一种接地网检测专用特种电源系统的制作方法

本实用新型涉及接地网检测技术领域，具体而言，涉及一种接地网检测专用特种电源系统。

背景技术：

输电铁塔接地网在电力输送的安全运行中起着十分重要的作用，其接地性能直接关系到输电线路的正常运行，我国的接地网大多采用钢材质制作，随着使用年限的增长，多雨和沿海地区，易发生接地网导体的锈蚀或断裂，影响接地网的接地性能。为此，国家制订了相关标准，每年电力部门都要进行土壤电阻率、接地阻抗、地表电位、接触电势等常规检查，以便判断接地网的接地性能是否满足安全要求，有时还要通过向接地网直接注入激励电流，通过地表电磁量的测量，查找接地网的断点和严重腐蚀段。

在接地网检测与诊断的工程实际中，都需要一个激励信号，为了携带方便，目前的激励源多采用蓄电池供电，输出电流小、频率范围窄、带负载能力差；而对于需要较大电流的情况，有的电源常采用间歇式的脉冲工作方式，有的采用脉冲宽度调制放大技术(PWM)，通过滤波选择某一频率获得正弦波，这种电源的工作频率单一，且不能适应接地网复杂负载的工作条件，在测量地表电位、磁场分布的诊断中，有时需要脉冲激励，有时需要正弦波激励，且要求激励信号的频率能够在一定范围内调节，又因为接地网的大小不同，负载具有不确定的特点，有时仅零点几欧姆，有时可达到十几欧姆。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种接地网检测专用特种电源系统，具有一定的工作频带，具备几安培至几十安培的电流输出能力，能够适应接地网负载的不确定性特点；具有多种波形工作方式和大电流工作状态下的连续工作能力。

本实用新型采用的技术方案是：提供一种接地网检测专用特种电源系统，包括供电电源以及分别与所述供电电源连接的信号激励电路和阻抗变换电路，所述信号激励电路包括函数信号发生器和功率放大电路，所述阻抗变换电路包括与所述信号激励电路连接的计时控制器以及分别与所述信号激励电路和所述计时控制器连接的阻抗变换器；所述函数信号发生器包括控制调节电路、信号发生电路和放大输出级，所述功率放大电路包括输入级、推动级、输出级和保护级，所述保护级分别与所述推动级和所述输出级连接，所述阻抗变换器包括初级线圈、次级线圈和铁芯，所述铁芯为环形的纳米晶材质的铁芯，所述初级线圈和所述次级线圈缠绕在所述铁芯上。

在本实用新型所述的接地网检测专用特种电源系统中，所述控制调节电路包括正弦信号控制调节电路和脉冲信号控制调节电路，所述信号发生电路包括正弦信号发生电路和脉冲信号发生电路，所述放大输出级包括正弦信号放大输出级和脉冲信号放大输出级。

在本实用新型所述的接地网检测专用特种电源系统中，所述初级线圈与所述功率放大电路连接，所述次级线圈上设置有用于与所述接地网负载连接的N个抽头，所述N个抽头分别对应不同的初、次级线圈变比，其中，N为大于等于1的整数。

在本实用新型所述的接地网检测专用特种电源系统中，所述初级线圈的绕组线径为2.0mm，匝数为160；所述次级线圈上共设有四个抽头，所述次级线圈的绕组线径在第一个抽头处为3.7mm、在第二个抽头处为2.0mm、在第三个抽头和第四个抽头处为1.4mm，四个抽头处的匝数均为80。

在本实用新型所述的接地网检测专用特种电源系统中，所述铁芯的厚度为75mm、内径为180mm、外径为260mm。

本实用新型提供的接地网检测专用特种电源系统通过设置能够产生正弦激励信号和脉冲激励信号的信号激励电路，以及在信号激励电路和接地网之间的激励信号传输线路上设置阻抗变换电路，对信号激励电路的内阻抗与所述接地网的负载阻抗进行匹配，解决了现有技术中接地网检测电源输出电流小、输出信号频率范围窄、带负载能力差，激励信号模式单一，无法满足接地网复杂负载的工作条件的技术问题，实现了接地网检测电源能够根据实际应用需求提供两种模式的激励信号，并且输出的激励信号的电流在适宜的电流范围内可调、信号频率在适宜的频率范围内可调，带负载能力强、能够满足接地网复杂负载的工作条件的技术效果；使用方便，用途广泛，可以满足输电线路接地网接地性能检测和故障诊断的多种需要。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型实施例的框线结构示意图；

