CN206178121U - 一种模块化的变电站接地网地表磁场检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种模块化的变电站接地网地表磁场检测系统，由激励电流源模块A、磁场测量模块B和上位机C三种模块组成，其中激励电流源模块A产生激励电流I，从任一个接地网上引接地体注入电流，并从另一个接地网上引接地体抽出电流；多个磁场测量模块B等间距布置在地表，获取接地网地表测量区域S内各个测量点处的磁感应强度，并上传采集数据；上位机C控制激励电流I输出，启动磁场测量，接收采集数据，并显示输出测量区域S的磁感应强度分布情况。各模块之间单独供电，相互之间以RS485总线或无线通信模块进行通信。整个检测系统结构简单，便于模块化搭接和系统维护。

Description

一种模块化的变电站接地网地表磁场检测系统

技术领域

本实用新型涉及电力系统故障检测技术领域，尤其涉及一种模块化的变电站接地网地表磁场检测系统。

背景技术

接地网是变电站安全运行的重要保证，其接地性能一直受到设计和生产运行部门的重视。接地网在变电站安全运行中，不仅为变电站内各种电气设备提供一个公共的电位参考地，在接地网遭受雷击或电力系统发生短路故障时，还能迅速排泄故障电流，并降低变电站的地电位升。接地网接地性能的优劣直接关系到变电站内工作人员的人身安全和各种电气设备的安全及正常运行。我国接地网一般采用扁钢制成,相互连接成网格形状，水平埋在地下深约0.3～2米，网格的间距通常3～7米，两侧的网格的比例通常为1:1～1:3。由于接地网长期运行容易发生腐蚀, 需要及时检测接地网的缺陷并采取修复措施。

基于电磁场理论的分析方法作为目前接地网腐蚀诊断的主要方法之一，主要是通过向接地网注入一定频率的电流，并测量接地网地表磁场强度，最后根据磁场的分布对接地网腐蚀程度进行诊断。

在接地网地表磁场测量过程中，测量区域较大，测量点数目较多，同时要求测量点间距相等，普通的单个磁场检测单元无法满足现场测量需求，因此需要设计结构简单、使用方便、测量准确的接地网地表磁场测量系统。

发明内容

本实用新型针对检测接地网地表磁场，提供了一种模块化的变电站接地网地表磁场检测系统，用于检测接地网地表磁场分布。

为了实现上述目的本实用新型采用如下技术方案：一种模块化的变电站接地网地表磁场检测系统，包括激励电流源模块、至少2个磁场测量模块和上位机，其中所述激励电流源模块产生激励电流，其输入输出端分别与接地网中任意两个上引接地体连接构成回路，激励电流源模块的通信端通过RS485总线或无线通信方式与上位机和磁场测量模块进行通信；磁场测量模块采集测量点的磁感应强度，磁场测量模块的通信端通过RS485总线或无线通信方式与上位机和电流源模块进行通信。

在本实用新型的具体实施例中，所述激励电流源模块包括电池Ⅰ、DC-DC变换单元Ⅰ、功率放大单元、D/A转换单元、信号滤波单元、数据通信单元Ⅰ和微控制器单元Ⅰ，所述电池Ⅰ与DC-DC变换单元Ⅰ连接，DC-DC变换单元Ⅰ将电池电压变换为±5V、+3.3V电压为功率放大单元、D/A转换单元、信号滤波单元、数据通信单元Ⅰ和微控制器单元Ⅰ供电。

所述微控制器单元Ⅰ的数据端与数据通信单元Ⅰ连接，数据通信单元Ⅰ与上位机和磁场测量模块进行通信，微控制器单元Ⅰ的输出端与D/A转换单元的输入端连接，D/A转换单元的输出端依次串联信号滤波单元和功率放大单元，功率放大单元输出激励电流。

