一種變頻接地阻抗測量儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種變頻接地阻抗測量儀，所述測量儀包括：微控制單元MCU、數(shù)模DA輸出單元、功率放大單元、隔離變壓器、輸出檔位切換單元、電流互感器、第一運放及量程切換單元、第一濾波單元、第一模數(shù)AD采樣單元、第二運放及量程切換單元、第二濾波單元、第二模數(shù)AD采樣單元。本實用新型的變頻接地電阻測量儀在電氣測量領(lǐng)域，特別是在輸電桿、建筑物等強干擾環(huán)境下的接地阻抗參數(shù)測量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟價值。
【專利說明】
一種變頻接地阻抗測量儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及電力測量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種變頻接地阻抗測量儀。
【背景技術(shù)】
[0002]接地阻抗(習(xí)慣稱為“接地電阻”，實為帶感性分量的阻抗值)是反映接地網(wǎng)性能和狀態(tài)好壞最重要的參數(shù)，其準(zhǔn)確測量的重要意義是不言而喻的。
[0003]DL/T475-2006《接地裝置特性參數(shù)測量導(dǎo)則》對接地阻抗的定義是:接地裝置對遠(yuǎn)方電位零點的阻抗。數(shù)值上為接地裝置與遠(yuǎn)方電位零點間的電位差，與通過接地裝置流入地中的電流的比值。
[0004]由于輸電桿塔、建筑物的接地網(wǎng)中存在很強的50Hz干擾，所以現(xiàn)場微弱的測試信號往往因干擾強烈而帶來很大的誤差甚至無法測量。由于測量現(xiàn)場大多在野外，輸電桿塔很多在道路艱難的山區(qū)，一般難以取得供電電源，所以目前一般采用內(nèi)置電池、輕便便攜的接地電阻表進行測量。目前的接地電阻測量設(shè)備從測量原理上來說，分為如下幾種:
[0005](I)直流小電流測試法:測試電流為mA級的直流電流。該方法優(yōu)點是設(shè)備體積小，成本低，技術(shù)簡單。缺點是從原理來說測得是直流電阻，而非阻抗。且測試電流很小，數(shù)據(jù)容易受到干擾而出現(xiàn)很大的偏差。
[0006](2)高頻方波小電流測試法:儀器輸出800Hz以上的交流小電流進行測量。該方法優(yōu)點同直流小電流測試法。缺點是與50Hz工頻阻抗等效性不夠好，強干擾下數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，同時由于地網(wǎng)中有電感分量的存在，電感的感抗值與頻率成正比，因此在高頻下對接地阻抗的測量不準(zhǔn)確。
[0007 ] (3)鉗表法:鉗表法可以通過內(nèi)置的線圈，感應(yīng)出約1600Hz的1-3mA的正弦波電流，其優(yōu)點是簡單，輕便，現(xiàn)場不用放線。缺點是由于測量信號是高頻小電流，測量數(shù)據(jù)可信度低，且對于有一定感性的測試回路，等效性差。
[0008](4)異頻大電流法:異頻大電流大型地網(wǎng)測量系統(tǒng)能輸出1A級的45?55Hz異頻正弦波電流，能夠提高信噪比，提高抗干擾能力，測量精度高，結(jié)果真實可信;但其技術(shù)復(fù)雜，體積重量大，需要交流電源，野外使用不便。
【實用新型內(nèi)容】
