CN211698044U - 一种用于接地网缺陷诊断的微弱磁感应强度测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于接地网缺陷诊断的微弱磁感应强度测量系统，包括探测线圈、信号处理电路、采集分析系统和故障报警系统，所述探测线圈接信号处理电路的输入端，信号处理电路的输出端接采集分析系统的输入端，所述信号处理电路包括仪表放大器、工频陷波器、带通滤波器以及锁相放大器，所述采集分析系统接故障报警系统。本实用新型基于电磁感应原理和锁相放大技术，利用探测线圈将接地网网格导体在地表激发的磁感应强度转变为感应电压信号，通过与激励信号频率的配合，能够有效抑制现场的电磁干扰，拨开主要干扰频点，使测量精度和分辨率能够满足缺陷诊断要求。

Description

一种用于接地网缺陷诊断的微弱磁感应强度测量系统

技术领域

本实用新型涉及接地网检测技术领域，具体而言，涉及用于接地网缺陷诊断的微弱磁感应强度测量系统

背景技术

输电铁塔接地网在电力输送的安全运行中起着十分重要的作用，其接地性能直接关系到输电线路的正常运行，我国的接地网大多采用钢材质制作，随着使用年限的增长，多雨和沿海地区，易发生接地网导体的锈蚀或断裂，影响接地网的接地性能。接地装置一般为网格状的接地体，常常利用扁钢、圆钢、角钢、钢管或铜质材料等焊接组成网格，该网格常常埋于地下0.6～1米的深度，以便实现均压、散流和减小接地电阻的作用，根据需要在不同的网格位置处有接地导体与地面的电气设备相连。当输电线路发生短路或遭受雷击等故障时，瞬间的大电流经接地网分散入地，接地电阻越小，接地网的电位升就越低，这样地表的电位以及与接地网相连的电气设备的电位就低，从而保护电气设备和输电线路内工作人员的人身安全。但是钢质材料的接地网，在多雨和沿海地区，随着使用年限的增加，易发生腐蚀，可能使接地导体变细甚至断裂，破坏了接地网的原有结构，降低了接地性能，丧失了保护功能。

近年来，查找接地网断点和严重腐蚀段已成为电力部门一项重大的反事故措施。电力部门诊断接地网腐蚀或断裂缺陷的常用方法就是过一定年限后抽样挖开检查，根据输电线路处土壤的大致结构和腐蚀率，凭经验估计接地网网格导体的腐蚀程度。这种方法具有盲目性，工作量大，需要消耗大量的人力、物力和财力，同时还受到现场运行条件的制约，很难准确的诊断接地网缺陷。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种诊断效率高、操作简便、测量准确的用于接地网缺陷诊断的微弱磁感应强度测量系统。

本实用新型采用的技术方案是提供一种用于接地网缺陷诊断的微弱磁感应强度测量系统，包括用于探测地表磁感应强度的探测线圈、信号处理电路、采集分析系统和故障报警系统，所述探测线圈的信号输出端接信号处理电路的输入端，信号处理电路的输出端接故障报警系统的输入端，所述信号处理电路包括仪表放大器、工频陷波器、带通滤波器以及锁相放大器，所述仪表放大器的输入端接探测线圈，输出端依次经工频陷波器、带通滤波器和锁相放大器接采集分析系统，锁相放大器的参考信号输入端接激励参考信号输出端，带通滤波器的时钟信号输入端接时钟脉冲发生器输出端，所述采集分析系统接故障报警系统，所述探测线圈包括一体化结构的探测线圈框架、分别设置在所述探测线圈框架宽度两侧的探测线圈屏蔽板以及探测线圈导波管。

在本实用新型的用于接地网缺陷诊断的微弱磁感应强度测量系统中，所述工频陷波器包括第一运算放大器和第二运算放大器、第一电阻和第二电阻、第一电容和第二电容以及电位器。

在本实用新型的用于接地网缺陷诊断的微弱磁感应强度测量系统中，第一运算放大器和第二运算放大器均接成电压跟随器；第一电阻和第二电阻、第一电容和第二电容接成陷波网络，第一电阻、第二电阻串联连接后接于仪表放大器的输入端与第一运算放大器的正向输入端之间，它们的串接点经第三电容接第二运算放大器的输出端；第一电容、第二电容串联连接后也接于仪表放大器的输入端与第一运算放大器的正向输入端之间，它们的串接点经第三电阻接第二运算放大器的输出端；第一运算放大器的输出信号经电位器分压后接第二运算放大器的正向输入端，第一运算放大器的输出端接锁相放大器的信号输入端。

