基于光纤传输和绝缘安全的冲击接地阻抗测量系统及方法与流程

本发明属于雷电测量领域，特别是涉及一种基于光纤传输和绝缘安全的冲击接地阻抗测量系统及其测量方法。

背景技术：

随着电力系统的发展，由于雷击输电线路而引起的事故也日益增多。电力系统的运行经验表明，大多数输电线路事故都是由于雷击输电线路或杆塔引起跳闸所致。当输电线路发生雷击事故时，接地系统可能注入高频冲击电流，接地阻抗装置雷电冲击特性主要是指雷电流通过接地装置向周围大地散流的特征，通常表现为雷击后接地装置的冲击接地阻抗和暂态地电位升高。输电线路杆塔接地装置的冲击接地阻抗决定了雷击时的塔顶电位，从而影响线路绝缘子串承受的过电压及反击闪络概率，直接关系到线路的防雷效果，因此，测量接地网的冲击接地阻抗对电力系统的安全运行有非常重要的意义。

专利文献CN101819233A公开的一种冲击接地阻抗测量系统，包括高压直流源、高压脉冲电容、放电回路、高压充电开关、高压放电开关、与高压脉冲电容和放电回路串联的电阻分流器以及与放电回路中的参考接地电极相连的水阻分压器，还包括高压脉冲源控制台、数字示波器和光纤信号传输系统，所说的光纤信号传输系统包括光发射机、光纤、光接收机，所说的分压器和分流器均通过光纤信号传输系统与数字示波器相连，所说的高压放电开关为运动球隙开关。该专利采用两路光纤信号传输系统用于信号采集，有效地消除了测试引线的干扰，减小了测量误差。该专利电阻分流器容易被瞬间增大的高压击穿，安全性差，且不利于测试人员的安全性，且由于开关太多响应慢，测量系统稳定性差。

专利文献CN102298108A公开的一种接地装置的冲击特性模拟试验装置包括冲击电流发生器(1)，半球形试验槽(13)，模拟接地装置(14)，穿芯式电流传感器(15)，冲击电压分压器(11)，宽频数字示波器(12)，同轴屏蔽电缆(16)，所述的半球形试验槽(13)为直径0.5～10m的、外壁由厚为1～3mm的材质为钢板的半球形壳体，半球形试验槽(13)的外壁通过扁钢与前述冲击电流发生器(1)的脉冲电容器组(8)的负极相连接后接地，在所述的半球形试验槽(13)中装设有粒径为0.05～1mm的含水砂子，通过改变砂子的含水量来模拟电阻率为10～1500Ω·m的土壤，在含水的砂子中埋设有模拟接地装置(14)；所述的模拟接地装置(14)的材质与被测的实际接地装置的材质相同，所述模拟接地装置(14)的几何尺寸，即长度和截面积与被测的实际接地装置的几何尺寸，即长度和截面积的比例n为5～100，n为模拟比例，在所述的模拟接地装置(14)的导体上每隔5～20cm选取一个点即模拟接地装置(14)的轴向电流待测点并进行标记，穿芯式电流传感器(15)套装在所述的轴向电流待测点处，所述的模拟接地装置(14)埋设在前述半球形试验槽(13)内的砂子中，埋设的深度根据实际接地装置的埋设深度以及模拟比例n确定，并要求模拟接地装置(14)的中心位置到前述半球形试验槽(13)外壁上各点的距离相等，在所述的模拟接地装置(14)的电流注入点处通过编织铜带与前述冲击电流发生器(1)的气动点火球隙(9)的下半铜球(20)的底座(21)连接；所述的穿芯式电流传感器(15)由不导磁骨架(25)、铜质线圈(27)、积分电路(29)、刺刀螺母连接器插座(28)和聚合物绝缘外壳(26)组成，所述的不导磁骨架(25)为内径为2～10cm、外径为2.5～12cm、截面直径为1～4cm、材质为不导磁的聚合物的圆环，所述的铜质线圈(27)由线径为0.44～1.67mm的铜漆包线均匀绕制在圆环形的不导磁骨架(25)上，绕制的匝数为50～1000匝，铜质线圈(27)两端的引出线与积分电路(29)的输入端连接，积分电路(29)的输出端通过刺刀螺母连接器插座(28)与同轴屏蔽电缆(16)一端的刺刀螺母连接器插头连接，同轴屏蔽电缆(16)的另一端通过刺刀螺母连接器插头与宽频数字示波器(12)的第二输入通道CH2连接，在所述的穿芯式电流传感器(15)表面浇铸有厚度为0.8～2cm的聚合物绝缘外壳(26)，在穿芯式电流传感器(15)表面浇铸所述的聚合物绝缘外壳(26)时，应将刺刀螺母连接器插座(28)设置在聚合物绝缘外壳(26)外，当测量注入模拟接地装置(14)总电流的波形及其幅值时，将所述的穿芯式电流传感器(15)套装在向模拟接地装置(14)注入电流的编织铜带上；当测量模拟接地装置(14)各个待测点的轴向电流波形及其幅值时，将所述的穿芯式电流传感器(15)套装在模拟接地装置(14)的轴向电流待测点上；冲击电压分压器(11)的接地端通过编织铜带与所述的半球形试验槽(13)的外壁与前述的脉冲电容器组(8)的负极连接的扁钢连接；冲击电压分压器(11)的信号输出端通过两端装设有刺刀螺母连接器插头的同轴屏蔽电缆(16)与宽频数字示波器(12)的第一输入通道CH1连接。该专利准确模拟实际雷电流通过接地装置向周围土壤散流时复杂的土壤放电过程，使模拟试验结果的可靠性大大提高，但该专利结构复杂，安全性差，且不利于测试人员的安全性，测量精度差和可靠性差，仍然有高压漏电风险、抗干扰磁场仍需提升的问题。

