基于钳表法的杆塔接地电阻测量系统设计_邓夙.pdf

wwwele169com|19电子电路设计与方案0 引言现有杆塔接地电阻的测量方法主要有电位降法、三极法、高频并联法、异频法、大电流法和钳表法。电位降法1测量接地电阻需反复测量，工作量大，现场操作困难；三极法2测量必须断开接地引线，不能反应雷击时的杆塔实际接地电阻值，又实际中杆塔数量众多，断开接地引线测量大大增加了工作人员劳动强度，效率低下；高频并联法3没有综合考虑现场土壤性质、测量电流频率等因素对接地体电感效应所造成的测量结果影响，不能很好地适应现场情况；异频法是在三极法基础上注入非工频的信号实现接地电阻的测量，能有效消除工频干扰的影响，但是异频法仍属于离线测量方法，并且注入信号频率不能偏离工频 10 kHz 以上，否则将增大测量误差；大电流法在测量时需要向接地体中注入几十安培的电流，因而需要具有一定长度以及一定宽度的实验电流引线和相当容量的实验电流源，在实际测量中实现起来比较困难。钳表法4的最大特点是不必完全断开接地引线，只要钳住接地引线就能测出接地电阻值，具有快速测量、操作简单等优点。总体来说，目前接地电阻测量方法均存在各自的不足，主要表现为：需要断开接地引线、限制条件多、误差较大、需要专人到现场测量等。为此，本文研制了一种基于钳表法杆塔接地电阻测量系统。该系统应用于多杆塔的接地电阻测量，系统安装完后，通过显示 LCD 读取接地电阻值，同时也可以通过手机 APP 连接设备，在手机 APP 上读取测量的接地电阻值。具有极大的便捷性。1 系统架构设计如图 1 所示为杆塔接地电阻测量实际电路模型，其中Rx 为被测杆塔接地电阻；R1Rn 为其它杆塔接地电阻，运用钳表法测量接地电阻 Rx 的测量公式5-6如公式(1)所示。121111.loopxnRRRRR=+(1)由公式(1)可以知道，测量的电阻值loopR为实际的待测电阻xR与其他杆塔的接地电阻并联值。当杆塔数量较多时，多个杆塔的接地电阻的并联值远小于待测电阻xR，在一定误差要求下，可以认为测量的电阻loopR为杆塔的接地电阻xR。图 1 杆塔接地电阻测量原理示意图如图 2 所示为本系统的硬件电路结构示意图。在待测电阻 Rx 组成的环路中，电压互感器线圈在环路中感应出电动势，该电动势在测量环路中产生感应电流，该电流被电流互感器线圈测量。因此根据感应电压与测量的感应电流，就可以计算出待测电阻 Rx。电压互感器的激励信号由 MCU产生一个一定频率的正弦信号，该正弦信号经过功率放大后驱动电压互感器线圈。电流检测电路主要由信号放大电路和整流滤波电路构成。经过 MCU 计算后的测量电阻值可以在OLED 显示屏上显示，另外，还可以在手机 APP 上通过蓝牙通信读取测量的接地电阻值。MCU功率放大电流检测电压互感器线圈电流互感器线圈Rx蓝牙OLED屏手机APP图 2 杆塔接地电阻测量硬件电路结构图2 硬件电路设计本系统最关键的硬件电路主要有正弦信号功率放大电路、电流检测与放大电路、整流滤波电路。这几部分的电基于钳表法的杆塔接地电阻测量系统设计邓夙，方定展，田相鹏，廖红华（湖北民族大学 智能科学与工程学院，湖北恩施，445000）基金项目：恩施州科技计划研究与开发项目（D20190002）。摘要：针对现有的电力输电线路杆塔接地电阻测量的复杂性和不便性，设计了一种基于钳表法的杆塔接地电阻测量系统。系统包含电压互感器及驱动电路、电流互感器及检测电路、蓝牙电路和显示电路。将本设备安装在接地扁铁上，可通过OLED显示屏读取接地电阻值，同时也可以通过手机APP连接设备，在手机APP上读取测量的接地电阻值。实验结果表明，本系统测量精度较高，在50欧姆以下误差率小于3%。具有极高的应用价值。关键词：钳表法；接地电阻测量；蓝牙通信；杆塔接地电阻DOI:10.16589/11-3571/tn.2023.01.02120|电子制作 2023 年 1 月电子电路设计与方案路为测量接地电阻的关键电路。2.1 电压互感器及驱动电路如图 3 所示为电压互感器驱动电路。单片机输出的带直流偏置的正弦信号从端口 DAC_OUT0 输入，电阻 R4 和电容 C1 构成高通滤波器，滤除直流偏置电压后得到双极性的正弦信号。该正弦信号经过由电阻 R3、R9 和运放构成的同相放大器，进行放大后输出到射极跟随器 UA1B，最后信号输出到电压互感器端口 J3。2.2 电流互感器及检测电路如图 4 所示为电流检测初级放大滤波电路。电流互感器的检测端口由 J1 输入，在电阻 R55 上产生压降，将电流互感器的电流信号转换为电压信号，该电压信号经过由电阻R2、电阻 R7 和运放 UB1A 构成的同相放大器放大后，再输入到由运放 UB1B 构成的低通滤波器中，低通滤波电路采用二阶 RC 有源低通滤波电路，截止频率设定为 79kHz。如图 5 所示为电流检测中间级放大电路。电流信号经过初级放大和滤波后输入到电阻 R20 的端口，进行信号的中间级放大，该放大电路由电阻 R19、电阻 R21 和运放 UC1A 构成的同相放大电路，放大电路的输出级电路为射极跟随器。