一種防雷接地裝置的便攜式檢測(cè)儀檢測(cè)方法

蘇其進(jìn)，吳紅英，楊永廣，劉靜，閆麗

（揚(yáng)州萬(wàn)泰電子科技有限公司，江蘇揚(yáng)州，225000）

0 引言

目前，新型變能組合式防雷接地裝置采用特定組成成分的電介質(zhì)材料作為雷電能量轉(zhuǎn)化功能部件，接閃后能迅速將雷電轉(zhuǎn)化為化學(xué)能、電場(chǎng)能、磁場(chǎng)能等能量，進(jìn)行吸收、變換、釋放三位一體化，減少了引下線裝置產(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)周圍設(shè)備的影響，同時(shí)減少了雷電反擊和跨步電壓對(duì)人員和設(shè)備的影響，而且成本低廉，非常適合于充電設(shè)施的防雷保護(hù)改造。由于該類型防雷接地裝置屬于免維護(hù)產(chǎn)品，不需要補(bǔ)充電介質(zhì)，因此對(duì)其性能進(jìn)行定期檢測(cè)就顯得十分必要?，F(xiàn)有檢測(cè)裝置基本為通過(guò)檢測(cè)防雷接地裝置的瞬時(shí)導(dǎo)通電阻進(jìn)行判斷[1]，但防雷接地裝置電介質(zhì)是多種化合物的組合體，其阻抗呈現(xiàn)非線性特性，隨著充電時(shí)間的持續(xù)，其測(cè)量的電阻值是變化的。雷電的特點(diǎn)是電壓高、電流大，但時(shí)間短，一般持續(xù)時(shí)間為10ms～100ms之間[2]，這段時(shí)間也是整個(gè)防雷接地裝置工作最嚴(yán)酷的階段。因此，只有通過(guò)測(cè)量雷電發(fā)生期間的完整的電流特性，才能真實(shí)反映防雷接地裝置的性能是否滿足防雷要求。本文提出了一種便攜式防雷接地裝置檢測(cè)儀，通過(guò)采樣測(cè)量雷電發(fā)生期間的完整的電流特性，計(jì)算防雷接地裝置阻值并判別其性能是否滿足要求。

1 檢測(cè)電路

圖1 防雷接地裝置檢測(cè)儀主工作電路

圖1為防雷接地裝置檢測(cè)儀的主工作電路。圖1中，主回路繼電器JDQ的規(guī)格為12V/30A。未進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，比較器LM311的反相端輸入為低電平，同相端輸入為+2.5V，比較器輸出端為高電平，繼電器處于斷開(kāi)狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)K3接通時(shí)，主處理單元檢測(cè)到高電平，比較器輸出切換為低電平，繼電器觸點(diǎn)吸合。直流電流傳感器模塊ACS712ELECTR-30A檢測(cè)的電流送至主處理單元的A/D輸入端。這樣，主處理單元經(jīng)過(guò)計(jì)算，就能計(jì)算出防雷接地裝置的導(dǎo)通電阻，進(jìn)而判斷防雷接地裝置的性能好壞。主處理單元采用 TI公司的控制類DSP芯片TMS320F2812，DSP通過(guò)外圍電路與液晶屏LCD的驅(qū)動(dòng)接口連接，可直接將處理結(jié)果送至LCD進(jìn)行顯示。

2 檢測(cè)方法

防雷接地裝置電介質(zhì)是多種化合物的組合體，其阻抗呈現(xiàn)非線性特性，隨著充電時(shí)間的持續(xù)，其測(cè)量的電阻值是變化的。雷電的特點(diǎn)是電壓高、電流大，但時(shí)間短，這段時(shí)間也是整個(gè)防雷接地裝置工作最嚴(yán)酷的階段。因此，只有通過(guò)測(cè)量雷電發(fā)生期間的整個(gè)短時(shí)間內(nèi)的電阻特性，才能更真實(shí)地反映防雷接地裝置的性能是否發(fā)生變化及是否滿足防雷要求。本文在現(xiàn)有通過(guò)瞬時(shí)電阻測(cè)量進(jìn)行防雷接地裝置的性能檢測(cè)基礎(chǔ)上，附加了通過(guò)對(duì)加電后100ms期間電流特性的分析進(jìn)行雷接地裝置的性能檢測(cè)的方法，能更準(zhǔn)確地判斷防雷接地裝置的性能是否滿足充電設(shè)施的防雷要求。

