大电流冲击接地阻抗测试仪的研制

王　娟

(新疆哈密地区防雷安全检测中心, 新疆 哈密 839000)



大电流冲击接地阻抗测试仪的研制

王娟

(新疆哈密地区防雷安全检测中心, 新疆 哈密 839000)

摘要：研制一种大电流冲击接地阻抗测试仪，其输出的脉冲电流幅值可达1kA，能真实模拟雷击电流。脉冲电流注入被测体，通过采集激励电流及响应电压进行频谱分析, 采用频域计算法，得到冲击阻抗值及其电阻和感性分量。测试仪集成了软件及硬件，实现智能测量、数据分析、计算、显示及远程传输等功能。通过装置的模拟测试结果和一组现场试验结果的比较，验证了装置的可靠性。

关键词:大电流；冲击接地阻抗；频域计算；系统集成

0引言

电力系统接地阻抗分为冲击阻抗和工频阻抗，冲击阻抗衡量的是在瞬间冲击大电流(如冲击电流)作用下，接地装置呈现的阻抗。冲击电流具有时间短、幅值大和等值频率高等特点。对冲击接地阻抗的测试方法，国内外相关行业领域主要有以下几种方式[1]：(1)在实验室内按比例搭建一个等效的接地装置，然后通过模拟冲击电电流冲击测试冲击接地阻抗[2]。这种方法一般只适合于结构比较简单的集中接地体的模拟实验，并且实验电流要求很大，所需测试设备庞大，不便于现场的实测使用。(2)建立接地装置数学模型，通过解偏微分方程计算出冲击接地阻抗[3]。这种方法的缺点是建立数学物理模型困难，求解过程复杂繁琐，而且不同的接地装置对应不同的数学物理模型，有效性差，结果无法验证。(3)将传统的工频接地阻抗值乘上冲击系数，换算得出冲击接地阻抗值[4]。由于工频接地阻抗与冲击接地阻抗分别是接地装置在不同特征电流下所表现出的接地特性，受土壤状况与气候等多重因素的影响，二者之间关系复杂多变，采用冲击系数换算的方式通用性差与准确性低。(4)通过智能测试仪器产生小电流进行测试，根据经验公式进行估算[5]。此方法准确性低，仅适合于估算。根据GB/T17949.1-2000定义的冲击电流标准，模拟冲击电流的电流峰值需要为1-100kA，该文研制的1kA大电流冲击接地阻抗测试仪能满足实际工程的需要，有较大的实用价值。

1接地装置冲击阻抗测试仪设计

接地装置冲击阻抗测试仪结构如图1所示，冲击电流发生器产生1～10kA的冲击电流，注入接地装置,控制回路将测量得到的电流和电压信号经过数据采集后,进行算法处理,最终将波形和计算结果通过屏幕显示出来。

图1　冲击阻抗测试仪结构框图

1.1算法设计

根据冲击阻抗的定义，在一定频域内，所有频率下电压与电流之比的均值为此频域下的冲击阻抗值。根据傅里叶理论可知，冲击电流的频谱宽度是无穷大的，实际计算仅能取得有限频率点计算，计算过程不可避免会产生频谱泄漏，从而会导致计算误差。为了提高接地阻抗的计算精度，尽可能多地选取多个频率点进行计算[6-10]。本文设计的算法如下：

① ARM读入经A/D转换后得到的电压和电流及其响应电压信号均是有限长时域离散序列,采集的数据点由ADC采样频率决定，n=fT，其中f为采样频率，T为采样周期；

②FFT，采用快速傅里叶变换FFT对两序列进行N(N-2k,k∈Z)点变换；

③ 每一个计算周期内的不同频率的接地阻抗可表示为:

(1)

设电流信号的角频率为ω时,阻抗值为Z1;角频率为kω(k∈Z)的电流信号作用时,阻抗值为Z2。Z1和Z2可分别表示为:

Z1=|R+jωL|；Z2=|R+jkωL|

(2)

式中，R、L分别为接地装置电阻分量和电感分量。于是有:

Z12=R2+ω2L；Z22=R2+k2ω2L

(3)

由式(2)和式(3)即可得:

(4)

④总的计算周期内平均电阻和电感为：

(5)

1.2软硬件实现

上述算法的实现可以通过测量设备内嵌的ARM来实现，数据采集及主控制板的核心采用32位嵌入式微控制器ElanSC520,其内置工作频率为100/133MHz的Am5X86 CPU,并带有高速缓存、PC/AT兼容外围设备、动态随机存取存储器(SDRAM)控制器、外围设备互连总线接口(PCI)和一般用途总线接口等,并支持在线仿真(ICE)及系统级调试。模/数转换器采用德州仪器的流水线型ADC-ADS805E,其拥有20 MHz的采样频率和12位的采样精度,足够保证数据采样的准确性。测试过程为：当完成工作参数的设置,对系统发出测量指令后,MCU便根据充电电压默认值或设定值,控制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;MCU向CPLD发送控制命令,启动测量,在CPLD控制下对外部的模拟量输入信号进行信号调理及A/D转换,将采集到的数据存储在SRAM中;当采样结束后,CPLD对MCU产生一个中断信号,MCU响应中断,取出SRAM中的数据,进行数字信号处理与目标量计算,并将波形和计算结果显示在液晶屏上。系统对输入的两路模拟信号进行同步采样,这使得采集到的数据不仅含有模拟信号的幅度特性,同时还保持不同模拟信号之间的相位差异;采样频率可以预置,以适应不同速率的采样要求。

2冲击电流发生器硬件实现

冲击电流发生器电路如图2所示，数组大容量的电容器充电后，通过大电流电子开关放电产生冲击大电流。考虑便携需要，电容充电回路可采用容量为24Ah/24V锂电池经过逆变、升压、整流实现对2kV、10uF高压脉冲电容充电。在放电过程中，通过控制可控硅放电，另加调波电感，可产生标准的冲击电流 (双指数波)。本文选择的器件参数为：晶闸管选用优科玛KP1000A/3500V；大功率三极管选用2N3055，NPN型，ICM15A，VCEO100V；整流二极管选用1A2G高频大电流二极管，电源电压30～45V；变压器选择铁氧体环形磁芯；初次级匝数分别为220匝、33匝，输出触发电流可达100mA。

图2　冲击电电流产生电路

图3放电电流波形

当开关K1闭合、K2断开，电源U通过K1向电容C充电；开关K1断开、K2闭合，电容向接地装置放电同时向电感充电，此阶段为电流上升阶段，二极管处于截止状态；电流上升到最大值时电容放电结束，续流二极管D1正偏导通，此时电感中储存的磁能经二极管D1继续向接地装置供应，此阶段为电流下降阶段。产生的电流波形如图3所示。增大储能电容量是增大电流的有效途径之一，由于目前单个电容器的容量有限，尤其是高耐压的脉冲电容器容量一般较小，因此实际工程上大多采用多个电容器并联的方式获取大容量的电容。电路中调波电感的作用很重要，电感量越小电流上升时间越短，上升沿越陡；反之电流上升时间越长，上升越缓慢。电感的大小同样也影响电流的下降时间，电感越小下降时间越快，下降沿越陡；反之下降时间越长，下降沿越缓。综合可知调波电感越大，脉冲电流的脉宽越大；电感越小，脉宽越短。因此要设计脉宽较小、上升沿和下降沿陡峭的电流波形，选择的电感量可以小一些，反之则可以大一些。图3为设计的冲击电流发生器产生的电流波形，其波头/波长为1.2/50us、10/1000us脉宽可调，电流峰值为1～100kA间可调，符合GB/T17949.1-2000定义的冲击电流标准，依据本文内容研制的SD1kA冲击阻抗测试仪如图4所示，主要技术指标为：冲击电压1000V至10000V可调；冲击电流100A～1000A；冲击电压波形1us～5us(T1)/50us～80us (T2)；冲击阻抗测试范围：0.02Ω～100Ω；测试精度：1%±2d。