信号经过中间级放大电路后，输入到整流滤波电路中，该电路将接收到的电流交流信号转换为直流电压信号。如图 6 所示为整流滤波电路，该电路为由两个运放组成的同相精密整流电路，整流后输出信号为运放UD1B 的端口 7，最后由电阻 R41、电容 C31 和电容 C33 构成的 RC 低通滤波器，将整流后的脉动直流信号变化为直流信号。单片机通过检测该直流信号就可以转换为电流值。3 软件设计软件设计分为两部分，一个是下位机软件设计，用于产生正弦激励信号、计算接地电阻值和蓝牙通信；另一个是手机 APP 软件设计，实现读取下位机测量的接地电阻值。图 5 电流检测中间级放大电路 3.1 下位机软件设计下位机的处理器选择 GD32F303CGT6，该芯片自带DAC、ADC 和 FPU，非常适合本系统的设计。软件方面，运行开源的FreeRTOS操作系统7，在主程序注册五个任务，一个任务用来产生正弦激励信号；一个任务用来采集电流信号；一个任务并对信号进行数据处理；一个任务用来进行数据显示；一个任务用于信号通信。整个下位机软件流程如图 7 所示。系统上电后会进入空闲模式，在该模式下，正弦激励信号产生和信号滤波与计算处于停止状态，单片图 3 电压互感器驱动电路图 4 电流检测初级放大滤波电路图 6 整流滤波电路wwwele169com|21电子电路设计与方案机会接收测量命令，该命令可以由与单片机相连的按键触发，也可以由手机 APP 通过蓝牙给单片机发送命令。当单片机接收到测试命令后，系统产生正弦激励电压，ADC 采样得到电流信号，并通过算法模块进行接地电阻参数计算，计算完后将计算结果显示到 OLED 屏和手机 APP 上。开始开始系统初始化系统初始化激励信号产生激励信号产生信号采集信号采集信号处理信号处理数据显示数据显示蓝牙通信蓝牙通信命令处理命令处理 图 7 下位机软件流程图 3.2 APP 代码设计本系统采用 Android Studio 进行手机 APP 软件设计开发，主要在activity_main.xml中编写手机APP的布局界面，在设计时采用了其中的 RelativeLayout 的布局方式，在多控件编辑的时候可以通过可视化界面清晰的看得到空间位置。在交互页面可以调整控件的颜色背景等。对需要监听事件的控件需要设置控件的 id，这样在控制程序中可以通过这个 id 找到这个控件并监听它。同时，在控制程序部分也可以通过这个 id 修改这个控件的状态。在本设计中，需要用的控件主要有按键控件来搜索蓝牙；文本显示控件来显示被测电阻的阻值、显示设备运行状态等。4 测试结果如图 8 所示为测试实物图，实际测试为用一个环路电路代替接地电阻。电压互感器和电流互感器采用相同尺寸的磁芯，其中电压互感器绕线 90 圈，电流互感器绕线 270 圈。图 8 系统实物图如表 1 所示为为随机测量 20 以下的环路电阻，电阻实际值为用 RLC 电桥测量的值，型号为 TH2830，测量值为采用本系统测量的结果，可以看到，测量精度较高，误差率基本上在 3%以内，满足测量要求。表1 实际测量参数对比表实际阻值（）测量阻值（）误差（）误差率（%）0.050.05003.083.130.061.944.084.140.061.475.115.120.010.26.126.150.030.57.147.330.192.710.089.930.151.512.8813.120.241.914.9215.120.201.3419.9320.550.623.11根据上面测试的结果可知，当测量的接地电阻的阻值越大，其测量误差也会变得更大，这是因为所测的接地电阻的阻值越大那么在电流互感器回路的感应电流会越小，但是最大没有超过 1。并且其误差率相对比较稳定，总体而言符合整体的测试要求。5 结语为了杆塔接地电阻测量的便捷性，本文设计了一种采用钳表法测量接地电阻的系统。可以直接读取接地电阻值，而且通过手机APP可以直接触发接地电阻的测量与结果读取。结果表明，本系统测量精度较高，在 50 以下误差率小于3%，具有极高的应用价值。参考文献 1 常美生,袁改蓬.大型地网接地电阻测量的新方法 J.高电压技术,1995(02):68-70.2 李汝彪，邱毓昌用附加串联电阻法消除接地电阻测量中的互感的影响 J.中国电力,1994(4)：6466.3 王文广.用 6 电极法测量接地电阻的探讨 J.高电压技术，2002(9):1416.4 林杰欢.三极法和钳表法测量输电线路杆塔接地电阻分析 J.机电信息,2016(30):1-2.5 战凯.基于 Web 的接地电阻在线测量系统设计 D.大连理工大学,2020.6 拓行.基于 DSP 的接地电阻仪的研究与实现 D.西安科技大学,2012.7 夏鑫,张果,王剑平,杨晓洪.实时操作系统 FreeRTOS 移植的实验研究 J.化工自动化及仪表,2016,43(07):720-724+767.通信作者:廖红华。