防雷裝置特征參數(shù)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

趙春煥,毛謙敏

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

防雷裝置特征參數(shù)檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

趙春煥,毛謙敏

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院 計(jì)量測(cè)試工程學(xué)院,浙江 杭州 310018)

建筑的防雷驗(yàn)收和年度巡檢是建筑安全渡過雷電災(zāi)害的重要保障,而測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)往往需要測(cè)量多種參數(shù).為此，設(shè)計(jì)了以STM32單片機(jī)為核心,能夠測(cè)量接地電壓、接地電阻、土壤電阻率以及浪涌保護(hù)器的防雷裝置特征參數(shù)檢測(cè)儀.儀器采用異頻激勵(lì)電源和數(shù)字濾波技術(shù)提高了測(cè)量精度,并優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)減小了儀器體積.實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，該裝置能夠準(zhǔn)確檢測(cè)各項(xiàng)參數(shù),具有操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定準(zhǔn)確、易攜帶等特點(diǎn),從而可以減輕測(cè)量人員的負(fù)擔(dān)并提高工作效率.

接地電阻;恒流源;濾波器

雷電是一種常見的自然現(xiàn)象,為了保障建筑能夠安全渡過雷電災(zāi)害,國(guó)家規(guī)定建筑需進(jìn)行防雷驗(yàn)收以及年度巡檢[1].建筑的防雷檢測(cè)包含多項(xiàng)參數(shù),如接閃器的安裝及接地體的接地電阻等[2].但是,市場(chǎng)上常見的測(cè)量?jī)x往往功能單一,只能測(cè)量單個(gè)參數(shù),因此測(cè)量人員需要攜帶多個(gè)儀器來完成工作.

我們?cè)O(shè)計(jì)了以STM32單片機(jī)為核心實(shí)現(xiàn)了多參數(shù)綜合檢測(cè)的儀器,其測(cè)量快速準(zhǔn)確,提高了儀器集成化程度,一臺(tái)儀器可以完成多臺(tái)儀器的測(cè)量工作,從而提高了工效,適用于現(xiàn)場(chǎng)防雷驗(yàn)收檢測(cè)工作.

1 測(cè)量原理

接地電壓就是以大地為參考點(diǎn),與大地的電位差,大地為零電位點(diǎn)[3].在實(shí)際測(cè)量中,接地電壓過大會(huì)對(duì)接地電阻與土壤電阻率的測(cè)量造成干擾[4],因此在測(cè)量前應(yīng)先測(cè)量接地體的接地電壓.

接地電阻是防雷系統(tǒng)的重要參數(shù),雷電擊中避雷針后,最終通過接地體泄入大地,接地電阻過大會(huì)導(dǎo)致電流過大,從而損壞電氣設(shè)備.接地電阻可等效為接地體在對(duì)無窮遠(yuǎn)處的電位差和流經(jīng)接地體注入地中電流的比值,測(cè)量?jī)x采用異頻法,向大地中注入的電流頻率異于工頻[5],采樣信號(hào)中的干擾成分經(jīng)過濾波后被濾除,所以它的測(cè)量結(jié)果不會(huì)因?yàn)榈鼐W(wǎng)的運(yùn)行或干擾信號(hào)的存在而受到影響,相對(duì)來說比較獨(dú)立.

土壤電阻率是決定接地電阻的主要因素之一[6],常用的測(cè)量方法為溫納法.其布線方式如圖1,當(dāng)四個(gè)地樁之間距離相等為a時(shí)即為溫納法[4],根據(jù)公式(1)可得出土壤電阻率的值.

ρ=2πaR(Ωm),

(1)

式(1)中:a—地樁之間的間距,m;R—接地電阻值,Ω.

浪涌保護(hù)器(surge protection device,SPD)是防雷裝置中的重要元件,其核心是壓敏電阻,具有良好的非線性,如圖2.當(dāng)雷電擊中避雷器時(shí),壓敏電阻兩端電壓增大,電阻急劇減小,從而將巨大的雷電流泄入大地[7],保障了電氣及建筑的安全.

