压测试导线6与电流极5、电流测试导线7之间的互感现象，本实施例电压测试导线6和电流测试导线7均采用屏蔽导线，且所述屏蔽导线的屏蔽层接地。

本发明的工作步骤如下：

1、确定电压极4与电流极5的位置，将二者打入地下，使其与土壤紧密接触；

2、将逆变单元1的电源输出端口用导线与接地网8连接；

3、用电压测试导线6连接电压极4与电压测量端子2，用电流测试导线7连接电流极5与电流测量端子3，并将电压测试导线6与电流测试导线7的屏蔽层分别接地；

4、将本发明接通电源后开机；

5、通过操作单元设置测试频率及输出电流大小；

6、通过调压单元设置输出电压大小；

7、通过操作单元启动测试程序，完成测试。

实施例2：

如图4所示，本实施例提供的大型接地网阻抗测试装置是在实施例1的基础上进行了以下改进：在所述电压测量端子及所述电压滤波单元之间增加了电压量程切换单元，在所述电流互感器及所述电流滤波单元之间增加了电流量程切换单元。

所述电压量程切换单元与所述电流量程切换单元均与所述处理单元电性连接，均可在所述处理单元的控制下自动调节量程。当采用合适的量程时，可使所测量的信号更加清晰，便于后续处理。

实施例3：

本实施例提供的大型接地网阻抗测试装置是在实施例2的基础上进行了以下改进：所述逆变单元的输出频率可调范围为0-5000Hz。

大型接地网的阻抗非常复杂，不仅存在50Hz工频干扰，在一些故障情况下，还可能产生几千赫兹的高频干扰信号。因此，本实施例可以通过在0-5000Hz间调频的方式对接地阻抗进行测量，能够应对一些故障情况下产生的高频干扰，可以更加全面的了解接地网的工作情况。

实施例4：

本实施例提供的大型接地网阻抗测试装置是在实施例3的基础上进行了以下改进：本实施例所述控制模块还设置有打印单元，所述打印单元与所述处理单元电性连接。

所述打印单元为热敏打印机，可以在完成测试后直接打印出测试结果。

实施例5：

本实施例提供的大型接地网阻抗测试装置是在实施例4的基础上进行了以下改进：本实施例所述控制模块还设置有存储单元，所述存储单元与所述处理单元电性连接。

所述存储单元可以为闪存或存储卡等存储元件，用于存储测试结果，便于操作人员后续获取历史测试数据。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种大型接地网阻抗测试装置，其特征在于：包括电源模块、电压测量模块、电流测量模块和控制模块；

所述电源模块包括调压单元、整流单元、滤波单元、稳压单元和逆变单元，用于将输入的交流电转换为直流交变方波信号，所输出交变方波信号的频率及电流均可调；

所述电压测量模块包括电压测量端子、电压滤波单元和隔离放大单元，用于采集电压信号，将采集到的电压信号经过滤波、放大处理后，发送至所述控制模块；

所述电流测量模块包括电流测量端子、电流互感器、电流滤波单元和运算放大单元，用于采集电流信号，将采集到的电流信号经过滤波、放大处理后，发送至所述控制模块；

所述控制模块包括处理单元、显示单元和操作单元，用于调整所述电源模块的输出频率大小及输出电流大小、用于分析处理所采集到的电压信号和电流信号，并计算出接地阻抗；所述电源模块、所述电压测量模块和所述电流测量模块均与所述控制模块电性连接。

2.根据权利要求1所述的大型接地网阻抗测试装置，其特征在于：所述电压测量模块还包括电压测试导线，所述电流测量模块还包括电流测试导线；所述电压测试导线与所述电流测试导线均为屏蔽导线。

3.根据权利要求2所述的大型接地网阻抗测试装置，其特征在于：所述电压测量模块还包括电压量程切换单元，所述电流测量模块还包括电流量程切换单元；所述电压量程切换单元与所述电流量程切换单元均与所述控制模块电性连接，均可在所述控制模块的控制下自动调节量程。

4.根据权利要求3所述的大型接地网阻抗测试装置，其特征在于：所述电源模块的输出频率可调范围为0-5000Hz。

5.根据权利要求4所述的大型接地网阻抗测试装置，其特征在于：所述电源模块的输出电流可调范围为0-10A。

6.根据权利要求5所述的大型接地网阻抗测试装置，其特征在于：所述控制模块还包括存储单元和打印单元。

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