CN208350900U - 一种接地阻抗测试仪 - Google Patents

一种接地阻抗测试仪 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种接地阻抗测试仪，属于阻抗测量技术领域。接地阻抗测试仪包括程控电流源、电流测量模块、电压测量模块和控制运算模块，程控电流源的输入端与大地电连接；程控电流源的输出端与电流测量模块的输入端电连接，电流测量模块的输出端分别与大地和控制运算模块电连接以测量程控电流源向被测接地网施加的电流；电压测量模块的输入端与大地电连接，电压测量模块的输出端分别与大地和控制运算模块电连接以测量地干扰电流在被测接地网的接地阻抗上产生的地干扰电压、以及测量地干扰电流与程控电流源向被测接地网施加的电流的合成电流在接地阻抗上产生的合成电压，控制运算模块与程控电流源的控制端电连接以计算被测接地网的接地阻抗。

Description

一种接地阻抗测试仪
技术领域
本实用新型涉及阻抗测量技术领域，特别涉及一种接地阻抗测试仪。
背景技术
目前，测量变电站、电厂等大型接地网的工频接地阻抗常用三极法。如图1所示，通过恒流源I在电流极C与被测接地网G之间施加一个试验电流Im，试验电流Im从电流源C1端钮流出，通过测试线接至电流极C入地，通过大地回到地网，再从地网回流点B通过测试线接至电流源C2端钮，形成电流回路。电压表V测量试验电流Im在电压极P与地网之间产生的电压Up；电压表一个端钮为P1，通过测试线接至电压极P；电压表另一端钮为P2，通过测试线接至地网回流点B。根据欧姆定律，地网的工频接地阻抗ZG＝UP/Im。
测量接地阻抗ZG时，在电流回路中除了施加的试验电流Im之外，通常还有工频零序不平衡回流I0，即地干扰电流。地干扰电流会在电压极P上产生一个地干扰电压U0，引起接地阻抗测量误差。现有技术主要采用工频大电流结合倒相法测量接地阻抗，以消除地干扰电压U0的影响。工频大电流法结合倒相法的原理是假定地干扰电流I0的幅值和相位在一定时间内保持不变，通过施加较大的正相和倒相的工频试验电流，利用多次电压测量和计算消除地干扰电压U0的影响。倒相法具体包括，首先测量人员在未施加试验电流的情况下，使用电压表测量地干扰电流I0产生的地干扰电压U0；然后使用独立的电流源施加一个工频试验电流In，并使用电压表测量合成电压U1；再通过电流源将试验电流倒相为-In，并通过电压表测量合成电压U2；最后通过公式(1)计算接地阻抗测量值ZG。
在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：需要使用独立的电流源依次施加两次试验电流，以及使用独立的电压表分别测量三次电压，再通过计算工具才能得到接地阻抗，所需要的测量工具比较多且操作过于繁琐，增加了测量负担。此外，如果在施加试验电流In、-In或测量电压U1、U2的过程中，地干扰电流I0的幅值或相位发生变化，将导致在测量电压U1、U2的时刻U0发生变化，那么消除工频地干扰就会失效，计算出的接地阻抗测量值ZG将出现误差。
实用新型内容
为了解决采用工频大电流法结合倒相法测试接地阻抗时，所需要的测量工具比较多且操作过于繁琐，增加了测量负担的问题，本实用新型实施例提供了一种接地阻抗测试仪。所述技术方案如下：
一种接地阻抗测试仪，所述接地阻抗测试仪包括程控电流源、电流测量模块、电压测量模块和控制运算模块；
所述程控电流源的输入端与大地电连接；所述程控电流源的输出端与所述电流测量模块的输入端电连接，所述电流测量模块的输出端分别与所述大地和所述控制运算模块电连接以测量所述程控电流源向被测接地网施加的电流、并输出测量的电流至所述控制运算模块；所述电压测量模块的输入端与所述大地电连接，所述电压测量模块的输出端分别与所述大地和所述控制运算模块电连接以测量地干扰电流在所述被测接地网的接地阻抗上产生的地干扰电压、以及测量所述地干扰电流与所述程控电流源向所述被测接地网施加的电流的合成电流在所述接地阻抗上产生的合成电压、并输出测量的电压至所述控制运算模块，所述控制运算模块与所述程控电流源的控制端电连接以控制所述程控电流源向所述被测接地网施加与所述地干扰电流同频同相的电流并基于所述电流测量模块测量的电流和所述电压测量模块测量的电压计算所述被测接地网的接地阻抗。