[0009]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本實用新型提出一種變頻接地阻抗測量儀，包括:微控制單元mj、數(shù)模DA輸出單元、功率放大單元、隔離變壓器、輸出檔位切換單元、電流互感器、第一運放及量程切換單元、第一濾波單元、第一模數(shù)AD采樣單元、第二運放及量程切換單元、第二濾波單元、第二模數(shù)AD采樣單元;所述數(shù)模DA輸出單元、功率放大單元、第一模數(shù)AD采樣單元、第二模數(shù)AD采樣單元分別與MCU直接連接;所述數(shù)模DA輸出單元連接到功率放大單元，功率放大單元連接到隔離變壓器輸入，隔離變壓器輸出連接到輸出檔位切換單元，同時微控制單元MCU連接到輸出檔位切換單元切換不同的檔位;第一運放及量程切換單元連接至第一濾波單元，再經(jīng)過第一模數(shù)AD采樣單元連接到微控制單元M⑶;電流互感器連接至第二運放及量程切換單元，經(jīng)過第二濾波單元，再經(jīng)過第二模數(shù)AD采樣單元連接到微控制單元MCU ο
[0010]其中，所述測量儀還包括電池；電池給功率放大單元供電，然后通過數(shù)模DA輸出單元，生成異頻的正弦波信號，驅(qū)動功率放大單元進行功率放大，輸出大功率正弦波。
[0011]其中，MCU根據(jù)外接負(fù)載大小，通過調(diào)節(jié)數(shù)模DA輸出單元輸出正弦波信號的大小來控制功率放大單元輸出功率的大小，從而使隔離變壓器輸出合適的測試電壓電流。
[0012]其中，隔離變壓器用于隔離內(nèi)部的電子電路與外界的測量回路;所述輸出檔位切換單元用于切換不同的電壓電流輸出檔位。
[0013]其中，所述測量儀還包括電流輸出端子C1、C2;所述輸出檔位切換單元經(jīng)過電流互感器連接到電流輸出端子C1、C2;所述電流輸出端子C1、C2通過導(dǎo)線短接，導(dǎo)線穿過電流互感器感應(yīng)出電流信號，電流信號送入第二濾波單元。
[0014]其中，所述測量儀還包括電壓測量端子Pl、P2;電壓測量端子Pl、P2接到第一運放及量程切換單元，然后再連接到第一濾波單元，電壓信號由第一濾波單元送出，經(jīng)過第一模數(shù)AD采樣單元，送入MCU進行采樣分析。
[0015]其中，所述第一濾波單元和第二濾波單元均為PI型濾波電路;所述PI型濾波電路包括電感及電容；經(jīng)過濾波的電壓、電流信號分別經(jīng)第一和第二模數(shù)AD采樣單元后送入MCU，轉(zhuǎn)換成程序可識別的數(shù)字信號，所述MCU對數(shù)字信號進行傅立葉變換和小波分析。
[0016]本實用新型提出的變頻接地阻抗測量儀，采用變頻和選頻測量方法，可排除現(xiàn)場50Hz的干擾影響；同時儀器輸出數(shù)百mA或更大的電流測試，大大提高信噪比；可達到在強烈干擾下，準(zhǔn)確測量接地阻抗很小的地網(wǎng)的目的。
[0017]為達到以上目的，本實用新型采用異頻測量的方法，通過儀器輸出異頻大電流信號，采用強抗干擾的選頻測量技術(shù)，實現(xiàn)對接地網(wǎng)接地阻抗的準(zhǔn)確測量。
[0018]為解決上述問題，本實用新型采用如下技術(shù)方案:
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的變頻接地電阻測量儀具有如下優(yōu)點:(1)采用變頻測量技術(shù)，儀器輸出接近工頻30Hz?80H的異頻信號進行測量，保證了與工頻接地阻抗測量的等效性。之前同類儀器或者測得的或者是直流電阻，或者是高頻阻抗，與我們希望得到的工頻阻抗之間沒有等效性。(2)輸出電流大，比其他接地電阻測量儀幾毫安的測試電流大百倍以上。(3)抗干擾能力強，以往的接地電阻表基本不具備抗干擾能力，而本儀器能在上百倍的干擾下測量。(4)儀器內(nèi)置大功率鋰電池，適合野外無電源環(huán)境下的使用。(5)可數(shù)字化的進行軟件校準(zhǔn)，保證了各頻率和各量程下測量的準(zhǔn)確性。(6)電路架構(gòu)清晰，前端模擬電路較簡單。(7)系統(tǒng)核心部分為MCU和軟件算法。
