电力系统冲击接地电阻测量装置

列 求解上述卷积即得到u2<7>序列
这样通过产生波头 较 缓 的 冲 击 电 流il<7>及 其
响应电压ul<7>,经过变 换 计 算,就 得 到 在 波 头 很 陡
的标准雷电流i2<7>作用下,地网的响应电 压u2<7>
u2<7>的最大值与i2<7>的最大值相比即为冲击 接 地 电阻 Rch
2 装置硬件设计
接地电阻的测量装置有摇表 单钳口接地电阻 测量仪 双钳口接地电阻在线测量仪 3 以及高精度 接地电阻测量仪 4 而对于冲击电阻的测量 由于 要产生波头很陡 幅值很大的雷电流波形需要极高 的电压 在工程应用中很难实现 所以目前国内还没 有很好的测量装置
本文设计了一个冲击接地电阻测量装置 利用 波头较缓 幅值较小的入射电流 通过变换计算的方 法求出接地装置在波头较陡 幅值较大的雷电流波 形作用下的电压响应 进一步求出冲击接地电阻 从 而解决了冲击电阻测量需要产生极高电压的难题 装置模拟测试以及现场实测均表明该方案可行 具 有较高的工程实用价值
95
除主程序外9软 件 子 模 块 主 要 由 测 量 和 计 算 子 程序\数据预处理 子 程 序\串 行 口 中 断 服 务 子 程 序\ 通信服务子程序以及自动量程转换子程序组成o主 程 序 及 测 量 和 计 算 子 程 序 流 程 图 分 别 见 图 2\图 3o
3)最 大 限 度 地 简 化 \优 化 系 统 结 构 :以 最 简 洁 的 方 案 完 成 设 计 任 务 9尽 量 提 高 系 统 集 成 度 9减 少 系 统 中 的 元 器 件 数 量 9减 小 系 统 面 积 和 体 积 9例 如 采 用 内 含采样\保持\参考电压的 A/D 器件 AD9225等o
进行离散 将式<5>离散化得到如下形式~
7
I T u2[<7-a>T]il<aT>I aIl 7 I T ul<T>i2[<7- >T] Il
式中~T 为采样时间间隔 整理上式,并 设 T 为 时 间 单 位,得 到 离 散 时 间
域的卷积式为~
u2<7> il<7>Iul<7> i2<7>
<6>
式中~il<7>,ul<7>和i2<7>均 为 时 域 中 的 采 样 值 序
测量原理
在进行冲击接地电阻测量时 由于冲击电流的
收 稿 日 期 ~2004-l2-309修 回 日 期 ~2005-05-l2O
陡度很大 频率很高 一般要考虑接地装置的电感和
电容对冲击接地电阻的影响 因此可以将接地装置
等效为一个由电阻 电感 对地电容和电导组成的分
布参数网络 不考虑土壤的火花放电 接地装置可
以等效为一个线性非时变系统 这时求得的冲击接
地电阻将偏于安全侧 由于接地装置本身的电感呈
现较大的阻碍雷电流流通的作用 且火花放电主要
集中在电流入射点附近 火花放电的范围相对于整
个伸长接地体和地网而言很小 因此 火花放电对
于冲击接地电阻的影响有限 可以不考虑其影响
线性非时变系统是指具有叠加性 齐次性且系
1
1 L-l[U2<S>Il<S>]I u2<C>il<1-C>dC 0
1
1 同理~L-l[Ul<S>I2<S>]I ul<C>i2<1-C>dC 0
故有下式成立~
1
1
1 1 u2<C>il<1-C>dCI ul<C>i2<1-C>dC <5>
0
0
式<5>为连续时间域的卷积 根据卷积的定义,
当采样时间间隔足 够 小 时,连 续 时 间 域 的 卷 积 可 以
关 键 词 #冲 击 接 地 电 阻 9测 量 9变 换
中 图 分 类 号 #TM934.l5
引言
电力系统的接地间题是一个直接关系到人身和 设备安全的重要间题 随着电力系统的发展 电网 规模不断扩大 接地短路电流越来越大 对于接地装 置的要求也越来越高 对接地装置的要求不仅对工 频接地电阻 而且对冲击接地电阻 热稳定 设备接 触电压 跨步电压 地电位干扰也有一系列要求 l 冲击接地电阻是指防雷接地体在雷电流 或冲击电 流 流过时的电阻 2
O
1 1 u2<C>e-SCdC il<1-C>e-S<1-C>d1I
0
C
O
O
1 1 u2<C>dC il<1-C>e-S1d1
0
C
当1-C<0时,il<1-C>=0,所以上式第2 个积 分 号