可选地，所述控制运算模块包括过零整形单元和控制单元，
所述过零整形单元的输入端与所述电压测量模块的输出端电连接以基于所述电压测量模块测量的电压整形生成方波信号；所述过零整形单元的输出端与所述控制单元的输入端电连接以输出所述方波信号至所述控制单元；所述控制单元的输入端还分别与所述电流测量模块的输出端和所述电压测量模块的输出端电连接，所述控制单元的输出端与所述程控电流源的控制端电连接。
可选地，所述过零整形单元的输出端还与所述程控电流源的输入端电连接以输出所述方波信号至所述程控电流源。
可选地，所述接地阻抗测试仪还包括显示模块；
所述显示模块与所述控制运算模块电连接以显示所述接地阻抗。
可选地，所述接地阻抗测试仪还包括电流极，所述电流测量模块的输出端通过所述电流极与所述大地电连接。
可选地，所述接地阻抗测试仪还包括电压极，所述电压测量模块的输出端通过所述电压极与所述大地电连接。
可选地，所述控制单元为单片机。
本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过增量试验电流与地干扰电流同频同相，计算接地阻抗，简化了现有工频大电流法结合倒相法的实施和运算；并且，该测试仪将程控电流源、电流电压测量模块以及控制运算模块集成为一体，测量人员能够通过该测试仪直接测量接地网的接地阻抗，相比于采用工频大电流法结合倒相法测试接地阻抗，简化了现场测量操作，还避免携带较多的测量工具，减轻了测量负担，提高了测试效率。此外，通过控制运算模块调节程控电流源输出与被测接地网中的地干扰电流同频同相的增量试验电流，避免了地干扰电流的幅值或相位发生变化导致计算结果出现误差的情况，确保能够成功消除工频地干扰，极大提高了计算精度。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本实用新型提供的采用三极法测量接地阻抗的示意图；
图2是本实用新型实施例提供的一种接地阻抗测试仪的结构示意图；
图3是本实用新型实施例提供的地干扰电流、增量试验电流、地干扰电压和合成电压的矢量图；
图4是本实用新型实施例提供的又一种接地阻抗测试仪的结构示意图；
图5是本实用新型实施例提供的控制单元确定增量试验电流的相位的示意图。
具体实施方式
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。
在本实用新型实施例中，被测接地网可以是变电站和电厂等大型接地网。地干扰电流I0，又称工频零序不平衡回流，是由被测接地网内三相不平衡回流产生。地干扰电流I0的频率一般为50Hz，周期为20毫秒。
实施例一
本实用新型实施例提供了一种接地阻抗测试仪，参见图2，该接地阻抗测试仪包括程控电流源10、电流测量模块20、电压测量模块30和控制运算模块40。其中，程控电流源10的输入端与大地(即被测接地网)电连接，程控电流源10的输出端与电流测量模块20的输入端电连接，电流测量模块20的输出端分别与大地和控制运算模块40电连接，电压测量模块30的输入端与大地电连接，电压测量模块30的输出端分别与大地和控制运算模块40电连接，控制运算模块40与程控电流源10的控制端电连接。
程控电流源10用于，向被测接地网施加增量试验电流ΔI。
电流测量模块20用于，测量程控电流源10向被测接地网施加的增量试验电流ΔI。
电压测量模块30用于，测量地干扰电流I0在被测接地网的接地阻抗ZG上产生的地干扰电压U0；以及，测量地干扰电流I0与增量试验电流ΔI的合成电流I1在接地阻抗ZG上产生的合成电压U1。参见图3，U0＝I0*ZG，I1＝I0+ΔI，那么，U1＝I1*ZG＝(I0+ΔI)*ZG。
具体地，当程控电流源10向被测接地网施加增量试验电流ΔI时，电压测量模块30测量的电压为合成电压U1；当程控电流源10未向被测接地网施加增量试验电流ΔI时，电压测量模块30测量的电压为地干扰电压U0。