专利文献CN105606924A公开的一种接地装置冲击特性测量修正方法具体如下：第一步，使用环绕在接地装置周围等间距布置的接地极作为回流极；第二步，将电位参考点选择在回流电极上；第三步，通过修正系数的方式获得冲击接地阻抗，修正系数基于实测土壤模型来求出，测量冲击接地阻抗。该专利通过修正系数的方式获得冲击接地阻抗，修正系数基于实测的土壤模型来求出，但该专利安全性差，且不利于测试人员的安全性，测量精度差和可靠性差。

因此，本领域急需要解决的技术问题在于：急需一种杜绝高压漏电风险、不同接地电位造成的仪器人身安全和提高抵抗磁场干扰的能力雷电冲击接地阻抗测量系统，可以大大提高测量设备和测试人员的安全性，且测量精度高、响应快、线性度好，而且实现电压与电流光电隔离，用一个示波器完成所需要的功能，具有长距离传输、防干扰、光电隔离、安全可靠的功能。

在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于光纤传输和绝缘安全的冲击接地阻抗测量系统及方法，以解决上述技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

根据本发明的一方面，一种基于光纤传输和绝缘安全的冲击接地阻抗测量系统，其包括冲击电流发生器、冲击电压分压器、罗氏线圈电流传感器、第一光电转换器、第二光电转换器、第一电光转换器、第二电光转换器、第一光纤、第二光纤和示波器，所述冲击电流发生器连接所述冲击电压分压器，所述冲击电压分压器一端接地，另一端将分得的电压传输给第一电光转换器，所述第一电光转换器将所述分得的电压转换成第一光信号，所述第一光信号经由第一光纤传输到第一光电转换器，所述第一光电转换器将所述第一光信号转换成第一电信号且发送到所述示波器；所述冲击电流发生器连接所述罗氏线圈电流传感器，所述罗氏线圈电流传感器将测得的电流信号传输给第二电光转换器，所述第二电光转换器将所述电流信号转换成第二光信号，所述第二光信号经由第二光纤传输到第二光电转换器，所述第二光电转换器将所述第二光信号转换成第二电信号且发送到所述示波器，所述示波器基于第一电信号和第二电信号测量冲击阻抗。