图4SD3206型冲击阻抗测试仪

3试验分析

本文研究的冲击阻抗测试仪试验过程分为室内和室外两种情况，室内测试采取对标准电阻RL进行放电测试。测试结果如表1所示。

3.1室内测试结果

表1　室内对标准电阻放电测试结果

由表1可知,测试电流符合GB/T17949.1-2000定义的冲击电流标准,计算结果接近实际值。

3.2室外测试结果

室外选择某变电站地网进行冲击阻抗测试，该接地网已建成若干年, 对某发电厂接地网进行测量试验,电流-接地极、电压极-接地极线长分别为200 m和190 m, 按直线布线,电流电压极各用两根接地柱。之前一直采用直流电流法测试该接地网的电阻特性，积累了一批数据，现在拟采用冲击电流测试该地网的接地阻抗，同时与之前直流法测试的数据进行比较，电流注入点、地网测试距离均一致。冲击电流法试验及直流法测试结果如表2所示。

表2　地网冲击阻抗测试数据

结果显示,在地网接触比较良好的情况下,冲击电流法测得的阻抗值与直流电流法测出的数值略大，计算出的纯电阻却比直流电流法测出的电阻要小得多。这是由于冲击电流波头较陡,含有的频率成分极多，引起的感抗值较大，从而使得阻抗值较大。如果单从电阻角度分析，冲击电流会造成火花效应，引起接地网局部电离，呈现出电阻值较小。

4结语

本文研制了一种大电流冲击阻抗测试仪，采用频率计算方法测出接地冲击阻抗，并能实现电阻和电感的分离，测试仪输出电流峰值能达到1kA，通过调节可调电阻、电感可得到所需的冲击电流波形,能够模拟实际雷电流输出。该测试仪采用频率算法将电流、电压信号转换到频域计算，符合冲击阻抗频率特性，解决了因接地电阻与电抗作用引起的电流和电压时域内不同步的问题，同时该测试仪采用ARM结合DSP技术，软件与硬件集成，将冲击电流发生器本体与测量控制部分集成为一体，实现了实时数据计算、存储、显示及远程传输，并且小型便携，大大方便了野外工作测量。

参考文献:

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[2] 李福权，何斌斌，邓世聪.测量杆塔冲击接地电阻的研究[J].华中电力,2007,20(1):22-24.

[3] 崔宇,李建明.基于冲击电流法测量接地电阻的装置[J].电力学报,2009,24(4):300-305.

[4] 潘晓杰,刘涤尘.电力系统冲击接地电阻测量装置[J].电力系统自动化,2005,29(16):93-99.

[5] 金祖山.高压架空避雷线对接地网接地阻抗测量结果的影响研究[J].电力设备,2005,6(4):56-57.

[6] 徐华,吕金煌.杆塔冲击接地电阻的计算[J].高电压技术,2006,32(3):93-95.

[7] 叶海峰,刘浔.水平接地体的雷电冲击特性研究[J].水电能源科学,2007,25(1):49-51.

[8] 何智强,文习山,王建武.接地网的雷电冲击响应特性计算分析[J].高电压技术,2007,33(3):75-78.

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[10] 吴茂林,崔翔.雷击500 kV变电站暂态地电位差的计算[J].高电压技术,2002,28(6):1-3.

(责任编辑：尹晓琦)

A Large Current Shock Grounding Impedance Tester

WANG Juan

(Xinjiang Lightning Protection Safety Testing Center Hami,Hami Xinjiang 839000,China)

Abstract:A high current impulse ground impedance tester was introduced in this paper. The maximum output pulse current of it could reach 1kA and be a mimic of real lightning current. The pulse current was injected in to the measure body, and the tester collected excitation current and response voltage to analyze its spectrum. Impulse impedance, resistance and inductance component were obtained via the frequency domain analysis method. Software and hardware were integrated in the tester to achieve an intelligent measurement, data analysis, calculation, display and remote transmission. The effectiveness and reliability of the tester was verified by lab experiments and site tests.

Key words:high current;impulse grounding impedance;frequency domain calculation;system integration

收稿日期：2016-04-08

作者简介：王娟(1987-)，女，新疆哈密人，工程师，主要从事雷电防护科学与技术研究。

中图分类号:TM934.1

文献标识码:A

文章编号：1009-7961(2016)03-0006-04