圖1 溫納法測(cè)土壤電阻率示意圖Figure 1 Schematic diagram of measuring soil resistivity of Wenner method

圖2 壓敏電阻伏安特性Figure 2 Volt-ampere characteristic of MOV

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，通過壓敏電阻的電流為1 mA時(shí),壓敏電阻兩端的電壓為壓敏電壓U1 mA,壓敏電阻兩端的電壓為75%U1 mA時(shí)通過壓敏電阻的電流為泄漏電流[2],測(cè)量?jī)x據(jù)此規(guī)定測(cè)試壓敏電阻參數(shù).

2 儀器硬件設(shè)計(jì)

防雷裝置特征參數(shù)檢測(cè)儀采用STM32單片機(jī)為處理器,單片機(jī)通過DAC控制高壓模塊產(chǎn)生持續(xù)上升的電壓,直到采樣電路采集到的電流值為1 mA時(shí)停止,得到壓敏電壓,然后加載一個(gè)等于壓敏電壓值75%的電壓,再檢測(cè)泄漏電流.接地電阻測(cè)量時(shí),控制DAC產(chǎn)生頻率為非工頻的電流源,注入大地后,通過測(cè)量?jī)啥穗妷翰?得到接地電阻值.在測(cè)量土壤電阻率時(shí),與上述方法相似,利用所得電阻值,計(jì)算出土壤電阻率值.在接地電壓的測(cè)量中,通過AD采樣獲取分壓電阻兩端電壓計(jì)算接地電壓值.上述各項(xiàng)參數(shù)獨(dú)立測(cè)量,測(cè)得值通過液晶顯示,并設(shè)計(jì)了通信電路,可將測(cè)得值實(shí)時(shí)發(fā)送到上位機(jī).系統(tǒng)的硬件框圖如圖3.

圖3 硬件框圖Figure 3 Hardware structure frame

2.1 信號(hào)發(fā)生電路

2.1.1 高壓產(chǎn)生電路

測(cè)量SPD需要在壓敏電阻兩端加載持續(xù)上升的高壓,如圖4,采用輸出為0～2 000 V的高壓電源模塊,Vcon為控制端,接入單片機(jī)控制DAC輸出的電壓,JSPD接壓敏電阻兩端,與R1串聯(lián),可通過測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)電阻R1兩端的電壓計(jì)算電流值.

圖4 SPD信號(hào)發(fā)生電路Figure 4 SPD test signal generating circuit

2.1.2 異頻信號(hào)源

在測(cè)量接地電阻與土壤電阻率時(shí),采用異頻法,需要通過DAC產(chǎn)生頻率為fy且異于工頻的信號(hào).電流源產(chǎn)生電路如圖5,正弦波通過加入電壓跟隨級(jí)的恒流源電路,當(dāng)R12一定時(shí),輸出電流與輸入信號(hào)具有線性關(guān)系,與負(fù)載無關(guān)[8].若輸入信號(hào)一定,則C端的輸出信號(hào)恒定,即

(2)

式(2)中:UDA—DAC輸出信號(hào),V;R12—限流電阻,Ω.

通過單片機(jī)調(diào)整DAC輸出的正弦波幅值可獲得不同大小的恒流值,以適應(yīng)不同的測(cè)量需要.

圖5 電流源電路Figure 5 Current source circuit

2.2 信號(hào)的取樣與調(diào)理電路

SPD測(cè)量中,高電壓加載到壓敏電阻兩端后,通過測(cè)量圖4中分壓電阻R1兩端電壓來判斷電流是否到達(dá)1 mA,泄漏電流的測(cè)量類似.得到取樣電壓后通過運(yùn)算放大器以及RC濾波獲取最終信號(hào),并將該信號(hào)送給ADC轉(zhuǎn)換處理.

接地電壓、接地電阻與土壤電阻率的量程范圍較大,因此采用多級(jí)分壓電路.接入運(yùn)放的分壓電阻可通過繼電器調(diào)整,并由單片機(jī)判斷信號(hào)強(qiáng)度是否為最佳值,若不是則由單片機(jī)調(diào)整繼電器以改變信號(hào)大小,直到獲得最佳值.

