基于鉗表法的桿塔接地電阻測量系統設計

鄧夙，方定展，田相鵬，廖紅華

（湖北民族大學 智能科學與工程學院，湖北恩施，445000）

0 引言

現有桿塔接地電阻的測量方法主要有電位降法、三極法、高頻并聯法、異頻法、大電流法和鉗表法。電位降法[1]測量接地電阻需反復測量，工作量大，現場操作困難；三極法[2]測量必須斷開接地引線，不能反應雷擊時的桿塔實際接地電阻值，又實際中桿塔數量眾多，斷開接地引線測量大大增加了工作人員勞動強度，效率低下；高頻并聯法[3]沒有綜合考慮現場土壤性質、測量電流頻率等因素對接地體電感效應所造成的測量結果影響，不能很好地適應現場情況；異頻法是在三極法基礎上注入非工頻的信號實現接地電阻的測量，能有效消除工頻干擾的影響，但是異頻法仍屬于離線測量方法，并且注入信號頻率不能偏離工頻 10 kHz 以上，否則將增大測量誤差；大電流法在測量時需要向接地體中注入幾十安培的電流，因而需要具有一定長度以及一定寬度的實驗電流引線和相當容量的實驗電流源，在實際測量中實現起來比較困難。鉗表法[4]的最大特點是不必完全斷開接地引線，只要鉗住接地引線就能測出接地電阻值，具有快速測量、操作簡單等優點。

總體來說，目前接地電阻測量方法均存在各自的不足，主要表現為：需要斷開接地引線、限制條件多、誤差較大、需要專人到現場測量等。為此，本文研制了一種基于鉗表法桿塔接地電阻測量系統。該系統應用于多桿塔的接地電阻測量，系統安裝完后，通過顯示LCD讀取接地電阻值，同時也可以通過手機APP連接設備，在手機APP上讀取測量的接地電阻值。具有極大的便捷性。

1 系統架構設計

如圖1所示為桿塔接地電阻測量實際電路模型，其中Rx為被測桿塔接地電阻；R1~Rn為其它桿塔接地電阻，運用鉗表法測量接地電阻Rx的測量公式[5-6]如公式(1)所示。

圖1 桿塔接地電阻測量原理示意圖

由公式(1)可以知道，測量的電阻值Rloop為實際的待測電阻Rx與其他桿塔的接地電阻并聯值。當桿塔數量較多時，多個桿塔的接地電阻的并聯值遠小于待測電阻Rx，在一定誤差要求下，可以認為測量的電阻Rloop為桿塔的接地電阻Rx。

如圖2所示為本系統的硬件電路結構示意圖。在待測電阻Rx組成的環路中，電壓互感器線圈在環路中感應出電動勢，該電動勢在測量環路中產生感應電流，該電流被電流互感器線圈測量。因此根據感應電壓與測量的感應電流，就可以計算出待測電阻Rx。電壓互感器的激勵信號由MCU產生一個一定頻率的正弦信號，該正弦信號經過功率放大后驅動電壓互感器線圈。電流檢測電路主要由信號放大電路和整流濾波電路構成。經過MCU計算后的測量電阻值可以在OLED顯示屏上顯示，另外，還可以在手機APP上通過藍牙通信讀取測量的接地電阻值。

圖2 桿塔接地電阻測量硬件電路結構圖

2 硬件電路設計

本系統最關鍵的硬件電路主要有正弦信號功率放大電路、 電流檢測與放大電路、整流濾波電路。這幾部分的電路為測量接地電阻的關鍵電路。

■2.1 電壓互感器及驅動電路

如圖3所示為電壓互感器驅動電路。單片機輸出的帶直流偏置的正弦信號從端口DAC_OUT0輸入，電阻R4和電容C1構成高通濾波器，濾除直流偏置電壓后得到雙極性的正弦信號。該正弦信號經過由電阻R3、R9和運放構成的同相放大器，進行放大后輸出到射極跟隨器UA1B，最后信號輸出到電壓互感器端口J3。