[0020]本實用新型的變頻接地電阻測量儀在電氣測量領(lǐng)域，特別是在輸電桿、建筑物等強干擾環(huán)境下的接地阻抗參數(shù)測量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景和經(jīng)濟價值。
【附圖說明】
[0021]圖1是本實用新型的變頻接地阻抗測量儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0022]本實用新型的阻抗測量儀涉及兩個方面的技術(shù):變頻和選頻。變頻是需要將鋰電池輸出的直流電源逆變成正弦波變頻電源，選頻則是需要在現(xiàn)場各種復(fù)雜的干擾中將變頻后的微弱信號提取出來，并進行準(zhǔn)確測量。
[0023]下面結(jié)合附圖對本實用新型做詳細(xì)地說明。如圖1所示，本實用新型的變頻接地阻抗測量儀包括:電池、微控制單元MCU、數(shù)模DA輸出單元、功率放大單元、隔離變壓器、輸出檔位切換單元、電流互感器、第一運放及量程切換單元、第一濾波單元、第一模數(shù)AD采樣單元、第二運放及量程切換單元、第二濾波單元、第二模數(shù)AD采樣單元電壓測量端子P1、電壓測量端子P2、電流輸出端子Cl、電流輸出端子C2、用戶操作單元、數(shù)據(jù)存儲單元、顯示單元。所述DA輸出單元、功率放大單元、第一模數(shù)AD采樣單元、第二模數(shù)AD采樣單元分別與MCU直接連接。
[0024]電池給所述變頻接地阻抗測量儀供電，電池連接至功率放大單元，微控制單元MCU控制數(shù)模DA輸出單元，數(shù)模DA輸出單元輸出到功率放大單元，功率放大單元連接到隔離變壓器輸入，隔離變壓器輸出連接到輸出檔位切換單元，同時微控制單元MCU連接到輸出檔位切換單元切換不同的檔位。輸出檔位切換單元經(jīng)過電流互感器連接到電流輸出端子C1、C2。用戶操作單元、數(shù)據(jù)存儲單元、顯示單元分別直接連接至MCU。
[0025]隔離變壓器用于隔離內(nèi)部的電子電路與外界的測量回路，防止外部回路較強的工頻干擾損壞內(nèi)部電子元件及影響測量精度。
[0026]輸出檔位切換單元用于切換不同的電壓電流輸出檔位，使得儀器在各種負(fù)載下盡可能輸出最大的電流。
[0027]用戶操作單元用于操作界面菜單以選擇相應(yīng)的功能。
[0028]數(shù)據(jù)存儲單元用于存儲測試和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)。
[0029]顯示單元用于顯示操作界面和菜單。
[0030]電壓測量端子Pl、P2經(jīng)過第一運放及量程切換單元后，經(jīng)過第一濾波單元再經(jīng)過第一模數(shù)AD采樣單元連接到微控制單元MCU。
[0031]電流互感器連接至第二運放及量程切換單元，經(jīng)過第二濾波單元，再經(jīng)過第二模數(shù)AD采樣單元連接到微控制單元MCU。
[0032]本實用新型里變頻部分采用功率放大單元。所述電池給功率放大單元供電，然后通過數(shù)模DA輸出單元，生成異頻的正弦波信號，驅(qū)動功率放大單元進行功率放大，輸出大功率正弦波，在較小體積內(nèi)實現(xiàn)大功率的逆變。MCU根據(jù)外接負(fù)載大小，通過調(diào)節(jié)數(shù)模DA輸出單元輸出正弦波信號的大小來控制功率放大單元輸出的大小，從而使隔離變壓器輸出合適的測試電壓電流。所述數(shù)模DA輸出單元，可以集成在MCU中，也可以在MCU外部。
[0033]所述電池為內(nèi)置在儀器大功率的鋰電池，其容量大，能夠輸出大電流信號，保證了測試現(xiàn)場大功率測試信號的穩(wěn)定輸出和現(xiàn)場長時間測量的要求。儀器采用電池供電，工作時無需依賴外部交流電源。