图2是阻抗变换器和负载的等效电路图；

图3是阻抗变换器磁芯几何参数图；

图4是阻抗变换器的电气原理图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型实施例提供的接地网检测专用特种电源系统，包括供电电源1以及分别与供电电源1连接的信号激励电路和阻抗变换电路，阻抗变换电路还与接地网负载相连。信号激励电路包括函数信号发生器2和功率放大电路3，阻抗变换电路包括与信号激励电路连接的计时控制器5以及分别与信号激励电路和计时控制器5连接的阻抗变换器4。具体的，函数信号发生器2包括控制调节电路21、信号发生电路22和放大输出级23，控制调节电路21包括正弦信号控制调节电路21和脉冲信号控制调节电路21，信号发生电路22包括正弦信号发生电路22和脉冲信号发生电路22，放大输出级23包括正弦信号放大输出级23和脉冲信号放大输出级23。其中，正弦信号控制调节电路21用于供工作人员进行信号频率调节，并将调节指令发送于正弦信号发生电路22；正弦信号发生电路22基于所述频率指令产生相应频率的初始正弦信号；正弦信号放大输出级23用于对初始正弦信号进行放大处理获得所述正弦波信号。可见，正弦信号控制调节电路21、正弦信号发生电路22和正弦信号放大输出级23用于产生正弦波信号和进行信号频率调节；在进行信号频率调节时，应注意正弦波形不能失真。同理，脉冲信号控制调节电路21用于供工作人员进行信号脉冲宽度调节，并将调节指令发送于脉冲信号发生电路22；脉冲信号发生电路22基于所述脉冲宽度指令产生相应脉冲宽度的初始脉冲信号；脉冲信号放大输出级23用于对初始脉冲信号进行放大处理获得所述脉冲信号。可见，脉冲信号控制调节电路21、脉冲信号发生电路22和脉冲信号放大输出级23用于产生脉冲信号和进行信号脉冲宽度调节。功率放大电路3包括输入级31、推动级32、输出级33和保护级34，保护级34分别与推动级32和输出级33连接。功率放大电路3主要用于信号的功率放大和输出驱动电流。在实施例中进行接地网缺陷诊断时，功率放大电路3的设计原则为：(1)工作频率在10Hz～50kHz的频带内；(2)输出信号频率和输出电流能方便地连续调节；(3)在保证输出信号具有足够驱动电流的条件下，自身能够连续工作。针对上述要求，本实施例中采用线性功率放大技术，功率放大电路3电路包括输入级31、推动级32、输出级33和保护级34，末级输出采用10对大功率晶体管组成互补推挽并联的输出形式，晶体管的型号为2SC5200和2SA1943。具体的，输入级31用于接收来自正弦信号发生器和/或脉冲信号发生器输出的初级激励信号，并依次送入推动级32、输出级33进行处理，并最终获得正弦激励信号或脉冲激励信号；其中，输入级31作用是抑制电路的零点漂移和温度漂移，并使功率放大电路3静态时的输出电压为零，从而保证电路稳定、可靠的工作；推动级32的作用是为输出级33提供足够的驱动电流；输出级33的作用是向负载提供信号功率；保护级34分别与推动级32和输出级33连接，作用是在推动级32和输出级33对初级激励信号进行放大处理时，保护电路不被烧毁。在现有技术中，对于输入级31、推动级32、输出级33和保护级34电路的工作原理和设计方法较为成熟(参考文献：谢沅清.晶体管低频电路，人民邮电出版社，1981:275-295)，在此不再赘述。阻抗变换器4包括初级线圈、次级线圈和铁芯，铁芯为环形的纳米晶材质的铁芯，初级线圈和次级线圈缠绕在铁芯上。初级线圈与功率放大电路3连接，次级线圈上设置有用于与接地网负载连接的N个抽头，N个抽头分别对应不同的初、次级线圈变比，所述初、次级线圈变比是指初级线圈的匝数和次级线圈的匝数的比值；其中，N为大于等于1的整数。