圖3 電壓互感器驅動電路

■2.2 電流互感器及檢測電路

如圖4所示為電流檢測初級放大濾波電路。電流互感器的檢測端口由J1輸入，在電阻R55上產生壓降，將電流互感器的電流信號轉換為電壓信號，該電壓信號經過由電阻R2、電阻R7和運放UB1A構成的同相放大器放大后，再輸入到由運放UB1B構成的低通濾波器中，低通濾波電路采用二階RC有源低通濾波電路，截止頻率設定為79kHz。

圖4 電流檢測初級放大濾波電路

如圖5所示為電流檢測中間級放大電路。電流信號經過初級放大和濾波后輸入到電阻R20的端口，進行信號的中間級放大，該放大電路由電阻R19、電阻R21和運放UC1A構成的同相放大電路，放大電路的輸出級電路為射極跟隨器。

圖5 電流檢測中間級放大電路

信號經過中間級放大電路后，輸入到整流濾波電路中，該電路將接收到的電流交流信號轉換為直流電壓信號。如圖6所示為整流濾波電路，該電路為由兩個運放組成的同相精密整流電路，整流后輸出信號為運放UD1B的端口7，最后由電阻R41、電容C31和電容C33構成的RC低通濾波器，將整流后的脈動直流信號變化為直流信號。單片機通過檢測該直流信號就可以轉換為電流值。

圖6 整流濾波電路

3 軟件設計

軟件設計分為兩部分，一個是下位機軟件設計，用于產生正弦激勵信號、計算接地電阻值和藍牙通信；另一個是手機APP軟件設計，實現讀取下位機測量的接地電阻值。

■ 3.1 下位機軟件設計

下位機的處理器選擇GD32F303CGT6，該芯片自帶DAC、ADC和FPU，非常適合本系統的設計。軟件方面，運行開源的FreeRTOS操作系統[7]，在主程序注冊五個任務，一個任務用來產生正弦激勵信號；一個任務用來采集電流信號；一個任務并對信號進行數據處理；一個任務用來進行數據顯示；一個任務用于信號通信。整個下位機軟件流程如圖7所示。系統上電后會進入空閑模式，在該模式下，正弦激勵信號產生和信號濾波與計算處于停止狀態，單片機會接收測量命令，該命令可以由與單片機相連的按鍵觸發，也可以由手機APP通過藍牙給單片機發送命令。當單片機接收到測試命令后，系統產生正弦激勵電壓，ADC采樣得到電流信號，并通過算法模塊進行接地電阻參數計算，計算完后將計算結果顯示到OLED屏和手機APP上。

圖7 下位機軟件流程圖

■3.2 APP代碼設計

本系統采用Android Studio進行手機APP軟件設計開發，主要在activity_main xml中編寫手機APP的布局界面，在設計時采用了其中的RelativeLayout的布局方式，在多控件編輯的時候可以通過可視化界面清晰的看得到空間位置。在交互頁面可以調整控件的顏色背景等。對需要監聽事件的控件需要設置控件的id，這樣在控制程序中可以通過這個id找到這個控件并監聽它。同時，在控制程序部分也可以通過這個id修改這個控件的狀態。在本設計中，需要用的控件主要有按鍵控件來搜索藍牙；文本顯示控件來顯示被測電阻的阻值、顯示設備運行狀態等。

4 測試結果

如圖8所示為測試實物圖，實際測試為用一個環路電路代替接地電阻。電壓互感器和電流互感器采用相同尺寸的磁芯，其中電壓互感器繞線90圈，電流互感器繞線270圈。

圖8 系統實物圖

如表1所示為為隨機測量20Ω以下的環路電阻，電阻實際值為用RLC電橋測量的值，型號為TH2830，測量值為采用本系統測量的結果，可以看到，測量精度較高，誤差率基本上在3%以內，滿足測量要求。

表1 實際測量參數對比表

根據上面測試的結果可知，當測量的接地電阻的阻值越大，其測量誤差也會變得更大，這是因為所測的接地電阻的阻值越大那么在電流互感器回路的感應電流會越小，但是最大沒有超過1Ω。并且其誤差率相對比較穩定，總體而言符合整體的測試要求。

5 結語

為了桿塔接地電阻測量的便捷性，本文設計了一種采用鉗表法測量接地電阻的系統。可以直接讀取接地電阻值，而且通過手機APP可以直接觸發接地電阻的測量與結果讀取。結果表明，本系統測量精度較高，在50Ω以下誤差率小于3%，具有極高的應用價值。