控制运算模块40用于，根据电压测量模块30测量的地干扰电压U0信号，调节程控电流源10输出与被测接地网中的地干扰电流I0同频同相的增量试验电流ΔI；根据电流测量模块20测量的增量试验电流ΔI、及电压测量模块30测量的地干扰电压U0和合成电压U1，计算被测接地网的接地阻抗ZG；ZG＝ΔU/ΔI，ΔU＝U1-U0。
其中，控制运算模块40具体是根据地干扰电压U0信号，控制程控电流源10在指定时间输出增量试验电流ΔI信号。例如，指定时间可以是每隔20毫秒输出与地干扰电流I0同频同相的增量试验电流ΔI信号，且输出增量试验电流ΔI信号的持续时间也为20毫秒。同时，控制运算模块40可以对程控电流源10输出的电流信号的幅值、频率和相位分别进行调节。可选的，针对程控电流源10输出的增量试验电流ΔI信号的频率可以是设定频率，例如50Hz。
本实用新型实施例提供的接地阻抗测试仪的有益效果在于：通过增量试验电流与地干扰电流同频同相，在计算接地阻抗时，简化了现有工频大电流法结合倒相法的实施和运算。并且，该测试仪将程控电流源、电流电压测量模块以及控制运算模块集成为一体，测量人员能够直接采用该测试仪测量接地网的接地阻抗，相比于采用工频大电流法结合倒相法测试接地阻抗，简化了现场测量操作，还避免携带较多的测量工具，减轻了测量负担，提高了测试效率。
实施例二
本实用新型实施例将结合图4和图5，详细介绍图2示出的接地阻抗测试仪的一种优选结构。
参见图4，控制运算模块40包括过零整形单元401和控制单元402。过零整形单元401的输入端与电压测量模块30的输出端电连接，过零整形单元401的输出端与控制单元402的输入端电连接，控制单元402的输入端分别与电流测量模块20的输出端和电压测量模块30的输出端电连接，控制单元402的输出端与程控电流源10的控制端电连接。
过零整形单元401用于，将电压测量模块30测量的地干扰电压U0信号整形成方波信号，方波信号与地干扰电压U0信号同频同相。
控制单元402用于，根据过零整形单元401整形的方波信号，调节程控电流源10输出的增量试验电流ΔI的相位，直至增量试验电流ΔI与地干扰电流I0同相；调节程控电流源10输出的增量试验电流ΔI的频率为设定频率；并且，当增量试验电流ΔI与地干扰电流I0同相时，根据电流测量模块20测量的增量试验电流ΔI、以及电压测量模块30测量的地干扰电压U0和合成电压U1，计算接地阻抗ZG。
作为优选的实施方式，过零整形单元401具体用于，根据地干扰电压U0信号的过零时刻，将地干扰电压U0信号整形成方波信号。其中，方波信号的过零时刻与地干扰电压U0信号的过零时刻相同。也就是说，整形成的方波信号与地干扰电压U0信号同相位。
其中，地干扰电压U0信号的过零时刻可以指，地干扰电压U0信号的幅值为0的时刻。
可选地，过零整形单元401的输出端还与程控电流源10的输入端电连接，过零整形单元401用于，向程控电流源10提供方波信号。控制单元402具体用于，控制程控电流源10在方波信号的第一周期输出增量试验电流ΔI，控制程控电流源10在方波信号的第二周期停止输出增量试验电流ΔI。方波信号的周期包括至少一个第一周期和至少一个第二周期，第一周期与第二周期相邻。
可选地，可以将方波信号的下降沿作为方波信号周期计数的触发信号。
相应地，控制单元402还具体用于，当增量试验电流ΔI与地干扰电流I0同相时，在第一周期读取电流测量模块20测量的电流值和读取电压测量模块30测量的电压值，在第二周期读取电压测量模块30测量的电压值；将在第一周期读取的电流值作为增量试验电流ΔI，将在第一周期读取的电压值作为合成电压U1，以及将第二周期读取的电压值作为地干扰电压U0，计算接地阻抗ZG。当增量试验电流ΔI与地干扰电流I0不同相时，控制单元402可以调节增量试验电流ΔI的相位。
其中，控制单元402还具体用于，确定合成电压U1信号在当前第一周期的首个过零时刻；当合成电压U1信号在当前第一周期的首个过零时刻与当前第一周期的开始时刻重合时，在当前第一周期读取电流测量模块20测量的电流值和读取电压测量模块30测量的电压值。
也就是说，当合成电压U1信号在当前第一周期的首个过零时刻与当前第一周期的开始时刻重合时，控制单元402认为增量试验电流ΔI与地干扰电流I0同相；当合成电压U1信号在当前第一周期的首个过零时刻与当前第一周期的开始时刻不重合时，控制单元402认为增量试验电流ΔI与地干扰电流I0不同相。