上述激励电流是频率为20~2000Hz、幅值为0~10A的稳定正弦信号。

进一步，所述磁场测量模块包括电池Ⅱ、DC-DC变换单元Ⅱ、检测线圈、信号处理单元、A/D转换单元、数据通信单元Ⅱ和微控制器单元Ⅱ，其中所述电池Ⅱ与DC-DC变换单元Ⅱ连接，DC-DC变换单元Ⅱ将电池电压变换成±5V、±12V、+3.3V电压，为检测线圈、信号处理单元、A/D转换单元、数据通信单元Ⅱ和微控制器单元Ⅱ供电。还包括与微控制器单元Ⅱ连接的外部存储器。

所述检测线圈将磁感应强度转换为电压信号，检测线圈与信号处理单元连接，信号处理单元与A/D转换单元连接，A/D转换单元的输出端与微控制器单元Ⅱ的数据输入端连接，微控制器单元Ⅱ的数据端与数据通信单元Ⅱ连接。

本实用新型中，所述磁场测量模块B中具有n个检测线圈和n个信号处理单元，A/D转换单元具有n个采集通道，一个检测线圈、一个信号处理单元和一个A/D转换单元采集通道组成一路测量通道，每路测量通道单独采集一个测量点处的磁感应强度，其中1≤n≤16。

所述n个检测线圈布置在测量区域内，布置时各检测线圈间距相等。

本实用新型的方法在检测变电站接地网地表磁场时能够达到的有益技术效果如下：变电站接地网地表磁场检测系统采用模块化设计，由激励电流源模块A、磁场测量模块B和上位机C三种模块组成，其中激励电流源模块A产生激励电流I，从任一个接地网上引接地体注入电流，并从另一个接地网上引接地体抽出电流；多个磁场测量模块B等间距布置在地表，获取接地网地表测量区域S内各个测量点处的磁感应强度，并上传采集数据；上位机C控制激励电流I输出，启动磁场测量，接收采集数据，并显示输出测量区域S的磁感应强度分布情况。各模块之间单独供电，相互之间以RS485总线或无线通信模块进行通信。整个检测系统结构简单，便于模块化搭接和系统维护。本实用新型能够获得接地网地表磁场分布，便于后期对变电站接地网的拓扑结构和腐蚀情况进行分析。

附图说明

图1为本实用新型的变电站接地网地表磁场检测系统示意图；

图2为本实用新型的激励电流源模块A结构图；

图3为本实用新型的磁场测量模块B结构图；

图4为本实用新型的变电站接地网地表磁场检测系统工作流程图。

具体实施方式

参见图1，变电站接地网地表磁场检测系统由一个激励电流源模块A、k个磁场测量模块B和一个上位机C组成,其中k≥2，激励电流源模块A、磁场测量模块B和上位机C分别单独供电，并相互之间以RS485总线或无线通信模块进行通信。激励电流源模块A负责产生激励电流I，利用接地网的上引接地体，从任一个上引接地体注入电流，并从另一个上引接地体抽出电流；磁场测量模块B负责采集测量点处的磁感应强度，在接地网地表面确定一个测量区域S，布置k个磁场测量模块B，获取所述测量区域S的磁感应强度；上位机C先控制激励电流源模块A输出激励电流I，之后启动磁场测量模块B进行磁场信号采集,并接收磁场测量模块B上传的采集数据，最后显示输出测量点处的磁感应强度。

激励电流源模块A产生频率为1kHz、幅值为1A的激励电流I，从任一个接地网的上引接地体注入电流，并从另一个接地网的上引接地体抽出电流，激励电流I在地表产生交变磁场；在接地网地表确定一个测量区域S，面积为0.5m×3.1m，测量面积S划分成2×32个网格，选定网格的节点为测量点，其中行间距为0.5m，列间距为0.1m；每个磁场测量模块B具有n=8个采集通道，以相邻8个测量点为一组布置一个磁场测量模块B，总共布置k=8个磁场测量模块B来获取所述测量区域S的磁感应强度。

磁场测量模块B布置步骤包括：

（a）以垂直于测量区域S向上为z轴正方向，建立右手直角坐标系xyz，其中坐标轴x轴和y轴与测量区域S的边平行或垂直。

（b）将测量区域S划分成M×N网格，网格的行与y轴平行，网格的行间距相等，网格的列间距相等，选定网格的节点为测量点，其中M为网格的行数，N为网格的列数，且列数N为采集通道n的整数倍。

