基于鉗表法的桿塔接地電阻測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧夙，方定展，田相鵬，廖紅華

（湖北民族大學(xué) 智能科學(xué)與工程學(xué)院，湖北恩施，445000）

0 引言

現(xiàn)有桿塔接地電阻的測(cè)量方法主要有電位降法、三極法、高頻并聯(lián)法、異頻法、大電流法和鉗表法。電位降法[1]測(cè)量接地電阻需反復(fù)測(cè)量，工作量大，現(xiàn)場(chǎng)操作困難；三極法[2]測(cè)量必須斷開接地引線，不能反應(yīng)雷擊時(shí)的桿塔實(shí)際接地電阻值，又實(shí)際中桿塔數(shù)量眾多，斷開接地引線測(cè)量大大增加了工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，效率低下；高頻并聯(lián)法[3]沒有綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)土壤性質(zhì)、測(cè)量電流頻率等因素對(duì)接地體電感效應(yīng)所造成的測(cè)量結(jié)果影響，不能很好地適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)情況；異頻法是在三極法基礎(chǔ)上注入非工頻的信號(hào)實(shí)現(xiàn)接地電阻的測(cè)量，能有效消除工頻干擾的影響，但是異頻法仍屬于離線測(cè)量方法，并且注入信號(hào)頻率不能偏離工頻 10 kHz 以上，否則將增大測(cè)量誤差；大電流法在測(cè)量時(shí)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(zhǎng)度以及一定寬度的實(shí)驗(yàn)電流引線和相當(dāng)容量的實(shí)驗(yàn)電流源，在實(shí)際測(cè)量中實(shí)現(xiàn)起來比較困難。鉗表法[4]的最大特點(diǎn)是不必完全斷開接地引線，只要鉗住接地引線就能測(cè)出接地電阻值，具有快速測(cè)量、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。

總體來說，目前接地電阻測(cè)量方法均存在各自的不足，主要表現(xiàn)為：需要斷開接地引線、限制條件多、誤差較大、需要專人到現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量等。為此，本文研制了一種基于鉗表法桿塔接地電阻測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用于多桿塔的接地電阻測(cè)量，系統(tǒng)安裝完后，通過顯示LCD讀取接地電阻值，同時(shí)也可以通過手機(jī)APP連接設(shè)備，在手機(jī)APP上讀取測(cè)量的接地電阻值。具有極大的便捷性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

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

圖1 桿塔接地電阻測(cè)量原理示意圖

由公式(1)可以知道，測(cè)量的電阻值Rloop為實(shí)際的待測(cè)電阻Rx與其他桿塔的接地電阻并聯(lián)值。當(dāng)桿塔數(shù)量較多時(shí)，多個(gè)桿塔的接地電阻的并聯(lián)值遠(yuǎn)小于待測(cè)電阻Rx，在一定誤差要求下，可以認(rèn)為測(cè)量的電阻Rloop為桿塔的接地電阻Rx。

如圖2所示為本系統(tǒng)的硬件電路結(jié)構(gòu)示意圖。在待測(cè)電阻Rx組成的環(huán)路中，電壓互感器線圈在環(huán)路中感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，該電動(dòng)勢(shì)在測(cè)量環(huán)路中產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流被電流互感器線圈測(cè)量。因此根據(jù)感應(yīng)電壓與測(cè)量的感應(yīng)電流，就可以計(jì)算出待測(cè)電阻Rx。電壓互感器的激勵(lì)信號(hào)由MCU產(chǎn)生一個(gè)一定頻率的正弦信號(hào)，該正弦信號(hào)經(jīng)過功率放大后驅(qū)動(dòng)電壓互感器線圈。電流檢測(cè)電路主要由信號(hào)放大電路和整流濾波電路構(gòu)成。經(jīng)過MCU計(jì)算后的測(cè)量電阻值可以在OLED顯示屏上顯示，另外，還可以在手機(jī)APP上通過藍(lán)牙通信讀取測(cè)量的接地電阻值。

圖2 桿塔接地電阻測(cè)量硬件電路結(jié)構(gòu)圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)最關(guān)鍵的硬件電路主要有正弦信號(hào)功率放大電路、 電流檢測(cè)與放大電路、整流濾波電路。這幾部分的電路為測(cè)量接地電阻的關(guān)鍵電路。

■2.1 電壓互感器及驅(qū)動(dòng)電路

如圖3所示為電壓互感器驅(qū)動(dòng)電路。單片機(jī)輸出的帶直流偏置的正弦信號(hào)從端口DAC_OUT0輸入，電阻R4和電容C1構(gòu)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(hào)。該正弦信號(hào)經(jīng)過由電阻R3、R9和運(yùn)放構(gòu)成的同相放大器，進(jìn)行放大后輸出到射極跟隨器UA1B，最后信號(hào)輸出到電壓互感器端口J3。

圖3 電壓互感器驅(qū)動(dòng)電路

■2.2 電流互感器及檢測(cè)電路

如圖4所示為電流檢測(cè)初級(jí)放大濾波電路。電流互感器的檢測(cè)端口由J1輸入，在電阻R55上產(chǎn)生壓降，將電流互感器的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過由電阻R2、電阻R7和運(yùn)放UB1A構(gòu)成的同相放大器放大后，再輸入到由運(yùn)放UB1B構(gòu)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(shè)定為79kHz。