在本实用新型的用于接地网缺陷诊断的微弱磁感应强度测量系统中，所述带通滤波器采用LTC1068/50，LTC1068/50接成8阶滤波器，其信号输入端INVA接工频陷波电路的输出端，其信号输出端LPD和 HPD/HD接锁相放大器的输入端。

在本实用新型的用于接地网缺陷诊断的微弱磁感应强度测量系统中，所述带通滤波器的时钟信号输入端接时钟脉冲发生器的输出端，锁相放大器的输出信号经一个耦合电阻接采集分析系统。

在本实用新型的用于接地网缺陷诊断的微弱磁感应强度测量系统中，所述采集分析系统包括包括依次连接的滤波器、模数转换器、处理器和数据采集卡。

在本实用新型的用于接地网缺陷诊断的微弱磁感应强度测量系统中，所述故障报警系统包括与所述处理器相连的显示器和报警装置。

本实用新型提供的微弱磁感应强度测量系统基于电磁感应原理和锁相放大技术，利用探测线圈将接地网网格导体在地表激发的磁感应强度转变为感应电压信号，在输电线路复杂电磁环境下，对信号进行滤波、锁相放大和提取处理，进而得到注入电流在地表激发的磁感应强度分布，通过与激励信号频率的配合，能够有效抑制现场的电磁干扰，拨开主要干扰频点，使测量精度和分辨率能够满足缺陷诊断要求，通过采集分析系统得到检测区域的磁感应强度，以此得到完整的接地网分布情况，当检测到的磁感应强度出现异常时，自动报警，方便工作人员对接地网出现故障的位置进行检修。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中阻抗变换器和负载的等效电路图；

图3是本实用新型实施例中阻抗变换器磁芯几何参数图；

图4是本实用新型实施例中阻抗变换器的电气原理图；

图5是本实用新型实施例中的微弱磁感应强度测量系统的电气原理图；

图6是本实用新型实施例中的工频陷波器的电气原理图；

图7是本实用新型实施例中的采集分析系统和故障报警系统的结构示意图

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型提供的微弱磁感应强度测量系统用于接地网缺陷诊断中，在诊断时，通过激励源系统向接地网注入激励信号，以使接地网基于激励信号产生磁感信号，再通过该微弱磁感应强度测量系统基于所述磁感信号对所述接地网进行缺陷诊断。

如图1所示，本实施例中的激励源系统包括供电电源1、函数信号发生器2、功率放大电路3、阻抗变换器4和电流频率显示单元5；供电电源1分别与函数信号发生器2、功率放大电路3和电流频率显示单元5相连，函数信号发生器2、功率放大电路3、阻抗变换器4 依次连接，阻抗变换器4还分别与电流频率显示单元5和接地网负载连接。具体的，函数信号发生器2包括控制调节电路21、信号发生电路22和放大输出级23，控制调节电路21包括正弦信号控制调节电路21和脉冲信号控制调节电路21，信号发生电路22包括正弦信号发生电路22和脉冲信号发生电路22，放大输出级23包括正弦信号放大输出级23和脉冲信号放大输出级23。其中，正弦信号控制调节电路21用于供工作人员进行信号频率调节，并将调节指令发送于正弦信号发生电路22；正弦信号发生电路22基于所述频率指令产生相应频率的初始正弦信号；正弦信号放大输出级23用于对初始正弦信号进行放大处理获得所述正弦波信号。可见，正弦信号控制调节电路21、正弦信号发生电路22和正弦信号放大输出级23用于产生正弦波信号和进行信号频率调节；在进行信号频率调节时，应注意正弦波形不能失真。同理，脉冲信号控制调节电路21用于供工作人员进行信号脉冲宽度调节，并将调节指令发送于脉冲信号发生电路22；脉冲信号发生电路22基于所述脉冲宽度指令产生相应脉冲宽度的初始脉冲信号；脉冲信号放大输出级23用于对初始脉冲信号进行放大处理获得所述脉冲信号。可见，脉冲信号控制调节电路21、脉冲信号发生电路22和脉冲信号放大输出级23用于产生脉冲信号和进行信号脉冲宽度调节。功率放大电路3包括输入级31、推动级32、输出级33和保护级34，保护级34分别与推动级32和输出级33连接。功率放大电路3主要用于信号的功率放大和输出驱动电流。在实施例中进行接地网缺陷诊断时，功率放大电路3的设计原则为：(1)工作频率在10Hz～50kHz的频带内；(2)输出信号频率和输出电流能方便地连续调节；(3)在保证输出信号具有足够驱动电流的条件下，自身能够连续工作。针对上述要求，本实施例中采用线性功率放大技术，功率放大电路3电路包括输入级31、推动级32、输出级33和保护级 34，末级输出采用10对大功率晶体管组成互补推挽并联的输出形式，晶体管的型号为2SC5200和2SA1943。具体的，输入级31用于接收来自正弦信号发生器和/或脉冲信号发生器输出的初级激励信号，并依次送入推动级32、输出级33进行处理，并最终获得正弦激励信号或脉冲激励信号；其中，输入级31作用是抑制电路的零点漂移和温度漂移，并使功率放大电路3静态时的输出电压为零，从而保证电路稳定、可靠的工作；推动级32的作用是为输出级33提供足够的驱动电流；输出级33的作用是向负载提供信号功率；保护级34分别与推动级32和输出级33连接，作用是在推动级32和输出级33对初级激励信号进行放大处理时，保护电路不被烧毁。在现有技术中，对于输入级31、推动级32、输出级33和保护级34电路的工作原理和设计方法较为成熟(参考文献：谢沅清.晶体管低频电路，人民邮电出版社，1981:275-295)，在此不再赘述。阻抗变换器4包括初级线圈、次级线圈和铁芯，铁芯为环形的纳米晶材质的铁芯，初级线圈和次级线圈缠绕在铁芯上。初级线圈与功率放大电路3连接，次级线圈上设置有用于与接地网负载连接的N个抽头，N个抽头分别对应不同的初、次级线圈变比，所述初、次级线圈变比是指初级线圈的匝数和次级线圈的匝数的比值；其中，N为大于等于1的整数。