优选地，所述示波器将第一电信号除以第二电信号得出冲击阻抗值并得出冲击阻抗时域图。

优选地，第一光纤和第二光纤均包括电光转换、光发射器、光纤、光接收器和光电转换。

优选地，所述示波器是宽频数字示波器。

优选地，所述冲击电压分压器的测量幅值为0～400kV、频率为0～2MHz。

优选地，所述罗氏线圈电流传感器包括罗氏线圈，所述罗氏线圈包括绕制在圆环形骨架上的线圈和回线。

优选地，所述罗氏线圈电流传感器包括第一壳体和第二壳体，第一壳体和第二壳体分别具有容纳半个罗氏线圈的半圆形的第一槽和第二槽，所述第一槽和第二槽上分别固定有第一绝缘屏蔽件和第二绝缘屏蔽件以使得闭合的所述第一壳体和第二壳体与从罗氏线圈中穿过的接地线绝缘。

优选地，所述第一壳体和第二壳体分别在其一侧上经由固定件连接使得所述第一壳体和第二壳体可开合，所述第一壳体和第二壳体分别在其另一侧上设有卡槽以容纳用于锁紧闭合所述第一壳体和第二壳体的锁止件。

优选地，所述固定件为合叶，所述锁止件为插销。

本发明的另一方面，一种所述基于光纤传输和绝缘安全的冲击接地阻抗测量系统的测量方法，包括以下步骤：

第一步骤中，所述冲击电压分压器将分得的电压传输给第一电光转换器，所述第一电光转换器将所述分得的电压转换成第一光信号，所述第一光信号经由第一光纤传输到第一光电转换器，所述第一光电转换器将所述第一光信号转换成第一电信号且发送到所述示波器。

第二步骤中，所述罗氏线圈电流传感器将测得的电流信号传输给第二电光转换器，所述第二电光转换器将所述电流信号转换成第二光信号，所述第二光信号经由第二光纤传输到第二光电转换器，所述第二光电转换器将所述第二光信号转换成第二电信号且发送到所述示波器。

第三步骤中，所述示波器将第一电信号除以第二电信号获得冲击阻抗值，且得到冲击阻抗时域波形图。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明公开的基于光纤传输和绝缘安全的冲击接地阻抗测量系统及其测量方法，针对注入高频大冲击电流，例如雷电的接地系统需要测量接地网的电流冲击，和现有技术相比，基于光纤传输和绝缘安全的冲击接地阻抗测量系统可以大大提高测量设备和测试人员的安全性，且本发明的基于光纤传输和绝缘安全的冲击接地阻抗测量系统测量精度高且响应快、线性度好，而且电压与电流实现了光电隔离，因此可以用一个示波器完成所需要的功能，具有长距离传输、防干扰、光电隔离、安全可靠的功能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够使得本发明的技术手段更加清楚明白，达到本领域技术人员可依照说明书的内容予以实施的程度，并且为了能够让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，下面以本发明的具体实施方式进行举例说明。

附图说明

通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1是根据本发明一个实施例的基于光纤传输和绝缘安全的冲击接地阻抗测量系统的结构示意图；

图2是根据本发明另一个实施例的基于光纤传输和绝缘安全的冲击接地阻抗测量系统的测量方法的步骤示意图。

以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。

图1为本发明的一个实施例的基于光纤传输和绝缘安全的冲击接地阻抗测量系统的结构示意图，本发明实施例将结合图1进行具体说明。

如图1所示，本发明的一个实施例提供了一种基于光纤传输和绝缘安全的冲击接地阻抗测量系统，基于光纤传输和绝缘安全的冲击接地阻抗测量系统包括冲击电流发生器1、冲击电压分压器2、罗氏线圈电流传感器3、第一光电转换器4、第二光电转换器5、第一电光转换器6、第二电光转换器7、第一光纤8、第二光纤9和示波器10。