[0034]電壓測量端子P1、P2接到第一運放及量程切換單元，然后再連接到第一濾波單元，電壓信號由第一濾波單元送出，經(jīng)過第一模數(shù)AD采樣單元，送入MCU進行采樣分析。
[0035]電流輸出端子C1、C2通過導(dǎo)線短接，導(dǎo)線穿過電流互感器感應(yīng)出電流信號，電流信號送入第二濾波單元。電流信號由第二濾波單元送出，經(jīng)過第二模數(shù)AD采樣單元，送入M⑶進行采樣分析。
[0036]第一濾波單元和第二濾波單元均為PI型濾波電路，S卩型濾波電路。所述PI型濾波電路包括電感及電容，可以將部分高頻信號濾除。電壓、電流信號分兩路分別經(jīng)第一和第二模數(shù)AD采樣單元后送入MCU，轉(zhuǎn)換成程序可識別的數(shù)字信號。MCU對數(shù)字信號進行傅立葉變換和小波變換分析，從復(fù)雜的波形中分離出所需要測量的微弱頻率正弦波信號。MCU通過軟件可同時分離出指定頻率下的電壓、電流信號并計算出兩者間的相位差。MCU可同時控制存儲、顯示、菜單操作等功能。MCU可選常用的TI公司DSP型號如TMS320F2812，也可以是其它通用處理器，如ARM架構(gòu)處理器。
[0037]選頻目的是在各種復(fù)雜的干擾情況下，分離出微弱的變頻信號并進行測量輸出結(jié)果。往往是干擾信號比有用的變頻信號幅值強數(shù)倍至數(shù)十倍，有用的變頻信號被“淹沒”在各種干擾信號里。所測的信號里包括了工頻干擾、高頻干擾、諧波干擾，再疊加上變頻信號，波形已變得雜亂無章復(fù)雜多變無明確規(guī)律，要在這樣雜亂復(fù)雜的波形里還原提取出有用的微弱信號還要準(zhǔn)確測量，難度很大。而且測試頻率和干擾頻率越近，選頻的難度就越大。顯然，選頻技術(shù)直接關(guān)系著成套變頻測量系統(tǒng)結(jié)果的準(zhǔn)確性，是成套系統(tǒng)能否達到排除干擾準(zhǔn)確測量這個最終目的的關(guān)鍵技術(shù)，是成套系統(tǒng)的技術(shù)瓶頸。以往異頻接地電阻測試儀選頻電路的核心均基于硬件濾波電路，硬件濾波電路具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，響應(yīng)快速等優(yōu)點，但也存在著干擾抑制能力較弱，誤差較大等問題。本實用新型采用基于波形軟件頻譜分析的方法，核心選頻濾波系統(tǒng)采用軟硬件(MCU+濾波單元)結(jié)合的方法，大大提高了抗干擾能力，可滿足在很強的干擾下測量微弱的信號。
[0038]本實用新型的充電式變頻接地阻抗測量儀輸出30Hz?80Hz的非工頻電壓電流，波形為正弦波;最大輸出電流達到50mA以上。
[0039]本實用新型的充電式變頻接地阻抗測量儀內(nèi)部通過數(shù)模DA數(shù)模轉(zhuǎn)換，生成正弦波驅(qū)動信號，該驅(qū)動信號經(jīng)過功率放大單元放大后，經(jīng)過隔離變壓器隔離后輸出正弦波信號。
[0040]本實用新型的充電式變頻接地阻抗測量儀，采用了選頻濾波抗干擾軟硬件技術(shù)，可以抵抗現(xiàn)場50Hz干擾對測量精度的影響。
[0041]本實用新型的變頻接地阻抗測量儀，可在十分接近工頻的頻率進行測量，從而可得到最接近工頻的特性參數(shù)。系統(tǒng)基于高性能MCU和軟件濾波算法，而非單純依賴硬件濾波電路。測量系統(tǒng)可抗100倍干擾而數(shù)據(jù)不漂移，在40V，50Hz干擾下選頻53Hz測量可將干擾抑制到0.1mV以下，并且可同時選頻測量電壓電流信號及兩者相位差，自動計算出接地阻抗值得電阻分量和電抗分量。
[0042]最后應(yīng)說明的是:顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。而由此所引申出的顯而易見的變化或變動仍處于本實用新型的保護范圍之中。