圖4 電流檢測(cè)初級(jí)放大濾波電路

如圖5所示為電流檢測(cè)中間級(jí)放大電路。電流信號(hào)經(jīng)過初級(jí)放大和濾波后輸入到電阻R20的端口，進(jìn)行信號(hào)的中間級(jí)放大，該放大電路由電阻R19、電阻R21和運(yùn)放UC1A構(gòu)成的同相放大電路，放大電路的輸出級(jí)電路為射極跟隨器。

圖5 電流檢測(cè)中間級(jí)放大電路

信號(hào)經(jīng)過中間級(jí)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(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)。如圖6所示為整流濾波電路，該電路為由兩個(gè)運(yùn)放組成的同相精密整流電路，整流后輸出信號(hào)為運(yùn)放UD1B的端口7，最后由電阻R41、電容C31和電容C33構(gòu)成的RC低通濾波器，將整流后的脈動(dòng)直流信號(hào)變化為直流信號(hào)。單片機(jī)通過檢測(cè)該直流信號(hào)就可以轉(zhuǎn)換為電流值。

圖6 整流濾波電路

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)分為兩部分，一個(gè)是下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)，用于產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)、計(jì)算接地電阻值和藍(lán)牙通信；另一個(gè)是手機(jī)APP軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)讀取下位機(jī)測(cè)量的接地電阻值。

■ 3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)的處理器選擇GD32F303CGT6，該芯片自帶DAC、ADC和FPU，非常適合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。軟件方面，運(yùn)行開源的FreeRTOS操作系統(tǒng)[7]，在主程序注冊(cè)五個(gè)任務(wù)，一個(gè)任務(wù)用來產(chǎn)生正弦激勵(lì)信號(hào)；一個(gè)任務(wù)用來采集電流信號(hào)；一個(gè)任務(wù)并對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；一個(gè)任務(wù)用來進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示；一個(gè)任務(wù)用于信號(hào)通信。整個(gè)下位機(jī)軟件流程如圖7所示。系統(tǒng)上電后會(huì)進(jìn)入空閑模式，在該模式下，正弦激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生和信號(hào)濾波與計(jì)算處于停止?fàn)顟B(tài)，單片機(jī)會(huì)接收測(cè)量命令，該命令可以由與單片機(jī)相連的按鍵觸發(fā)，也可以由手機(jī)APP通過藍(lán)牙給單片機(jī)發(fā)送命令。當(dāng)單片機(jī)接收到測(cè)試命令后，系統(tǒng)產(chǎn)生正弦激勵(lì)電壓，ADC采樣得到電流信號(hào)，并通過算法模塊進(jìn)行接地電阻參數(shù)計(jì)算，計(jì)算完后將計(jì)算結(jié)果顯示到OLED屏和手機(jī)APP上。

圖7 下位機(jī)軟件流程圖

■3.2 APP代碼設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用Android Studio進(jìn)行手機(jī)APP軟件設(shè)計(jì)開發(fā)，主要在activity_main xml中編寫手機(jī)APP的布局界面，在設(shè)計(jì)時(shí)采用了其中的RelativeLayout的布局方式，在多控件編輯的時(shí)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(diào)整控件的顏色背景等。對(duì)需要監(jiān)聽事件的控件需要設(shè)置控件的id，這樣在控制程序中可以通過這個(gè)id找到這個(gè)控件并監(jiān)聽它。同時(shí)，在控制程序部分也可以通過這個(gè)id修改這個(gè)控件的狀態(tài)。在本設(shè)計(jì)中，需要用的控件主要有按鍵控件來搜索藍(lán)牙；文本顯示控件來顯示被測(cè)電阻的阻值、顯示設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等。

4 測(cè)試結(jié)果

如圖8所示為測(cè)試實(shí)物圖，實(shí)際測(cè)試為用一個(gè)環(huán)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(tǒng)實(shí)物圖

如表1所示為為隨機(jī)測(cè)量20Ω以下的環(huán)路電阻，電阻實(shí)際值為用RLC電橋測(cè)量的值，型號(hào)為TH2830，測(cè)量值為采用本系統(tǒng)測(cè)量的結(jié)果，可以看到，測(cè)量精度較高，誤差率基本上在3%以內(nèi)，滿足測(cè)量要求。

表1 實(shí)際測(cè)量參數(shù)對(duì)比表

根據(jù)上面測(cè)試的結(jié)果可知，當(dāng)測(cè)量的接地電阻的阻值越大，其測(cè)量誤差也會(huì)變得更大，這是因?yàn)樗鶞y(cè)的接地電阻的阻值越大那么在電流互感器回路的感應(yīng)電流會(huì)越小，但是最大沒有超過1Ω。并且其誤差率相對(duì)比較穩(wěn)定，總體而言符合整體的測(cè)試要求。

5 結(jié)語

為了桿塔接地電阻測(cè)量的便捷性，本文設(shè)計(jì)了一種采用鉗表法測(cè)量接地電阻的系統(tǒng)?？梢灾苯幼x取接地電阻值，而且通過手機(jī)APP可以直接觸發(fā)接地電阻的測(cè)量與結(jié)果讀取。結(jié)果表明，本系統(tǒng)測(cè)量精度較高，在50Ω以下誤差率小于3%，具有極高的應(yīng)用價(jià)值。