下面依据电路理论，对阻抗变换器4进行设计。因负载比晶体管输出阻抗小很多，设功率输出级33的输出电流为一简谐波，用一个电流源作为其等效电路，将阻抗变换器4的所有参数均折合至变换器的初级值，则阻抗变换器4和负载的等效电路如图2所示。

图2中，C₁为初级线圈分布电容，C'₂＝C₂/n²为次级线圈分布电容折合至初级的值，r₁为初级线圈的铜阻，r′₂＝n²r₂为次级线圈铜阻折合至初级值，L₁为初级线圈的漏感，L'₂＝n²L₂为次级线圈漏感折合至初级值，L₀为激励电感，R'_L＝n²R_L为次级负载电阻折合至初级值，n＝N₁/N₂为初级和次级的变比。在中频段，分布电容和激励电感视为开路，漏感视为短路，此时功率放大器负载的总阻抗为：

R_O＝r₁+r′₂+R'_L (1)

阻抗变换器4的转换效率为：

式中η_T为转换效率，一般取0.9，依据(2)式可以设计变比。低频段，分布电容依然视为开路，漏感视为短路，依据电路理论可列出：

下限频率取为：

当负载及下限频率确定时，激励电感L₀可由(4)式求得。

阻抗变换器4磁芯采用环形纳米晶铁芯，如图3所示，其饱和磁感应强度Bs大于1.24T，有效磁导率达10⁵，依据经验公式可计算铁芯截面积,S＝0.2P_Lf_l(cm²),式中P_L为阻抗变换器4向负载输出的功率，f_l为下限频率；初级线圈匝数

l₀为激励电感，l_c为铁芯磁路平均长度，S为磁芯截面积。

阻抗变换器4的电路原理图如图4所示，采用四种变比2:1、1:1、 2:3和1:2的抽头，以满足不同的测量需要。在本实施例中，初级线圈的绕组线径为2.0mm(即图中所示φ2.0)，匝数为160(即图中所示160T)，输入电流为30A；次级线圈上共设有四个抽头，次级线圈的绕组线径在第一个抽头处为3.7mm(即图中所示φ3.7)、在第二个抽头处为2.0mm(即图中所示φ2.0)、在第三个抽头和第四个抽头处为1.4mm(即图中所示φ1.4)，四个抽头处的匝数均为80(即图中所示80T)，输出电流为60A。铁芯的厚度为75mm、内径为 180mm、外径为260mm。具体的，当选择第一个抽头作为阻抗变阻器的输出端时，初、次级线圈变比为2:1；当选择第二个抽头作为阻抗变阻器的输出端时，初、次级线圈变比为1:1；当选择第三个抽头作为阻抗变阻器的输出端时，初、次级线圈变比为2:3；当选择第四个抽头作为阻抗变阻器的输出端时，初、次级线圈变比为1:2。