（c）沿y轴正方向，以相邻n个测量点为一组布置一个磁场测量模块B，M×N网格上布置磁场测量模块B的数量为k=M×N/n。

参见图2，所述激励电流源模块A由电池Ⅰa1、DC-DC变换单元Ⅰa2、功率放大单元a3、D/A转换单元a4、信号滤波单元a5、数据通信单元Ⅰa6和微控制器单元Ⅰa7组成；电池a1为14.8V锂电池组，DC-DC变换单元a2采用芯片NCP3155、NCP3163、NCP1117将电池Ⅰa1电压变换成±5V、+3.3V电压为功率放大单元a3、D/A转换单元a4、信号滤波单元a5、数据通信单元Ⅰa6和微控制器单元a7Ⅰ供电；微控制器单元Ⅰa7采用芯片STM32F373RC控制器，D/A转换单元a4采用16位D/A转换芯片DAC8562，信号滤波单元a5采用运算放大器LM2904构成中心频率为1kHz的带通滤波电路，功率放大单元a3采用功率运算放大器OPA548构成功率放大电路，数据通信单元Ⅰa6采用RS485收发器芯片ISL3178EIBZ；微控制器单元Ⅰa7通过SPI接口控制D/A转换单元a4输出1kHz的交流信号V1，交流信号V1经信号滤波单元a5输出交流信号V2，交流信号V2经功率放大单元a3输出频率为1kHz、幅值为1A的激励电流I；微控制器单元Ⅰa7通过数据通信单元Ⅰa6与磁场测量模块B、上位机C通信。

参见图3，所述磁场测量模块B由电池Ⅱb1、DC-DC变换单元Ⅱb2、检测线圈b3、信号处理单元b4、A/D转换单元b5、外部存储器b6、数据通信单元Ⅱb7、微控制器单元Ⅱb8组成；电池Ⅱb1为14.8V锂电池组，DC-DC变换单元Ⅱb2采用芯片NCP3155、NCP3063、NCP1117将电池Ⅱb1电压变换成±5V、±12V、+3.3V电压为信号处理单元b4、A/D转换单元b5、外部存储器b6、数据通信单元Ⅱb7和微控制器单元Ⅱb8供电；检测线圈b3采用770匝的绕制线圈，信号处理单元b4采用运算放大器LM2904构成中心频率为1kHz的带通滤波电路和放大倍数为10000倍的信号放大电路，A/D转换单元b5采用8通道、24位模数转换器ADS1278，微控制器单元Ⅱb8采用STM32F439ZI控制器，外部存储器b6采用SDRAM存储器IS42S16400J-7TLI，数据通信单元Ⅱb7采用RS485收发器芯片ISL3178EIBZ；检测线圈b3将测量点处的磁感应强度转换为电压信号V3，信号处理单元b4对电压信号V3进行信号滤波、信号放大处理并输出电压信号V4，A/D转换单元b5对电压信号V4进行模数转换并将采集数据传送至微控制器单元Ⅱb8；微控制器单元Ⅱb8将采集数据存储到外部存储器b6；微控制器单元Ⅱb8通过数据通信单元Ⅱb7与激励电流源模块A、上位机C通信。上位机C采用笔记本电脑。

磁场测量模块B具有8个检测线圈b3和8个信号处理单元b4，A/D转换单元b5具有8个采集通道，一个检测线圈b3、一个信号处理单元b4和一个A/D转换单元b5采集通道组成一路测量通道，每路测量通道单独采集一个测量点处的磁感应强度，磁场测量模块B中检测线圈b3的布置间距为0.1m。

参见图4，变电站接地网地表磁场检测系统工作流程为：1.确定测量区域S和激励电流注入、抽出上引接地体；2.布置激励电流源模块A、磁场测量模块B和上位机C，并接线；3.上位机C控制激励电流源模块A输出激励电流I；4.上位机C控制磁场测量模块B启动磁场信号采集,并上传采集数据；5.上位机C接收采集数据，并显示输出测量区域S的磁感应强度分布情况；6.上位机C控制激励电流源模块A和磁场测量模块B关闭。

