輸電線路桿塔接地電阻測量裝置設計

虞曉磊,湯向華,施雄杰,王 悅

(國家電網江蘇南通供電公司 海門區供電分公司,江蘇 南通 226100)

0 引言

輸電線路桿塔接地電阻作為檢查輸電線路運行狀態的一個重要指標,每年雷季來臨之前需進行一次全面檢測,合格的接地電阻能有效降低雷擊線路跳閘故障的發生[1-3]。

目前,針對運行中的輸電線路普遍采用鉗形接地電阻測試儀進行測量,該方法存在以下2個問題[4-5]。一是鉗形接地電阻測試儀在測量多接地引下線桿塔的接地電阻時,除待測接地引下線外,其余接地引下線均需解開,這樣的測量方式對比原有的單引下線鐵塔測量過程,測量時間從原本的30 s陡增至10 min[6-8]。二是在鉗形接地電阻測試儀檢測過程中,頻繁地解開接地引下線不利于接地通道的通暢,且對接地極解開后的恢復狀態不能進行有效監測,無法實現對接地電阻測量工作的全過程管控[9-10]。

因此,有必要對桿塔的接地電阻測量進行技術革新,用一種新的方法來替代傳統的測量技術,該方法可不解開接地引下線即可測量桿塔的接地電阻,能極大地提高工作效率。

1 新型輸電線路接地電阻測量裝置原理

本文設計了一套輸電線路桿塔接地電阻測量裝置,針對現有測量儀器的2個短板進行優化。一是實現多接地引下線桿塔在不解頭的情況下能準確測量每一個接地引下線的電阻值。二是實現接地電阻測量工作的全過程管控,避免測量過程中因人員安裝不到位而引起接地通道不通暢的問題。經過初步分析,不斷開接地引下線輸電線路的等效電路模型如圖1所示,簡化模型如圖2所示。

圖1 輸電線路的等效電路模型

圖2 輸電線路的簡化模型

對于圖2所示的輸電線路,通過給被測輸電電路施加激勵電壓U,感應出相應的電流I,那么輸電線路的接地電阻Ra為:

(1)

其中,Rx為被測輸電線路的接地電阻;Rxi(i=1,2,…,n)為其他輸電線路的接地電阻,隨著Rxi的增加,Ra越接近Rx。

利用雙鉗法測量輸電線路接地電阻的原理如圖3所示,電壓鉗口作為變壓器的原邊,電流鉗口作為變壓器的副邊。

圖3 接地電阻測量原理

電壓鉗口的激勵電壓E在被測輸電線路感應出電勢e,電勢e在測量輸電線路上產生感應電流i,感應電流i在電流鉗口上產生一個感應電流I,那么被測輸電線路的接地電阻為:

(2)

其中,n1和n2分別為電壓和電流鉗口的匝比。

2 接地電阻測量裝置的硬件設計

為實現輸電線路桿塔接地電阻測量的功能,本測量裝置主要由單片機系統模塊、激勵信號發生模塊、電壓偏移模塊、功率放大模塊、分壓模塊、前置放大模塊、濾波器模塊和有效值檢測模塊等組成,測量裝置還具備按鍵控制和LED顯示等功能。新型輸電線路接地電阻測量裝置的硬件系統組成及其工作原理如圖4所示。

圖4 接地電阻測量儀器的硬件系統架構

2.1 單片機系統模塊

單片機系統型號為TMS320F28835,頻率為150 MHz。TMS320F28835系統具有豐富的外設資源,包含AD、PWM、DA和SPI等模塊,可工作于強電磁干擾環境。

2.2 激勵電壓發生模塊

激勵電壓發生模塊采用AD9833,可以通過3個串行接口將數據寫入AD9833。為了使AD9833激勵出128 Hz的正弦波,將DSP28335的SPI接口與AD9833相連,具體連接接線為:DSP28335的SPISTE端口接AD9833的端口FSYNC、DSP28335的SPLCLK端口接AD9833的端口SCLK、DSP28335的SPLSIMO端口接AD9833的端口SDATA、DSP28335的SPLSOMI端口接AD9833的端口CS。DSP28335和AD9833產生的正弦電壓信號電壓為5 V,頻率為128 Hz。

2.3 電壓偏移模塊

考慮AD9833模塊輸出的電壓為0～5 V,而施加到功率放大電路輸入端的信號應該為雙極性。為此,需要在AD9833模塊的輸出電壓基礎上,疊加偏執電壓,可將正弦電壓調理到-1～1 V。