防雷接地裝置便攜式檢測(cè)儀的電壓、電流信息采樣流程：將防雷接地裝置與設(shè)備和大地的連接斷開(kāi)，與檢測(cè)儀連接。接通主電源工作電源開(kāi)關(guān)，使檢測(cè)儀預(yù)熱1分鐘，使檢測(cè)儀處于良好的準(zhǔn)備工作狀態(tài)。接通檢測(cè)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)，開(kāi)始進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)的作用是：檢測(cè)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)接通后，主處理單元接收到高電平信號(hào)，發(fā)出檢測(cè)啟動(dòng)信號(hào)，并分別啟動(dòng)電壓檢測(cè)通道和電流檢測(cè)通道ADC進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣。主處理單元的TMS320F2812對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，并將結(jié)果送LCD進(jìn)行顯示。TMS320F2812從收到檢測(cè)啟動(dòng)開(kāi)關(guān)接通后產(chǎn)生的高電平信號(hào)后發(fā)出檢測(cè)啟動(dòng)信號(hào)，到經(jīng)比較器LM311與2.5V基準(zhǔn)電平比較后發(fā)出控制電平給繼電器線圈，再到繼電器觸點(diǎn)吸合，中間需要25毫秒左右的時(shí)間（LM311比較器的電平翻轉(zhuǎn)時(shí)間為200ns，繼電器的吸合時(shí)間≤25ms）。因此，TMS320F2812的采樣數(shù)據(jù)長(zhǎng)度設(shè)為125ms。TMS320F2812的采樣周期可根據(jù)用戶具體要求進(jìn)行設(shè)置，采樣周期越短，采樣的電壓和電流間隔也越短，采樣的數(shù)據(jù)也越多，計(jì)算分析的可靠性也越高，但計(jì)算的工作量也越大。本文中檢測(cè)儀采樣周期最長(zhǎng)設(shè)為3.3ms，以確保100ms防雷接地裝置通電時(shí)間內(nèi)采樣至少30個(gè)數(shù)據(jù)，保證分析結(jié)果的可靠性。由于繼電器的吸合時(shí)間較長(zhǎng)，防雷接地裝置上電時(shí)電壓檢測(cè)通道和電流檢測(cè)通道ADC已經(jīng)進(jìn)行采樣工作，因此采樣的電壓通道和電流通道中包含有防雷接地裝置通電前的檢測(cè)數(shù)據(jù)。圖2為防雷接地裝置某次采樣電流的波形圖，采樣周期為1ms。

圖2 防雷接地裝置采樣電流波形圖

下面進(jìn)行計(jì)算分析。本文提出了一種通過(guò)計(jì)算電阻判別防雷接地裝置性能的方法。本文同時(shí)提出了一種通過(guò)構(gòu)建防雷接地裝置上電電流的匹配模板，并將檢測(cè)的實(shí)際電流曲線與匹配模板進(jìn)行比對(duì)，進(jìn)而判別防雷接地裝置性能的方法。

（1）瞬時(shí)電阻計(jì)算分析方法

本文提出了一種防雷接地裝置的電介質(zhì)具有容性特征，上電瞬間流過(guò)的的電流會(huì)很大，因此該時(shí)刻的內(nèi)阻一般最能反映防雷接地裝置的電介質(zhì)性能。將采樣的電流數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，由于采樣的數(shù)據(jù)不大，因此直接采用冒泡排序法。找出電流的最大采樣數(shù)據(jù)，即電流的峰值，及其對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)刻。分別找出峰值兩邊的兩個(gè)次大值，及它們各自對(duì)應(yīng)的采樣時(shí)刻。然后，找出這三個(gè)電流i1、i2、i3各自對(duì)應(yīng)采樣時(shí)刻的電壓值u1、u2、u3。分別計(jì)算得出各自時(shí)刻的電阻r1、r2、r3,對(duì)r1、r2、r3求平均值，得出檢測(cè)出的防雷接地裝置阻值r。0.1Ω≤r≤0.6Ω時(shí)，判定防雷接地裝置合格；否則判定為不合格。