下面依据电路理论，对阻抗变换器4进行设计。因负载比晶体管输出阻抗小很多，设功率输出级33的输出电流为一简谐波，用一个电流源作为其等效电路，将阻抗变换器4的所有参数均折合至变换器的初级值，则阻抗变换器4和负载的等效电路如图2所示。

图2中，C1为初级线圈分布电容，C'2＝C2/n²为次级线圈分布电容折合至初级的值，r1为初级线圈的铜阻，r2'＝n²r2为次级线圈铜阻折合至初级值，L1为初级线圈的漏感，L'2＝n²L2为次级线圈漏感折合至初级值，L0为激励电感，R'L＝n²RL为次级负载电阻折合至初级值，n＝N1N2为初级和次级的变比。在中频段，分布电容和激励电感视为开路，漏感视为短路，此时功率放大器负载的总阻抗为：

RO＝r1+r2'+R'L (1)

阻抗变换器4的转换效率为：

式中ηT为转换效率，一般取0.9，依据(2)式可以设计变比。低频段，分布电容依然视为开路，漏感视为短路，依据电路理论可列出：

下限频率取为：

当负载及下限频率确定时，激励电感L0可由(4)式求得。

阻抗变换器4磁芯采用环形纳米晶铁芯，如图3所示，其饱和磁感应强度Bs大于1.24T，有效磁导率达10⁵，依据经验公式可计算铁芯截面积,S＝0.2PLfl(cm²),式中PL为阻抗变换器4向负载输出的功率，fl为下限频率；初级线圈匝数l0为激励电感，lc为铁芯磁路平均长度，S为磁芯截面积。

阻抗变换器4的电原理图如图4所示，采用四种变比2:1、1:1、2:3和1:2的抽头，以满足不同的测量需要。在本实施例中，初级线圈的绕组线径为2.0mm(即图中所示)，匝数为160(即图中所示160T)，输入电流为30A；次级线圈上共设有四个抽头，次级线圈的绕组线径在第一个抽头处为3.7mm(即图中所示)、在第二个抽头处为2.0mm(即图中所示)、在第三个抽头和第四个抽头处为1.4mm(即图中所示)，四个抽头处的匝数均为80(即图中所示80T)，输出电流为60A。铁芯的厚度为75mm、内径为180mm、外径为260mm。具体的，当选择第一个抽头作为阻抗变阻器的输出端时，初、次级线圈变比为2:1；当选择第二个抽头作为阻抗变阻器的输出端时，初、次级线圈变比为1:1；当选择第三个抽头作为阻抗变阻器的输出端时，初、次级线圈变比为2:3；当选择第四个抽头作为阻抗变阻器的输出端时，初、次级线圈变比为1:2。

计时控制器5包括N个信号输入端和一时钟输入端；其中，所述N个信号输入端一一对应与N个抽头连接；所述时钟输入端与所述信号激励电路的脉冲信号输出端连接。在本实施例中，N取值为4，阻抗变换器4的次级线圈上的4个抽头分别与计时控制器5的4个信号输入端一一对应连接。

功率放大电路3的输出端连接阻抗变换器4的初级绕组(即初级线圈)，根据测量需要，选择合适的次级绕组，即选择合适的次级线圈的抽头作为输出端，如果需要输出较高的激励电压信号，则选择2:3或1:2的初、次级线圈变比，如果需要输出较高的激励电流信号，则选择2:1或1:1的初、次级线圈变比。具体的，当测量接地网电位信号时，需要向接地网注入高压小电流的激励信号，则选择1:2的初、次级线圈变比，当测量接地网磁场信号时，需要向接地网注入低压大电流的激励信号，则选择2:1的初、次级线圈变比。可见，在本实施例中，通过初级线圈的设计，在较宽频带内，满足功率放大器的负载要求；通过使次级线圈采用多抽头输出，实现了利用改变初、次级线圈变比的方法，根据测量的实际需要，提升输出电流或电压，以获得所需的激励信号；磁芯(即铁芯)材质的选择，能保证在工作频带内，较大工作电流的情况下，具有较好的转换效率。

以上结合附图对本实用新型的实施例进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本实用新型的保护之内。