接地電阻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

林德輝

大久建設(shè)集團(tuán)有限公司 遼寧大連 116035

對(duì)于高大建筑來說，其防雷接地的要求非常嚴(yán)格。當(dāng)遇到雷暴天氣時(shí)，一旦建筑物有落雷，其接地引下線會(huì)把雷電引入大地，從而保證建筑物的安全。這就要求防雷引下線及地下接地網(wǎng)的電阻必須足夠小，才能實(shí)現(xiàn)防雷的安全要求。然而，隨著時(shí)間的推移，引下線與地下接地網(wǎng)其金屬本身會(huì)受土壤、地質(zhì)、濕度等環(huán)境因素的影響而腐蝕，導(dǎo)致其電阻變大。當(dāng)接地電阻值大到一定數(shù)值時(shí)，如果遇到雷擊，雷擊電流會(huì)在電阻大的地方形成高壓；雷擊電流越大，形成的電壓也越高，高電壓會(huì)把建筑物徹底毀壞。所以，有必要對(duì)建筑物的接地引下線的接地電阻進(jìn)行連續(xù)性的監(jiān)視測(cè)量，從而保證引下線的接地電阻值符合安全要求。接地電阻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正是基于這種背景而設(shè)計(jì)開發(fā)的。

1 接地電阻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成和功能

1.1 系統(tǒng)的組成

該接地電阻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由三部分構(gòu)成，分別為現(xiàn)場(chǎng)接地電阻測(cè)量單元（子控單元）、現(xiàn)場(chǎng)控制管理單元（主控單元）、后臺(tái)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

1.2 各組成部分的功能

現(xiàn)場(chǎng)接地電阻測(cè)量單元是系統(tǒng)的執(zhí)行部件，主要功能是檢測(cè)所測(cè)回路接地電阻的實(shí)時(shí)阻值、顯示該阻值并向上層（現(xiàn)場(chǎng)控制管理單元）傳送所測(cè)的數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)接地電阻測(cè)量單元可以24小時(shí)不間斷進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)不影響被監(jiān)測(cè)的接地電阻的正常工作[1]。

現(xiàn)場(chǎng)控制管理單元用以定期顯示和存儲(chǔ)各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)接地電阻測(cè)量單元檢測(cè)的接地引下線的接地電阻值、阻值的真值計(jì)算；存儲(chǔ)的阻值可以供用戶查詢，包括當(dāng)前數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)和報(bào)警事件；每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制管理單元最多可以連接32個(gè)現(xiàn)場(chǎng)接地電阻測(cè)量單元；現(xiàn)場(chǎng)控制管理單元具有向上傳輸?shù)耐ㄐ沤涌?，用來與后臺(tái)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行通信，包括485Modbus、以太網(wǎng)。

后臺(tái)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)安裝在集中控制室內(nèi)，其可以連接一個(gè)大屏幕液晶電視以便于值班人員對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的觀察；后臺(tái)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的參數(shù)配置、數(shù)據(jù)分析、超值報(bào)警燈功能。

每個(gè)后臺(tái)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以與無數(shù)個(gè)現(xiàn)場(chǎng)控制管理單元實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接。當(dāng)連接的現(xiàn)場(chǎng)控制管理單元較多時(shí)，需要增加使用中繼器，這里對(duì)中繼器暫不介紹。

1.3 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)控制過程

各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)接地電阻測(cè)量單元對(duì)其連接的接地引下線進(jìn)行電阻測(cè)量、顯示，然后各自將電阻值按照現(xiàn)場(chǎng)控制管理單元的命令周期性上傳至現(xiàn)場(chǎng)控制管理單元；現(xiàn)場(chǎng)控制管理單元收到其連接的各個(gè)現(xiàn)場(chǎng)接地電阻測(cè)量單元所檢測(cè)的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、再顯示、存儲(chǔ)并上傳到后臺(tái)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；用戶通過后臺(tái)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可以觀察現(xiàn)場(chǎng)各種數(shù)據(jù)（當(dāng)前數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)），對(duì)參數(shù)進(jìn)行配置[2]。