功率放大电路3的输出端连接阻抗变换器4的初级绕组(即初级线圈)，根据测量需要，选择合适的次级绕组，即选择合适的次级线圈的抽头作为输出端，如果需要输出较高的激励电压信号，则选择 2:3或1:2的初、次级线圈变比，如果需要输出较高的激励电流信号，则选择2:1或1:1的初、次级线圈变比。具体的，当测量接地网电位信号时，需要向接地网注入高压小电流的激励信号，则选择1:2的初、次级线圈变比，当测量接地网磁场信号时，需要向接地网注入低压大电流的激励信号，则选择2:1的初、次级线圈变比。可见，在本实施例中，通过初级线圈的设计，在较宽频带内，满足功率放大器的负载要求；通过使次级线圈采用多抽头输出，实现了利用改变初、次级线圈变比的方法，根据测量的实际需要，提升输出电流或电压，以获得所需的激励信号；磁芯(即铁芯)材质的选择，能保证在工作频带内，较大工作电流的情况下，具有较好的转换效率。

如图5所示，所述微弱磁感应强度测量系统包括探测线圈L、信号处理电路和采集分析系统及故障报警系统C，探测线圈L的信号输出端接信号处理电路的输入端，信号处理电路的输出端接采集分析系统C的输入端。信号处理电路由仪表放大器YF、工频陷波器XB、带通滤波器LB以及锁相放大器SXF组成，仪表放大器YF的输入端接探测线圈L，输出端依次经工频陷波器XB、带通滤波器LB和锁相放大器SXF接采集分析系统C，锁相放大器SXF的参考信号输入端S接激励参考信号输出端，带通滤波器LB的时钟信号输入端f_CLK接时钟脉冲发生器输出端。如图6所示，工频陷波器XB由两个运算放大器、电阻、电容以及电位器W组成，采用双T网络构成50Hz陷波电路，通过W可以调整电路的Q值。两个运算放大器分别是第一运算放大器 F1和第二运算放大器F2，均接成电压跟随器；电阻、电容接成陷波网络，其中，第一电阻R1、第二电阻R2串联连接后接于仪表放大器 YF的输入端与第一运算放大器F1的正向输入端之间，它们的串接点经第三电容C3接第二运算放大器F2的输出端，第一电容C1、第二电容C2串联连接后也接于仪表放大器YF的输入端与第一运算放大器 F1的正向输入端之间，它们的串接点经第三电阻R3接第二运算放大器F2的输出端，第一运算放大器F1的输出信号经电位器W分压后接第二运算放大器F2的正向输入端，第一运算放大器F1的输出端接带通滤波器LB的信号输入端。带通滤波器LB采用LTC1068/50， LTC1068/50接成8阶滤波器，其信号输入端接工频陷波器XB的输出端，时钟信号输入端f_CLK接脉冲信号发生器的输出端，其BDP端的输出信号接锁相放大器SXF的输入端，锁相放大器SXF的输出端经一个耦合电阻接采集分析系统及故障报警系统C。

因输电线路的电磁环境十分复杂，工频干扰可达几十微特(μT)，同时还存在谐波、刀闸开关以及线路电流变化等引起的电磁干扰，为了能够有效的检测地表的磁场分布，首先利用探测线圈L将地表磁感应强度信号转变为感应电压信号，本实施例中的探测线圈L包括一体化结构的探测线圈框架、分别设置在所述探测线圈框架宽度两侧的探测线圈屏蔽板以及探测线圈导波管。通过一体化结构的探测线圈框架可以减小因拼接缝隙导致的信号信号泄漏情况，通过设置在所述探测线圈框架宽度两侧的探测线圈屏蔽板可以提高线圈的屏蔽效果，方便探测线圈的安装，提高生产效率。接着，采用仪表运放作为缓冲级，用于抑制共模干扰和阻抗变换，工频陷波电路抑制50Hz强干扰，通过对信号进行工频陷波、滤波、锁相放大等技术处理后，利用数据采集系统C将测量结果存入计算机，工频陷波电路对50Hz的陷波深度应达到50dB，带通滤波电路在±10Hz处衰减约3dB，在±45Hz处衰减为25dB，在±90Hz处衰减达到50dB，经过陷波和滤波处理后，必须能够抑制工频干扰；带通滤波器的通带带宽较窄，且中心频率可连续调节，其中心频率可在200～900Hz范围内调节，根据测量现场的实际电磁背景设置适宜的激励信号频率和接收系统的中心频率，便可以有效的提取到有用信号。