【主權(quán)項】
1.一種變頻接地阻抗測量儀，其特征在于，所述測量儀包括:微控制單元MCU、數(shù)模DA輸出單元、功率放大單元、隔離變壓器、輸出檔位切換單元、電流互感器、第一運放及量程切換單元、第一濾波單元、第一模數(shù)AD采樣單元、第二運放及量程切換單元、第二濾波單元、第二模數(shù)AD采樣單元； 所述數(shù)模DA輸出單元、功率放大單元、第一模數(shù)AD采樣單元、第二模數(shù)AD采樣單元分別與MCU直接連接； 所述數(shù)模DA輸出單元連接到功率放大單元，功率放大單元連接到隔離變壓器輸入，隔離變壓器輸出連接到輸出檔位切換單元，同時微控制單元MCU連接到輸出檔位切換單元切換不同的檔位； 第一運放及量程切換單元連接至第一濾波單元，再經(jīng)過第一模數(shù)AD采樣單元連接到微控制單元MCU; 電流互感器連接至第二運放及量程切換單元，經(jīng)過第二濾波單元，再經(jīng)過第二模數(shù)AD采樣單元連接到微控制單元MCU。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量儀，其特征在于: 所述測量儀還包括電池； 電池給功率放大單元供電，然后通過數(shù)模DA輸出單元，生成異頻的正弦波信號，驅(qū)動功率放大單元進行功率放大，輸出大功率正弦波。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量儀，其特征在于: MCU根據(jù)外接負(fù)載大小，通過調(diào)節(jié)數(shù)模DA輸出單元輸出正弦波信號的大小來控制功率放大單元輸出功率的大小，從而使隔離變壓器輸出合適的測試電壓電流。4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的測量儀，其特征在于: 隔離變壓器用于隔離內(nèi)部的電子電路與外界的測量回路； 所述輸出檔位切換單元用于切換不同的電壓電流輸出檔位。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量儀，其特征在于: 所述測量儀還包括電流輸出端子Cl、C2 ； 所述輸出檔位切換單元經(jīng)過電流互感器連接到電流輸出端子C1、C2; 所述電流輸出端子C1、C2通過導(dǎo)線短接，導(dǎo)線穿過電流互感器感應(yīng)出電流信號，電流信號送入第二濾波單元。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量儀，其特征在于: 所述測量儀還包括電壓測量端子Pl、P2 ； 電壓測量端子Pl、P2接到第一運放及量程切換單元，然后再連接到第一濾波單元，電壓信號由第一濾波單元送出，經(jīng)過第一模數(shù)AD采樣單元，送入MCU進行采樣分析。7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的測量儀，其特征在于: 所述第一濾波單元和第二濾波單元均為PI型濾波電路;所述PI型濾波電路包括電感及電容； 經(jīng)過濾波的電壓、電流信號分別經(jīng)第一和第二模數(shù)AD采樣單元后送入MCU，轉(zhuǎn)換成程序可識別的數(shù)字信號，所述MCU對數(shù)字信號進行傅立葉變換和小波分析。
【文檔編號】G01R27/20GK205539204SQ201620302755
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月11日
【發(fā)明人】劉靜, 邵建康, 張名祥, 程登峰, 夏令志, 鄭世玲, 陳忠
【申請人】國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院, 上海大帆電氣設(shè)備有限公司