所述冲击电流发生器1连接所述冲击电压分压器2，所述冲击电压分压器2一端接地，另一端将分得的电压传输给第一电光转换器6，所述第一电光转换器6将所述分得的电压转换成第一光信号，所述第一光信号经由第一光纤8传输到第一光电转换器4，所述第一光电转换器4将所述第一光信号转换成第一电信号且发送到所述示波器10。分压器分得的电压信号经过电光转化变成光信号，通过光纤传输，到示波器前再经过光电转换变成电信号进行测量，测量出脉冲电压幅值U。

所述冲击电流发生器1连接所述罗氏线圈电流传感器3，所述罗氏线圈电流传感器3将测得的电流信号传输给第二电光转换器7，所述第二电光转换器7将所述电流信号转换成第二光信号，所述第二光信号经由第二光纤9传输到第二光电转换器5，所述第二光电转换器5将所述第二光信号转换成第二电信号且发送到所述示波器10，将罗氏线圈电流传感器得到的电流信号经过电光转化变成光信号，通过光纤传输，到示波器前再经过光电转换变成电信号进行测量，测量出峰值电流I。

所述示波器基于第一电信号和第二电信号测量冲击阻抗。雷电冲击阻抗为Z＝U/I。这样可以实现光电隔离和光纤传输，具有长距离传输、防干扰、测量及度高、高压与测量隔离的功能。由于电压与电流实现了光电隔离，因此可以用一个示波器完成所需要的功能，具有长距离传输、防干扰、光电隔离、安全可靠的功能。

本发明实施例优选的是，所述示波器10将第一电信号除以第二电信号得出冲击阻抗值并得出冲击阻抗时域图。示波器10在频域下将获得的冲击阻抗绘成冲击阻抗时域图，所述冲击阻抗时域图可以记录一段时期的冲击阻抗值，可以获得平均阻抗值，有利于测量系统的准确性。

在一个实施例中，第一光纤8和第二光纤9均包括光发射器、光纤和光接收器。

在一个实施例中，所述示波器10是宽频数字示波器。宽频数字示波器10为Tektronix 1012型数字示波器，在2个信号采集通道同时采集幅值为-400～400V、频率为0～100MHz的电压信号，采样频率为0～10GS/s、存储容量为0～100MB，能保证采集信号的精度和长度。所述宽频数字示波器10的供电电源为独立蓄电池和逆变器组合电源，这不仅可以提高宽频数字示波器10获取的信号的信噪比，而且能防止冲击电流发生器1放电时，冲击大电流入地导致地网电位急剧升高而损毁宽频数字示波器10。

在一个实施例中，所述冲击电压分压器2的测量幅值为-400～400kV、频率为0～1MHz。冲击电压分压器2设置在冲击电流发生器1的输出端，冲击电压分压器2与接地装置连接。

在一个实施例中，所述罗氏线圈电流传感器3包括罗氏线圈，所述罗氏线圈包括绕制在圆环形骨架上的线圈和回线。

进一步地，所述罗氏线圈电流传感器3包括第一壳体和第二壳体，第一壳体和第二壳体分别具有容纳半个罗氏线圈的半圆形的第一槽和第二槽，所述第一槽和第二槽上分别固定有第一绝缘屏蔽件和第二绝缘屏蔽件以使得闭合的所述第一壳体和第二壳体与从罗氏线圈中穿过的接地线绝缘。

在一个实施例中，所述第一壳体和第二壳体分别在其一侧上经由固定件连接使得所述第一壳体和第二壳体可开合，所述第一壳体和第二壳体分别在其另一侧上设有卡槽以容纳用于锁紧闭合所述第一壳体和第二壳体的锁止件。