显然，以上所述为本实用新型的较佳实例，并不用于限定本实用新型的保护范围。上述实施例中微控制器和上位机的控制过程可采用本领域技术人员知晓的技术实现。凡在本实用新型的原则之内，任何熟悉本领域的技术人员作出的修改、同等替换和改进，都应视为包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (7)

1.一种模块化的变电站接地网地表磁场检测系统，其特征在于：包括激励电流源模块（A）、至少2个磁场测量模块（B）和上位机（C），其中所述激励电流源模块（A）产生激励电流，其输入输出端分别与接地网中任意两个上引接地体（E）连接构成回路，激励电流源模块（A）的通信端通过RS485总线或无线通信方式与上位机（C）和磁场测量模块（B）进行通信；磁场测量模块（B）采集测量点的磁感应强度，磁场测量模块（B）的通信端通过RS485总线或无线通信方式与上位机（C）和电流源模块（A）进行通信。

2.根据权利要求1所述一种模块化的变电站接地网地表磁场检测系统，其特征在于：所述激励电流源模块（A）包括电池Ⅰ（a1）、DC-DC变换单元Ⅰ（a2）、功率放大单元（a3）、D/A转换单元（a4）、信号滤波单元（a5）、数据通信单元Ⅰ（a6）和微控制器单元Ⅰ（a7），所述电池Ⅰ（a1）与DC-DC变换单元Ⅰ（a2）连接，DC-DC变换单元Ⅰ（a2）将电池电压变换为±5V、+3.3V电压为功率放大单元（a3）、D/A转换单元（a4）、信号滤波单元（a5）、数据通信单元Ⅰ（a6）和微控制器单元Ⅰ（a7）供电；

所述微控制器单元Ⅰ（a7）的数据端与数据通信单元Ⅰ（a6）连接，微控制器单元Ⅰ（a7）的输出端与D/A转换单元（a4）的输入端连接，D/A转换单元（a4）的输出端依次串联信号滤波单元（a5）和功率放大单元（a3），功率放大单元（a3）输出激励电流。

3.根据权利要求1或2所述一种模块化的变电站接地网地表磁场检测系统，其特征在于：所述激励电流是频率为20~2000Hz、幅值为0~10A的稳定正弦信号。

4.根据权利要求1所述一种模块化的变电站接地网地表磁场检测系统，其特征在于：所述磁场测量模块（B）包括电池Ⅱ（b1）、DC-DC变换单元Ⅱ（b2）、检测线圈（b3）、信号处理单元（b4）、A/D转换单元（b5）、数据通信单元Ⅱ（b7）和微控制器单元Ⅱ（b8），其中所述电池Ⅱ（b1）与DC-DC变换单元Ⅱ（b2）连接，DC-DC变换单元Ⅱ（b2）将电池电压变换成±5V、±12V、+3.3V电压，为检测线圈（b3）、信号处理单元（b4）、A/D转换单元（b5）、数据通信单元Ⅱ（b7）和微控制器单元Ⅱ（b8）供电；

所述检测线圈（b3）将磁感应强度转换为电压信号，检测线圈（b3）与信号处理单元（b4）连接，信号处理单元（b4）与A/D转换单元（b5）连接，A/D转换单元（b5）的输出端与微控制器单元Ⅱ（b8）的数据输入端连接，微控制器单元Ⅱ（b8）的数据端与数据通信单元Ⅱ（b7）连接。

5.根据权利要求4所述一种模块化的变电站接地网地表磁场检测系统，其特征在于：还包括与微控制器单元Ⅱ（b8）连接的外部存储器（b6）。

6.根据权利要求4或5所述一种模块化的变电站接地网地表磁场检测系统，其特征在于：所述磁场测量模块B中具有n个检测线圈和n个信号处理单元，A/D转换单元具有n个采集通道，一个检测线圈、一个信号处理单元和一个A/D转换单元采集通道组成一路测量通道，每路测量通道单独采集一个测量点处的磁感应强度，其中1≤n≤16。

7.根据权利要求6所述一种模块化的变电站接地网地表磁场检测系统，其特征在于：所述n个检测线圈布置在测量区域内，布置时各检测线圈间距相等。