2.4 功率放大模塊

功率放大模塊采用BUF634,其是一種高速開環單位增益緩沖器。高性能的視頻帶寬放大器AD811作為主控芯片,后級連接高速放大器BUF634起到緩沖作用,可提高BUF634模塊的帶負載能力。通過BUF634模塊對激勵電壓發生器的正弦信號進行放大,BUF634模塊輸出的正弦信號的電壓幅值為28 V,頻率為128 Hz。

2.5 電壓測量模塊

考慮BUF634模塊在接電壓鉗之后,BUF634的輸出電壓會受負載影響而發生變換,為此,利用電壓互感器模塊來精確測量電壓鉗兩端電壓。電壓互感器模塊由板載精密微型電壓互感器ZMPT101B和板載高精度運算放大器LM358組成。ZMPT101B利用電磁感應原理將高電壓轉換成低電壓,LM358對降壓后的信號做精確采樣和適當補償。

2.6 前置放大模塊

當電壓鉗發出一個正弦電壓信號,電流鉗會感應出一個微弱的正弦電流信號,為此需要前置放大模塊將微弱的電流信號轉換成可供AD轉換的電壓信號。前置放大模塊可將0～20 mA的電流信號轉換成0～3.3 V的電壓信號。

2.7 有源濾波模塊

為了排除低頻和高頻干擾信號對進入DSP28335的AD端口的影響,采用UAF42有源濾波器模塊對采集的電流信號進行濾波。UAF42有源濾波器模塊集成了低通、高通和帶通濾波功能,可實現精確的頻率和Q值。

2.8 有效值檢測模塊

為了快速檢測正弦電壓和正弦電流信號的有效值,采用AD637有效值檢波器模塊對電壓互感器輸出的電壓信號和UAF42有源濾波模塊輸出的電壓信號進行處理,有效值識別精度在0.000 1 Vrms,避免了煩瑣的軟件程序設計。

2.9 電壓和電流鉗口

電壓和電流鉗口都采用電流探頭,采用夾鉗形結構設計,鉗口直徑50 mm,方便取放。電流探頭是一種高精度交流電流變換器,其原副匝比為1 000∶1,測量精度保持在0.2%以內。

3 接地電阻測量裝置的軟件設計

新型輸電線路接地電阻裝置的軟件工作流程如圖5所示。首先,DSP28335系統要進行開機自檢和系統初始化;接著,判斷是否有測試指令按下,如果無繼續等待,如果有測試指令,那么DSP28335通過SPI給激勵電壓發生器(AD9833模塊)發送指令,AD9833模塊產生正弦電壓信號,BUF634模塊對正弦電壓信號進行放大,施加至電壓鉗口;之后,對電壓和電流信號進行采集和數據處理;最后,計算接地電阻和結果顯示。

圖5 系統的工作流程

4 接地電阻測量裝置測試

結合新型輸電線路接地電阻測量裝置的硬件和軟件設計,搭建如圖6所示的接地電阻測量裝置的實驗平臺。其中:1為DSP28335開發板,2為DSP下載器,3為AD9833模塊,4為電壓偏移模塊,5為BUF634模塊,6為電壓測量模塊,7為前置放大模塊,8為UAF42有源濾波模塊,9為AD637有效值濾波器模塊,10為精密電阻,11為電壓鉗口,12為電流鉗口。

圖6 接地電阻測量平臺

為了驗證所設計的新型輸電線路接地電阻測量裝置的有效性,利用1～5 Ω的精密電阻進行測試,實驗結果如表1所示。所開發測量裝置的測量值與精密電阻實際值相接近,兩者誤差分析在3%以內。

表1 接地電阻測量結果

5 結語

本文設計了一種新型輸電線路桿塔接地電阻測量裝置,該裝置采用雙鉗法對接地電阻進行測量,可以在不解開接地引下線即可測量桿塔的接地電阻。在分析新型輸電線路接地電阻測量裝置原理的基礎上,對接地電阻測量裝置的硬件和軟件進行設計,利用精密電阻對所開發測量裝置進行測試,所開發測量裝置測量值與精密電阻實際值誤差在3%以內。下一步對接地電阻測量裝置的硬件系統進行升級,使測量裝置更微型化和輕量化,方便變電運維人員使用。