优选地，控制单元402具体用于，在第一个第一周期，确定增量试验电流ΔI的相位为预设的第一相位；在除第一个第一周期外的第一周期，当在当前第一周期增量试验电流ΔI与地干扰电流I0不同相时，获取合成电压U1信号在当前第一周期的首个过零时刻与当前第一周期的开始时刻的时差；根据获得的时差，调节程控电流源10输出的增量试验电流ΔI在当前第一周期的相位。反之，当在当前第一周期增量试验电流ΔI与地干扰电流I0同相时，调节程控电流源10输出的增量试验电流ΔI在当前第一周期的相位为在上一个第一周期的相位。
通过在每一个第一周期(首个第一周期除外)调整增量试验电流ΔI的相位，使得增量试验电流ΔI的相位动态跟随地干扰电流I0的相位变化，能够实现工频干扰的动态消除，解决了传统倒相法无法适应干扰变化的问题。
具体地，控制单元402调节程控电流源10输出的增量试验电流ΔI在当前第一周期的相位可以是，程控电流源10输出的增量试验电流ΔI相对于方波信号CLK的下降沿的相位。
其中，合成电压U1信号在当前第一周期的首个过零时刻可以指，在当前第一周期合成电压U1信号的幅值第一次为0的时刻。
可选的，前述控制单元402可以包括双通道同步采样子单元和锁相环子单元。双通道同步采样子单元用于，以过零整形单元401的方波信号为时钟信号，分别对电流测量模块20测量的电流信号和电压测量模块30测量的电压信号进行采样，并且基于时钟信号，记录采样的电压信号的过零时刻与时钟信号周期的开始时刻的时差信息。锁相环子单元用于，基于双通道同步采样子单元记录的电压信号的过零时刻与时钟信号周期的开始时刻的时差信息，调节程控电流源10输出的增量试验电流ΔI的相位，并基于双通道同步采样子单元采样数据计算接地阻抗。双通道同步采样子单元可以采用双通道同步采样数据采集器实现，锁相环子单元可以采用具备锁相环功能的单片机实现。。
可选地，该接地阻抗测试仪还包括显示模块50。显示模块50与控制运算模块40电连接，用于显示控制运算模块40计算出的接地阻抗ZG。
作为优选的实施方式，接地阻抗测试仪还包括电流极60和电压极70。电流极60分别与电流测量模块20的输出端和大地电连接；电压极70分别与电压测量模块30的输出端和大地电连接。
电流测量模块20通过电流极60测量增量试验电流ΔI，电压测量模块30通过电压极70分别测量地干扰电压U0和合成电压U1。
下面结合图5简单介绍一下接地阻抗测试仪的工作过程。为方便描述，将接地阻抗ZG简化为纯电阻模型来说明该工作过程。当接地阻抗ZG＝电阻RG时，地干扰电压U0与地干扰电流I0同相位，U0＝I0×RG，如图5所示。
首先，生成用于测试仪内系统同步的方波信号CLK。具体地，在接地阻抗测试仪启动测量功能后，电压测量模块30通过电压极P开始测量电压。由于这时还未施加增量试验电流ΔI，因此电压测量模块30测量的电压为地干扰电压U0。过零整形单元401对电压测量模块30测量的电压进行采样，再根据采样的地干扰电压U0信号的过零时刻，生成与地干扰电压U0信号同相位的方波信号CLK。
其次，确定增量试验电流ΔI的相位，以使增量试验电流ΔI的相位与地干扰电流I0的相位相同。具体地，参见图5，以方波信号CLK的下降沿作为周期计数的触发信号，将方波信号CLK的周期分为第一周期和第二周期。由于方波信号CLK与地干扰电压U0信号同相位，因此，可以看到，在第一周期地干扰电压U0过零时刻相对方波信号CLK下降沿的时差为tu0＝0。
一方面，控制程控电流源10在第一周期输出增量试验电流ΔI，在第二周期停止输出电流信号。也就是说，增量试验电流ΔI是基于方波信号CLK的间隔周期发出的。另一方面，在第一周期获得合成电压U1的首个过零时刻。具体地，在接地阻抗测试仪启动测量功能之后，参见图5，控制程控电流源10在方波信号CLK的第一个第一周期输出频率为设定频率、相位为设定的第一相位Φ1的增量试验电流ΔI∠Φ1。增量试验电流ΔI∠Φ1与地干扰电流I0在第一周期叠加，在电压极P上产生合成电压U1为U11。同时，在方波信号的第一个第一周期记录合成电压U11在第一个第一周期的首个过零时刻。