的 下 限 可 以 改 为 0,则 上 式 变 为 ~
O
O
1 1 u2<C>dC il<1-C>e-S1d1I
4)可靠的供电\电源管理和硬件 看门狗 :例如 采用 MAX8l3L 电源监视管理芯片o
5)设计语言采用 C5l9便于系统调试和维护o
5 模拟测试
5. 模拟测试电路 模拟测试电路如图4所示o
图2 主程序流程 Fig.2 Flowchartofmainprogram
图3 测量和计算流程 Fig.3 Flowchartofmeasurementandcalculation
统参数不随时间变化的系统 它具有微分特性并满
足因果性 对于线性非时变系统 零状态下的响应
象函数RS 与激励象函数ES 之比定义为系统函 数 也叫网络函数 H S 即
HS
I
R E
S S
l
式中 ES R S 分别为其时域原函数的拉普拉斯
变换
当ES 与RS 由系统的同一端口取得时 系 统函数具有输入阻抗或输入导纳的意义 即
按图4接线9分别改变图中模拟接地体 Rd 和 L 的大小9测 得 的 几 组 结 果 列 于 表 lo 从 模 拟 测 试 结 果 来 看 9测 量 结 果 较 稳 定 9与 理 论 值 较 为 接 近 o
选择烙桃 ll0kV 干 线 杆 塔 进 行 实 地 测 试9该 干线有架空避 雷 线 连 接o 分 别 用 摇 表 CZC-8 型)和 该装置测量o测量方法为补 偿法C0.6l8 法)和 三 角 法o补偿 法 测 量 时9电 流 极-接 地 极 线 长 80 m9电 压极-接地极线 长 50 m;三 角 法 测 量 时9引 线 各 长
HS
I
US IS
或HS
I
IS US
2
对于线性非时变系统 在频域中其系统函数是
惟一的 不随激励信号特性的改变而改变 系统函
数作为输入阻抗时 有下式成立
Ul S Il S
I
U2 I2
S S
3
式中 Il S 和I2 S 分 别 为 系 统 激 励 的 拉 普 拉 斯 变
94
2005,29<l6>
换 ;Ul<S>和 U2<S>为 相 应 激 励 下 的 响 应 整理上式得到~
第 29 卷 第 l6 期 2005 年 8 月 25 日
Vol.29 No.l6
Aug.25 2005
93
电力系统冲击接地电阻测量装置
潘 晓 杰 !刘 涤 尘 !张 云 建
武汉大学电气工程学院 湖北省武汉市 430072
摘要#电力系统冲击接地电阻的测量是关系到电力系统稳定运行和电气设 备安全 的重要 问题O文 中 介 绍 了 一 种 基 于 变 换 计 算 方 法 的 冲 击 电 阻 测 量 装 置 9其 测 量 原 理 是 利 用 波 头 较 缓 \幅 值 较 小 的 入 射电流9通过变换计算的方法求 出 接 地 装 置 在 波 头 较 陡\幅 值 较 大 的 雷 电 流 波 形 作 用 下 的 电 压 响 应9从而进一步求出冲击接地电阻O依 照 上 述 测 量 原 理 并 考 虑 实 际 条 件9文 中 选 择 了 以 AT89C5l 单片机为控制器\以门电路和高速 A D 转换器构咸自动 数据采集子系 统\以高 级语 言 C5l 作 为 编 程软件的方案O并且给出了装置的模拟测试结果 和一 组 现 场 测 试 结 果O 该 装 置 具 有 体 积 小\重 量 轻\工作时间长\测量思想新颖\稳定可靠等优点9同时 具有 波 形 存 储 和 通 信 功 能9完 全 满 足 野 外 杆 塔冲击接地电阻测量的要求O
按照 上 述 变 换 测 量 原 理,所 加 信 号 源 的 幅 值 和 陡度可以远小于实际的标准雷电波的幅值和陡度 但由于实际的接地体并非完全的线性时不变系统, 所以在条件许可的 情 况 下,所 加 信 号 源 的 陡 度 应 尽 可能大,以逼近接地 体 在 标 准 雷 电 波 作 用 下 的 频 率 特性;而作为便携 式 仪 器,信 号 源 的 幅 值 不 宜 过 高, 只要满足测量的信噪比要求即可