測(cè)量接地電壓時(shí),連續(xù)采樣N次,通過公式(3)直接計(jì)算出接地電壓

(3)

式(3)中:U—接地電壓值,V;U1,U2…UN—每個(gè)采樣點(diǎn)的電壓值,V;N—采樣點(diǎn)數(shù).

測(cè)量接地電阻與土壤電阻率時(shí),為了濾除信號(hào)中的其他頻率分量,后續(xù)采用帶通濾波器,采用無限增益多路反饋型電路,如圖6.濾波器的增益系數(shù)計(jì)算如下式[9]:

(4)

式(4)中:Kp—增益系數(shù);R25,R27—電阻值,Ω;C5,C6—電容值,F.

根據(jù)式(5)可計(jì)算其中心頻率[9],設(shè)計(jì)其中心頻率為fy,其中P4用于微調(diào).

(5)

式(5)中:w0—角速度,rad/s;R24,R25,R26,R27—電阻值,Ω;P4—電位器接入電路中的阻值,Ω.

圖6 帶通濾波器Figure 6 Band-pass filter circuit

2.3 其他電路

儀器采用16位AD模塊,可以8路同步采樣,選用串行接口模式讀取數(shù)字信號(hào),減少了單片機(jī)I/O口占用量.經(jīng)過放大濾波后的信號(hào),通過AD采樣,輸出數(shù)字信號(hào),送入單片機(jī)進(jìn)行處理.

無線通訊采用TI公司的SI4432無線通信模塊,通過單片機(jī)提供的USART接口,實(shí)現(xiàn)測(cè)量指令的接收與數(shù)據(jù)的發(fā)送.

3 儀器軟件設(shè)計(jì)

測(cè)試儀的研制以STM32單片機(jī)為核心處理器,測(cè)試儀的軟件部分主要實(shí)現(xiàn)了程控放大控制、電流源信號(hào)產(chǎn)生、電壓電流信號(hào)采集、數(shù)據(jù)分析與處理、液晶顯示控制、按鍵功能處理以及通訊等功能.

軟件以中斷方式響應(yīng)各個(gè)按鍵及通訊事件.開機(jī)后系統(tǒng)進(jìn)行各部分的初始化,屏幕顯示當(dāng)前通訊狀態(tài)及電量信息.初始化結(jié)束后進(jìn)入中斷等待,直到接收到命令或有鍵按下,系統(tǒng)將響應(yīng)中斷,跳入相應(yīng)的處理函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的功能,如圖7.

圖7 主程序流程圖Figure 7 Flow chart of main program

(6)

式(6)中:U1mA—壓敏電阻兩端電壓;R51—采樣電阻;R1、R2、R50、R52—分壓電阻;U51—采樣電阻兩端電壓.

在測(cè)量接地電阻與土壤電阻率的過程中,AD采樣得到的信號(hào)中包含了地網(wǎng)中的干擾信號(hào)以及頻率為fy的電流源信號(hào).經(jīng)硬件電路濾波后,干擾信號(hào)得到衰減,但其中的工頻分量幅值較大,而儀器產(chǎn)生的異頻恒流信號(hào)只有毫安級(jí),因此工頻分量仍會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大干擾,需要進(jìn)行數(shù)字濾波.

傅里葉變換是一種應(yīng)用廣泛的算法,它將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行分析[10],表達(dá)式為

(10)

式(10)中:W=e-j2π/N;x(n)—采樣得到的信號(hào).

將AD采樣得到的離散數(shù)字信號(hào)進(jìn)行FFT變換后得到其頻譜特性,找到代表電流源頻率fy的點(diǎn),根據(jù)該點(diǎn)的幅值計(jì)算出電壓的有效值,根據(jù)R=U/I即可得到接地電阻值.測(cè)量土壤電阻率時(shí),信號(hào)的采樣與處理過程相同,得到電阻值后根據(jù)式(1)即可得到土壤電阻率值.

