電力工程接地電阻測量裝置設計探討

劉斌

（重慶市電力公司永川供電局，重慶 402160）

引言

發變電站接地網接地電阻值是發變電站接地系統的重要技術指標，它是確認接地系統的有效性、安全性以及鑒定系統是否符合設計要求的重要參數，也是檢驗接地網在電力系統發生故障時，能否發揮其安全保障作用的重要措施。目前的測量方法有工頻大電流法、倒相法以及異頻法，前者在外界工頻干擾嚴重時測量誤差大，且設備笨重、危險性高；倒相法要求試驗、干擾信號均為理想的工頻正弦波，倒相前后干擾信號不變，且忽略了諧波及其他高次雜波的干擾，因此測量效果不理想；異頻法因其測試電流小且試驗信號頻率偏離T頻干擾，易通過信號處理消除外界干擾，系統測量精度高。

1 變頻測量原理

1.1 變頻測量方法

變頻測量方法及等效電路如圖1所示。為了便于表達，分別用RG、RC、RL表示接地網

圖1 變頻測量等效電路

等效電阻、電流極等效電阻、引線等效電阻，u＇(t)表示因系統不平衡電流流過接地網而產生的干擾電壓，假設變頻電源輸出電流為is(t)=I0sin(2兀∫s+a)，在接地等效電阻上產生電壓uG(t)=is(t)RG×sin(2兀∫s+a)，并設干擾信號頻率為∫0、∫1、···、∫N，則在接地網上形成的干擾電壓為U＇mi、分別是頻率為∫i諧波的幅值與初始相位，則實際測量到的電壓信號u(t)和電流信號i(t)分別為

由此可見，傳感器采集的是干擾信號與有效信號疊加后的值，在初始相位未知的情況下很難進行區別，因此提出了變頻測量法即通過調整電源輸出頻率以規避干擾頻譜 (∫≠∫i)的測量方法。

1.2 數字濾波原理

設采樣頻率為∫s，則信號，∫(t)經過hn濾波器后將得到介于[0，?s/4]的低頻分量-近似部分，信號經過gn。濾波器后將得到介于[∫s/4 ，∫s/2]的高頻分量-細節部分。再對近似部分進行低通和高通濾波，則可以得到尺度2上的近似部分和細節部分，如此往復直至設定的分解截止頻率。Mallat分解算法如下：

重構是分解的逆過程，其算法如下：

其中，Cj(n)、dj(n)分別是尺度 j上的近似部分、細節部分，k為濾波器長度，當j=O時C0(N)即為原始采樣信號。h(k-2n)、g(k-2n)分別為低通、高通分解濾波器參數，h軈 (k-2n)、g軃(k-2n)、分別為低通、高通重構濾波器參數。

根據規范要求 (測量頻率宜在40～60Hz)，本系統設置最高信號采樣頻率為2400Hz，由香農定理可知，信號最高頻率為1200Hz，利用Mallat算法選用db40小波對原始采樣數據即離散電壓序列.∫u(i)和電流序列∫u(n)(i=O，△T，2△T，∫，(N一1)△T)進行5尺度分解，濾除大于75Hz的信號(即第l～4層的細節部分對應的小波系數置o)和小于37.5Hz的信號(即第5層的近似部分對應的小波系數置0)并進行重構即可以獲得頻率范同為37.5～75 Hz的離散電壓序列?u(n)和電流序列∫I(n)(n=0，△T，2△T，∫，(N～1)△T)。

1.3 接地電阻計算

在數字濾波的基礎上，對離散序列∫u(n)、∫I(n)，分別進行DFT即可獲得電壓、電流的頻譜函數：

其中，k=0，1，2，?，N一 1，令 k=1 得電壓、電流的基波頻譜函數：

由電壓、電流基波頻譜函數即可獲得電壓與電流相位差：

電壓極電壓、電流極電流有效值：

接地阻抗和接地電阻分別為

2 接地電阻測量裝置

2.1 硬件系統設計

根據國家電力行業標準 (交流電氣裝置的接地技術規程DL/T62-1997)，接地裝置工頻特性參數測量導則DL/T475-2006的規定，即"使用異頻電流法測量大型接地裝置的工頻特性參數，試驗電流宜在3～20A，頻率宜在40～60Hz范同，異于工頻又盡量接近工頻，考慮到實際應用中的具體情況，多功能接地電阻測量裝置提供了地網接地電阻、土壤電阻率、接地裝置連通電阻等測量功能，其總體框圖如圖2所示。

該系統由中央處理器CPU、信號檢測與轉換模塊、調頻調壓SPWM模塊、IPM驅動電路、AC-DC整流電路、DC-AC逆變電路、低通濾波回路、隔離變壓器、鍵盤電路、LCD顯示與智能微型打印機、電源監控與復位電路組成。其中，由CPU負責掃描鍵盤信號，采集信號檢測與轉換模塊反饋的電壓極電壓、電流極注入電流及低通濾波器2的輸出電壓，用于接地電阻計算與顯示，實施系統軟件保護等；此外，微處理器根據選定的頻率點依次掃描(如44Hz、46Hz、54 Hz、56Hz4個頻點)，通過自動或手動模式控制SPWM模塊按固定電壓步進值和時間間隔輸出定頻調壓脈沖驅動信號，以驅動DC-AC逆變電路輸出相應頻率和幅值的交流信號，該信號經低通濾波器2及隔離變壓器施加到被測接地回路，直至預設定的電流等級，并記錄此時各頻率等級的電流極電流、電壓極電壓，以便最終計算50Hz所對應的接地電阻(含電流極、電壓極引線間互感，當兩引線間相距200m以上分開布置時，可有效減小引線間互感對接地電阻測量值的影響)。整機變頻電源頻率輸出范圍30～70 Hz，最大輸出電流10A，接地電阻測量范圍1 mΩ～99Ω，測量精度達1級。

2.2 軟件系統設計

圖3 主程序框圖

在硬件平臺確定的基礎上，軟件是決定系統功能強弱的關鍵。在本次設計中，本著充分發揮硬件潛力、構造完善功能的原則，采用結構化軟件設計方法，按功能將程序劃分成初始化模塊、自檢模塊、默認參數設置模塊、系統運行參數設置模塊、接地電阻測量模塊、土壤電阻率測量模塊、連通電阻測量模塊、顯示與打印模塊、鍵盤掃描模塊(自動/手動運行、上/下、確認、返回鍵以及頻率和電壓調節鍵)、中斷處理(外部事件觸發中斷、定時器中斷和軟計數器中斷)、數據處理等模塊。本文限于篇幅，僅給出系統主程序框圖如圖3所示。

結語

多功能接地電阻測量裝置基于變頻測量原理，通過注入較小的電流實施測量，降低了大電流測量的危險性，減輕了設備重量，此外由于在系統中引入了數字濾波及離散傅里葉變換技術，有效地消除了接地網噪聲和諧波干擾，從而大幅提高了測量精度。該系統自試運行以來，表明系統設計合理，性能穩定可靠，達到了預定的技術指標，且非常適合現場測試。

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