在系統(tǒng)所測(cè)量的范圍內(nèi)，某一接地引下線發(fā)生腐蝕或斷裂等安全隱患，系統(tǒng)可以準(zhǔn)確判斷所在位置，告知工作人員及時(shí)處理故障問題?？刂乒芾韱卧梢栽O(shè)置報(bào)警界限值（可調(diào)），后臺(tái)主機(jī)可提供報(bào)警信息。在后臺(tái)監(jiān)控主機(jī)內(nèi)，有歷史數(shù)據(jù)庫、歷史曲線等運(yùn)行軌跡可供用戶查詢，進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比和分析，可對(duì)接地電阻變大趨勢(shì)的回路進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，并提早實(shí)施預(yù)防措施[3]。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)場(chǎng)接地電阻測(cè)量單元的硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)接地電阻測(cè)量單元采用STM32F103CBT6作為微處理器，采集芯片使用TL062，使用四位數(shù)碼管對(duì)檢測(cè)的阻值進(jìn)行顯示?，F(xiàn)場(chǎng)接地電阻測(cè)量單元與現(xiàn)場(chǎng)控制管理單元的采用485通訊（使用MAX485芯片），為了增強(qiáng)通訊的抗干擾能力，增加使用了高速光耦6N137。

2.2 現(xiàn)場(chǎng)控制管理單元的硬件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)控制管理單元采用STM32F107VCT6作為微處理器；雙路485通訊，其中一路向下，與現(xiàn)場(chǎng)接地電阻測(cè)量單元進(jìn)行通訊，另一路向上，與后臺(tái)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊；與后臺(tái)計(jì)算機(jī)的通訊還可以使用以太網(wǎng)的方式，芯片使用DP83848C。現(xiàn)場(chǎng)控制管理單元使用液晶進(jìn)行顯示，液晶使用KXM12864J，微處理器直接驅(qū)動(dòng)。

現(xiàn)場(chǎng)接地電阻測(cè)量單元和現(xiàn)場(chǎng)控制管理單元均均采用直流24V供電，故二者的硬件均包含開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)，將直流24V降壓為直流5V和直流3.3V，分別用于485通訊電路部分和給微處理器供電。

3 軟件設(shè)計(jì)

接地電阻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)由上層管理軟件（后臺(tái)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)）和現(xiàn)場(chǎng)控制軟件（現(xiàn)場(chǎng)接地電阻測(cè)量單元、現(xiàn)場(chǎng)控制管理單元）兩部分構(gòu)成。上層管理軟件可以用VB制作或使用組態(tài)軟件；現(xiàn)場(chǎng)控制軟件用C語言完成，由初始化程序、控制程序、通訊程序等構(gòu)成。

4 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，本系統(tǒng)可達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)：

（1）現(xiàn)場(chǎng)接地電阻測(cè)量單元抗雷電沖擊大于100KA/ms。

（2）現(xiàn)場(chǎng)接地電阻測(cè)量單元測(cè)量精度可達(dá)10mΩ，測(cè)量范圍為0-100Ω。

（3）使用環(huán)境溫度為-40℃-+85℃。

（4）單個(gè)引下線電阻測(cè)量周期≤0.5S。

（5）電阻真值計(jì)算，以最多32路接地引下線電阻網(wǎng)絡(luò)為例，解方程計(jì)算32個(gè)接地電阻真值的時(shí)間≤5S。

5 接地電阻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)

接地電阻在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有優(yōu)越的抗干擾性能，可以常年不間斷、可靠、穩(wěn)定運(yùn)行；系統(tǒng)在寬溫度范圍可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)測(cè)量；系統(tǒng)具有高水平的計(jì)算方法，保證快速、精確的求解方程、求解接地電阻真值；多種網(wǎng)絡(luò)接口的應(yīng)用，便于用戶進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接[4]。這些特點(diǎn)決定了系統(tǒng)可以應(yīng)用于監(jiān)測(cè)各種建筑物的接地電阻。