如图7所示，本实用新型实施例中的信号处理电路输出端连接采集分析系统输入端，输入端依次连接滤波器71、模数转换器72、处理器73和数据采集卡74，所述滤波器71，用于对放大后的输出电压或激励电流信号进行滤波处理；所述模数转换器72，与滤波器71连接，并接入标准电压作为模数转换参考，将滤波后的输出电压或激励电流信号转换为数字信号，所述处理器73将数字信号进行处理，根据标准电压得到数字信号对应的电压数值并将所述电压数值存储于数据采集卡74中，技术人员可以通过将数据采集卡74连接计算机绘制接地网的整体结构图，以便技术人员对接地网整体进行检测。

如图7所示，处理器的另一输出端接故障报警系统，分别与显示器75和报警模块76连接。显示器75用于显示所述处理器获得的电压数值，当电压数值低于标准电压一定数值时，所述报警模块76使用声音或闪光进行报警，提醒技术人员该处接地网存在缺陷，并可以将缺陷标注在接地网整体结构图上。

本实用新型的有益之处在于，提供的微弱磁感应强度测量系统基于电磁感应原理和锁相放大技术，利用探测线圈将接地网网格导体在地表激发的磁感应强度转变为感应电压信号，在输电线路复杂电磁环境下，对信号进行滤波、锁相放大和提取处理，进而得到注入电流在地表激发的磁感应强度分布，通过与激励信号频率的配合，能够有效抑制现场的电磁干扰，拨开主要干扰频点，使测量精度和分辨率能够满足缺陷诊断要求，通过采集分析系统得到检测区域的磁感应强度，以此得到完整的接地网分布情况并通过计算机绘制接地网整体结构图，当检测到的磁感应强度出现异常时，报警模块自动报警，并在整体结构图上标注其故障位置，方便工作人员对接地网出现故障的位置进行检修。

Claims (6)

1.一种用于接地网缺陷诊断的微弱磁感应强度测量系统，其特征在于，包括用于探测地表磁感应强度的探测线圈、信号处理电路、采集分析系统和故障报警系统，所述探测线圈的信号输出端接信号处理电路的输入端，信号处理电路的输出端接故障报警系统的输入端，所述信号处理电路包括仪表放大器、工频陷波器、带通滤波器以及锁相放大器，所述仪表放大器的输入端接探测线圈，输出端依次经工频陷波器、带通滤波器和锁相放大器接采集分析系统，锁相放大器的参考信号输入端接激励参考信号输出端，带通滤波器的时钟信号输入端接时钟脉冲发生器输出端，所述采集分析系统包括依次连接的滤波器、模数转换器、处理器和数据采集卡，其中处理器还连接故障报警系统，所述探测线圈包括一体化结构的探测线圈框架、分别设置在所述探测线圈框架宽度两侧的探测线圈屏蔽板以及探测线圈导波管。

2.根据权利要求1所述的用于接地网缺陷诊断的微弱磁感应强度测量系统，其特征在于，所述工频陷波器包括第一运算放大器和第二运算放大器、第一电阻和第二电阻、第一电容和第二电容以及电位器。

3.根据权利要求2所述的用于接地网缺陷诊断的微弱磁感应强度测量系统，其特征在于，第一运算放大器和第二运算放大器均接成电压跟随器；第一电阻和第二电阻、第一电容和第二电容接成陷波网络，第一电阻、第二电阻串联连接后接于仪表放大器的输入端与第一运算放大器的正向输入端之间，它们的串接点经第三电容接第二运算放大器的输出端；第一电容、第二电容串联连接后也接于仪表放大器的输入端与第一运算放大器的正向输入端之间，它们的串接点经第三电阻接第二运算放大器的输出端；第一运算放大器的输出信号经电位器分压后接第二运算放大器的正向输入端，第一运算放大器的输出端接锁相放大器的信号输入端。

4.根据权利要求3所述的用于接地网缺陷诊断的微弱磁感应强度测量系统，其特征在于，所述带通滤波器采用LTC1068/50，LTC1068/50接成8阶滤波器，其信号输入端INVA接工频陷波电路的输出端，其信号输出端LPD和HPD/HD接锁相放大器的输入端。

5.根据权利要求4所述的用于接地网缺陷诊断的微弱磁感应强度测量系统，其特征在于，所述带通滤波器的时钟信号输入端接时钟脉冲发生器的输出端，锁相放大器的输出信号经一个耦合电阻接采集分析系统。

6.根据权利要求5所述的用于接地网缺陷诊断的微弱磁感应强度测量系统，其特征在于，所述故障报警系统包括与所述处理器相连的显示器和报警模块。

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