优选地，所述固定件为合叶，所述锁止件为插销。

在一个实施例中，第一壳体可以是不锈钢材制成的壳体，第一壳体起到保护罗氏线圈不受干扰磁场的影响。具有容纳罗氏线圈的第一槽的第一壳体可以是如长方体的多种形状，第一槽中容纳罗氏线圈的一部分，其中，第一槽的直径略微大于罗氏线圈的直径以适当地容纳罗氏线圈，第一槽与罗氏线圈之间的空余位置可以添加诸如弹性体材料的一些弹性塑料保证第一壳体和第二壳体合拢时罗氏线圈中的铁氧体能够紧密接触，减小气隙增大输出量。第一槽上覆盖有第一绝缘屏蔽件，其主要功能是绝缘作用，即雷电脉冲大电流可达到几百千安，在第一绝缘屏蔽件接触到接地线时得到非常高的电压，对测量设备以及测量人员造成安全隐患，因此，有必要增加绝缘塑料部件；第二功能是对第一绝缘屏蔽件里的罗氏线圈进行固定，使其不随便晃动或者从第一绝缘屏蔽件里掉落。第一壳体上还设有容纳锁止件的卡槽。

在一个实施例中，本发明的罗氏线圈由圆环形骨架、线圈和回线组成，所述圆环形骨为柔性骨架，所述线圈及回线自柔性骨架的一端穿入柔性骨架的通孔，由另一端引出后以单层方式均匀的绕制在柔性骨架上。所述柔性骨架由硅橡胶制成，硅橡胶具有耐高温、耐高压、防水、防腐等性能，可以工作在-60℃～+180℃，具有良好的柔韧性，是柔性罗氏线圈骨架的理想材料。在穿过所述柔性骨架通孔的回线上套装有聚四氟乙烯绝缘材料。优选地，回线和线圈绕线本身由一条线构成，具体是将硅橡胶电缆内芯抽掉，电缆内部套入聚四氟乙烯材料，作为漆包线的保护套管。所述的聚四氟乙烯绝缘材料套在漆包线的外层起紧固和防止断裂的保护作用，这种工艺制作的线圈结构紧凑，牢固性好，同时能保证很高的测量精度，适合工业生产使用。

图2是根据所述基于光纤传输和绝缘安全的冲击接地阻抗测量系统的测量方法的步骤示意图，该方法包括以下步骤。

第一步骤S1中，所述冲击电压分压器2将分得的电压传输给第一电光转换器6，所述第一电光转换器6将所述分得的电压转换成第一光信号，所述第一光信号经由第一光纤8传输到第一光电转换器4，所述第一光电转换器4将所述第一光信号转换成第一电信号且发送到所述示波器10。

第二步骤S2中，所述罗氏线圈电流传感器3将测得的电流信号传输给第二电光转换器7，所述第二电光转换器7将所述电流信号转换成第二光信号，所述第二光信号经由第二光纤9传输到第二光电转换器5，所述第二光电转换器5将所述第二光信号转换成第二电信号且发送到所述示波器10。

第三步骤S3中，所述示波器10将第一电信号除以第二电信号获得冲击阻抗值，且得到冲击阻抗时域波形图。

本发明主要利用基于光纤传输和绝缘安全的冲击接地阻抗测量系统的结构和绝缘安全性，通过基于光纤传输和绝缘安全的冲击接地阻抗测量系统测量通过接地网的雷电脉冲电流。当电流通过位于基于光纤传输和绝缘安全的冲击接地阻抗测量系统中的罗氏线圈传感器时，由于电磁感应在一次导体中电流的时间变化率产生的磁场会在线圈内产生感应电势，感应电势与一次电流成比例，通过输出的电压信号得到接地线的脉冲电流。电压通过分压器，分压器测量接地网电压，接地阻抗为R＝U/I，本发明有利于测量雷电流作用下的接地装置的冲击阻抗和冲击散流规律。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。