假设增量试验电流ΔI的初始相位Φ1与地干扰电流I0的相位不相同，那么，增量试验电流ΔI∠Φ1的初始过零点时间与方波信号CLK下降沿存在时差Δt1，因此，在第一个第一周期采样得到的合成电压U11的第一个过零时间与方波信号CLK下降沿也存在时差tu11。
根据时差tu11，确定增量试验电流ΔI的相位为Φ2。再控制程控电流源10在第二个第一周期输出频率为设定频率、及相位为Φ2的增量试验电流ΔI∠Φ2。增量试验电流ΔI∠Φ2与地干扰电流I0在第二个第一周期叠加，在电压极P上产生合成电压U1为U12。同时，在方波信号的第二个第一周期记录合成电压U12在第一个第一周期的首个过零时刻。
最后，当增量试验电流ΔI的相位与地干扰电流I0的相位相同时，将第二周期采样到的干扰电压U0反相从第一周期采样到的合成电压U1中抵消掉，从而得到增量测试电压ΔU，并计算接地阻抗ZG＝ΔU/ΔI。
具体地，假设增量试验电流ΔI的相位Φ2与地干扰电流I0的相位相同，那么，增量试验电流ΔI∠Φ2的初始过零点时间与方波信号CLK下降沿存在的时差Δt2＝0，在第二个第一周期采样得到的合成电压U12的第一个过零时间与方波信号CLK下降沿的时差tu12＝0。这时，计算被测接地网的接地阻抗ZG。
上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种接地阻抗测试仪，其特征在于，所述接地阻抗测试仪包括程控电流源、电流测量模块、电压测量模块和控制运算模块；
所述程控电流源的输入端与大地电连接；所述程控电流源的输出端与所述电流测量模块的输入端电连接，所述电流测量模块的输出端分别与所述大地和所述控制运算模块电连接以测量所述程控电流源向被测接地网施加的电流、并输出测量的电流至所述控制运算模块；所述电压测量模块的输入端与所述大地电连接，所述电压测量模块的输出端分别与所述大地和所述控制运算模块电连接以测量地干扰电流在所述被测接地网的接地阻抗上产生的地干扰电压、以及测量所述地干扰电流与所述程控电流源向所述被测接地网施加的电流的合成电流在所述接地阻抗上产生的合成电压、并输出测量的电压至所述控制运算模块，所述控制运算模块与所述程控电流源的控制端电连接以控制所述程控电流源向所述被测接地网施加与所述地干扰电流同频同相的电流并基于所述电流测量模块测量的电流和所述电压测量模块测量的电压计算所述被测接地网的接地阻抗。
2.根据权利要求1所述的接地阻抗测试仪，其特征在于，所述控制运算模块包括过零整形单元和控制单元，
所述过零整形单元的输入端与所述电压测量模块的输出端电连接以基于所述电压测量模块测量的电压整形生成方波信号；所述过零整形单元的输出端与所述控制单元的输入端电连接以输出所述方波信号至所述控制单元；所述控制单元的输入端还分别与所述电流测量模块的输出端和所述电压测量模块的输出端电连接，所述控制单元的输出端与所述程控电流源的控制端电连接。
3.根据权利要求2所述的接地阻抗测试仪，其特征在于，所述过零整形单元的输出端还与所述程控电流源的输入端电连接以输出所述方波信号至所述程控电流源。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的接地阻抗测试仪，其特征在于，所述接地阻抗测试仪还包括显示模块；
所述显示模块与所述控制运算模块电连接以显示所述接地阻抗。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的接地阻抗测试仪，其特征在于，所述接地阻抗测试仪还包括电流极，所述电流测量模块的输出端通过所述电流极与所述大地电连接。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的接地阻抗测试仪，其特征在于，所述接地阻抗测试仪还包括电压极，所述电压测量模块的输出端通过所述电压极与所述大地电连接。
7.根据权利要求2所述的接地阻抗测试仪，其特征在于，所述控制单元为单片机。
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