（2）電流波形匹配模板比對(duì)計(jì)算分析方法

本文以下計(jì)算分析說(shuō)明過(guò)程中，均基于采樣周期為3.3ms時(shí)進(jìn)行。在進(jìn)行下一次測(cè)試前，必須對(duì)防雷接地裝置進(jìn)行能量釋放,以確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

電流波形匹配模板比對(duì)計(jì)算分析方法的流程如下：

圖3 曲線擬合前后的3組有效電流波形

采用防雷接地裝置檢測(cè)儀對(duì)被測(cè)裝置測(cè)試3次，取得各自采樣電流波形。分別找出各自的防雷接地裝置通電起始時(shí)刻采樣數(shù)據(jù)，去除未通電時(shí)刻的采樣數(shù)據(jù)，得到新的3組有效電流數(shù)據(jù)。然后對(duì)這3組數(shù)據(jù)分別進(jìn)行曲線擬合，得到較為平滑的電流采樣數(shù)據(jù)。圖3為曲線擬合前后的3組有效電流波形。將3組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)時(shí)刻的數(shù)據(jù)分別求平均，得到一組電流采樣數(shù)據(jù)，然后將這組電流采樣數(shù)據(jù)作為電流波形匹配模板，并進(jìn)行存儲(chǔ)。圖4為匹配模板電流波形。防雷接地裝置檢測(cè)時(shí)，得到的采樣數(shù)據(jù)，去除未通電時(shí)刻的采樣數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行曲線擬合，得到的一組電流采樣數(shù)據(jù)與匹配模板波形數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，如得到的均方差小于規(guī)定的最大值，判定防雷接地裝置合格；否則判定為不合格。

圖4 匹配模板電流波形

圖3和圖4中，橫坐標(biāo)為采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，縱坐標(biāo)為采樣數(shù)據(jù)歸一化值。

曲線擬合采用最小二乘法。最小二乘法是一種常用的數(shù)學(xué)優(yōu)化技術(shù)。它通過(guò)最小化誤差的平方和尋找數(shù)據(jù)的最佳函數(shù)匹配。利用最小二乘法可以簡(jiǎn)便地求得未知的數(shù)據(jù)，并使得這些求得的數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)之間誤差的平方和為最小。誤差的平方和求平均并開(kāi)根號(hào)即得到均方差。標(biāo)準(zhǔn)差能反映一個(gè)數(shù)據(jù)集的離散程度，因而常用于測(cè)量結(jié)果的判別。

將3組曲線擬合后的電流采樣數(shù)據(jù)與匹配模板數(shù)據(jù)進(jìn)行均方差分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，3組均方差都很小，表明建立的匹配模板是合理的，電流波形匹配模板比對(duì)計(jì)算分析方法是可行的。

表1 3組電流采樣數(shù)據(jù)與匹配模板數(shù)據(jù)的均方差分析結(jié)果

LCD具有文字和圖形顯示功能，主處理單元將瞬時(shí)電阻計(jì)算結(jié)果、均方差分析結(jié)果、3組采樣數(shù)據(jù)、3組有效電流數(shù)據(jù)及曲線擬合數(shù)據(jù)、匹配模板數(shù)據(jù)均送到LCD顯示，用戶可通過(guò)顯示，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)自行判斷防雷接地裝置是否合格。

3 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)有防雷接地裝置檢測(cè)裝置基本為通過(guò)檢測(cè)防雷接地裝置的瞬時(shí)導(dǎo)通電阻進(jìn)行判斷，但防雷接地裝置電介質(zhì)是多種化合物的組合體，其阻抗呈現(xiàn)非線性特性，隨著充電時(shí)間的持續(xù)，其測(cè)量的電阻值是變化的。雷電的特點(diǎn)是電壓高、電流大，但時(shí)間短，這段時(shí)間也是整個(gè)防雷接地裝置工作最嚴(yán)酷的階段。本文提出了一種便攜式防雷接地裝置檢測(cè)儀檢測(cè)方法，通過(guò)采樣測(cè)量雷電發(fā)生期間的完整的電流特性，計(jì)算防雷接地裝置阻值并準(zhǔn)確判別其性能是否滿足要求。