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在測(cè)量?jī)x制作完成后,為檢測(cè)儀器的準(zhǔn)確度,采用可調(diào)式穩(wěn)壓電源檢測(cè)其電壓測(cè)量功能,在測(cè)量范圍內(nèi)選取三組電壓值進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比數(shù)據(jù)為福祿克六位半萬用表測(cè)量值,如表1.

表1 接地電壓測(cè)量數(shù)據(jù)

接地電阻采用三組千分之一精密電阻作為檢測(cè)樣本,對(duì)比值為廣州銥泰電子的ETCR 3000B測(cè)試儀的測(cè)量值,該儀器在0～2 kΩ測(cè)量范圍內(nèi)的精度為±2%rdg±3 dge,與樣機(jī)對(duì)一個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,使用同一套引線地樁,其對(duì)比值如表2.

表2 接地電阻測(cè)量數(shù)據(jù)

Table 2 Data of grounding resistance measurement

Ω

土壤電阻率采用廣州銥泰電子的ETCR 3000B測(cè)試儀的測(cè)量值作為對(duì)比值,在開闊平穩(wěn)地帶選取三個(gè)測(cè)量點(diǎn)，用3000B與樣機(jī)分別進(jìn)行測(cè)量,使用同一套引線地樁,其對(duì)比值如表3.

表3 土壤電阻率測(cè)量數(shù)據(jù)

檢測(cè)壓敏電阻時(shí),采用DP-CJ1007浪涌保護(hù)器檢測(cè)儀的測(cè)量值作為對(duì)比值,電壓表示值誤差為±1%±dge,泄漏電流示值誤差為±2%±0.1 μA,選取三組伏安特性不同的SPD，分別用CJ1007與樣機(jī)對(duì)其進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比值如表4.

表4 SPD電壓與電流測(cè)量數(shù)據(jù)

Table 4 Data of SPD voltage and current measurement

序號(hào)項(xiàng)目CJ1007測(cè)量值樣機(jī)測(cè)量值絕對(duì)誤差123壓敏電壓/V2019.80.20泄漏電流/μA0.810.80.01壓敏電壓/V148149.91.10泄漏電流/μA0.090.10.02壓敏電壓/V611610.40.40泄漏電流/μA2.812.90.09

儀器要求接地電阻、接地電壓以及SPD參數(shù)誤差在±2%rdg±3dge內(nèi),土壤電阻率誤差根據(jù)接地電阻的測(cè)量精度而定,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,我們研制的測(cè)試儀測(cè)量誤差達(dá)到設(shè)計(jì)要求,準(zhǔn)確性良好.

5 結(jié) 語

筆者研制的防雷特征參數(shù)檢測(cè)儀實(shí)現(xiàn)了測(cè)量多個(gè)參數(shù),適用于常規(guī)安全巡檢和工程驗(yàn)收,功能強(qiáng)大,系統(tǒng)穩(wěn)定,測(cè)量準(zhǔn)確,具有無線通訊功能,可大大提高防雷檢測(cè)人員的工作效率.

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The design of lightning protection devices’ characteristic parameter detectors

ZHAO Chunhuan, MAO Qianmin

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

The detection and inspection of lightning protection systems are important to ensure constructions to survive lightning disasters. In a measuring project, various parameters are always included. For this reason, a detector of the characteristic parameters of lightning protection based on STM32 microchips was designed which realized the measurement of grounding voltage, grounding resistance, soil resistivity and surge protective devices. The detector adopted the different frequency current and the digital filtering technique to improve the accuracy of measurement; and the circuit structure was optimized to reduce the volume of the instrument. The results of practical applications show that the detector can measure the parameters accurately with such characteristics as simple in operation, stable and accurate, and easy to carry and thus reduce the burden of personnel and improve their work efficiency.

grounding resistance; constant current source; filter

1004-1540(2015)02-0194-06

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.02.013

2015-03-03 《中國(guó)計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)》網(wǎng)址：zgjl.cbpt.cnki.net

TM934.15

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