试 验 时 9经 过 调 波 的 冲 击 电 流 波 自 电 流 极 注 入 \ 接地极输出;从分流 器 和 分 压 器 出 来 的 小 信 号 送 入 数据采集子系统进 行 采 集9再 经 数 据 处 理 得 到 最 终 结果9采集的数据根据需要可 以通过仪器的 RS-232 口 传 到 上 位 机 存 为 文 件 9以 供 进 一 步 处 理 o 5.2 模拟测试结果
3 软件设计
软件 设 计 采 用 C5l 作 为 设 计 语 言 采 用 Keil C5lV6.02 编 译 器,可 分 别 针 对 速 度 或 代 码 进 行 优 化,优化级为9级,编 译 效 率 接 近 汇 编,源 代 码 模 块 化 ,易 读 易 维 护
$ 新技术新产品$ 潘晓杰9等 电力系统冲击接地电阻测量装置
图4 模拟试验接线 Fig.4 Circuitdiagramofsimulationtest
分压 器 和 分 流 器 的 杂 散 电 感 要 求 足 够 小9最 好 使用无感电阻器9否 则 会 造 成 信 号 波 形 前 沿 的 过 冲 或毛刺o在试验冲击信号幅值和陡度不是很大的情 况下9也可使用金属 膜 电 阻 器 和 低 剩 感 电 容 器 如 聚 苯电容器\陶瓷电容 器 或 独 石 电 容 器 设 计 分 压 器 和 分流器o分压器和分流器的好坏是数据采集系统可 靠 性 的 关 键 9必 须 仔 细 设 计 和 调 试 o
U2<S>Il<S>I Ul<S>I2<S>
<4>
两边同时进行反拉普拉斯变换得到时域卷积方
程 以等号左边为例~
O
O
1 1 U2<S>Il<S>I u2<C>e-SCdC il<I>e-SIdI
0ຫໍສະໝຸດ Baidu
0
设II1-C,则1II+C,I=0 时1IC,II O 时1I
O ;dI=d1;则 上 式 变 为 ~
O
整个系统主要由主控 MCU 板 数据采集 SAM 板 冲击电流发生器 电池电源单元4部分组成 各 单元按功能划分,以方便设计 调试和分析 作为系 统的核心部分,MCU 的原理图如图l所示
图 l 主控 MCU 板原理 Fig.l Schematicdiagramofmaincontrolunit
系统 MCU 收 到 测 量 指 令 后,根 据 充 电 电 压 默 认值或设定值,控制 斩 波 升 压 器 对 冲 击 电 流 发 生 器 主电容充电;随后触 发 冲 击 电 流 发 生 器 产 生 入 射 电 流 ,注 入 接 地 装 置 ;分 流 器 和 分 压 器 将 电 流 信 号 及 其 响 应 电 压 信 号 按 一 定 比 例 缩 小 ,输 入 数 据 采 集 板 ;再 经信号预处 理 A>D 转 换 后 存 于 原 始 数 据 区;最 后 MCU 对原始数据进 行 标 度 变 换 剔 除 异 常 数 据 数 据平滑 滤波 卷积 计 算 等,求 出 接 地 体 在 标 准 雷 电 流作用下的响应电 压,分 别 找 出 雷 电 流 及 其 响 应 电 压 的 最 大 值 ,将 二 者 相 比 ,得 到 接 地 装 置 在 标 准 雷 电 波作 用 下 的 冲 击 接 地 电 阻;计 算 结 果 送 LCD 显 示, 若超出量程范围,则 自 动 选 择 最 佳 量 程 为 下 次 测 量 做 准 备 ,并 设 置 异 常 处 理
4 可靠性设计
该装置采用以下措施来抗干扰并提高系统的可 靠性:
l)选择数字系 统:充 分 利 用 数 字 系 统 的 高 噪 声 容限和易处理的特点o
2)时钟宜低不 宜 高:在 满 足 性 能 指 标 要 求 的 前 提 下 9系 统 时 钟 频 率 尽 量 低 o 时 钟 频 率 越 高 9功 耗 越 大9辐 射 干 扰 也 越 严 重o 同 时9时 钟 最 好 能 够 关 断9 以进一步 降 低 功 耗 和 干 扰o 该 系 统 采 用 双 时 钟 方 案 9避 免 了 高 速 时 钟 信 号 远 距 离 传 输 和 失 真 o
0
0
OO
11u2<C>il<1-C>dCe-S1d1I 00
1[ ] O
L u2<C>il<1-C>dC 0
所以~
O
1 L-l[U2<S>Il<S>]I u2<C>il<1-C>dC 0
因 为1-C<0 时 ,有il<1-C>=0,所 以 上 式 等 号 右 边
1
1 变为 u2<C>il<1-C>dC 即 0