专利名称：冲击接地阻抗测量系统及其测量方法
技术领域：
本发明涉及一种接地阻抗测量系统及其测量方法，具体地说，涉及一种冲击接地 阻抗测量系统及其测量方法。
背景技术：
冲击接地阻抗(Transient grounding resistance, TGR)是反映接地装置在雷电 流作用下的冲击特性。上世纪初，人们广泛采用的是电压、电流表等设备来进行伏安法接地 电阻实验，实验误差极大。50年代开始，前苏联的E型摇表取代了伏安法，电源是手摇发电 机。我国接地电阻仪的产生要从70年代开始，ZC系列(如ZC-28、ZC-29等)在结构、测量 范围、准确性和分度值上都要胜过E型摇表。但由于手摇发电机的原因，精度均不高。1980 年初，数字式接地电阻仪投入使用，稳定性远比摇表指针式高。90年代，钳口式电阻仪的产 生打破了传统的接地电阻测试方法，如法国CA6411型、奥地利GEOX型。单钳口型接地电阻 测量仪优点是使用时不必打入辅助接地极，但测量精度不高；而双钳口型测量仪采用电磁 感应原理，测量范围和精度有所提高，但易受干扰。近年来，随着计算机控制技术的运用，智 能型接地电阻测量仪应运而生，如意大利HT234型。随着接地阻抗相关理论研究的深入，国 内接地阻抗测量仪相继出现，如SD-301型、GPI-745A型、GCT-630型。但是经研究发现，上 述仪器均采用AC或DC的输出方式，并不能很好的反映雷电作用下接地体呈现的冲击特性 和阻抗特性，且均属于工频接地阻抗的范畴。在王建国，夏长征，文习山等人在《高电压技术》发表的“垂直接地体冲击电流作用 下接地电阻的测量” 一文中公开了为研究雷电流作用下铁塔地网地电位的升高，用冲击电 流发生器对垂直接地体冲击接地电阻进行了试验，并给出了试验的结果。但是试验中采用 了单、双屏蔽电缆作为信号采集系统的传输线，测试波形干扰严重，易失真。在西华大学孙 家营的硕士论文“杆塔冲击接地阻抗测量系统的研制” 一文中提供了一种电力系统杆塔冲 击接地阻抗测量系统，采用倍压电路获取最大值为2kV的直流电压对高压电容充电，采用 分流器和数字记录仪并利用普通导线对冲击电流数据进行直接采集，测试波形易受干扰。总之，现有的冲击接地阻抗测量系统并不能很好的反映雷电作用下接地体呈现的 冲击特性和阻抗特性，其不足之处主要表现为测试波形受干扰严重，测量误差较大。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足之处，提供一种能够减少干扰、提高测量精 度的冲击接地阻抗测量系统及其测量方法。本发明的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。
优选地，本发明的冲击接地阻抗测量系统中，所说的高压直流源包括自耦变压器、干式升压变压器、高压硅堆、充电电流表和限流功率电阻。其中，自耦变压器配合干式升压变压器 使用，以获取不同的交流输出，然后再经高压硅堆进行整流。充电电流表用来显示充电电流 的大小，限流功率电阻用于控制充电电流，防止充电电流过大损坏元器件。高压直流源用于 给高压电容充电，最高值充电电压可达40kV。本发明的冲击接地阻抗测量系统中，所说的运动球隙开关包括放电球、传动电机、 拉升电位计、限位开关，所说的放电球为嵌钨铜球，所说的传动电机为直线往复减速感应电 动机。装置整体采用绝缘尼龙柱作为支撑；装置上部用绝缘环氧筒罩住放电铜球，可有效降 低放电噪音；球隙触发采用上球固定，下球线性运动触发，保证了触发球隙放电的准确性和
可靠性。本发明的冲击接地阻抗测量系统中，所说的高压脉冲源控制台包括用于控制铜球 高压充电过程的高压充电控制电路、用于控制球隙放电的数字直流电压表和用于控制铜球 运动过程的球隙运行控制电路，其中高压充电控制电路与高压直流源相连，数字直流电压 表和球隙运行控制电路与运动球隙开关相连。本发明的高压脉冲源控制台用来实现对运动球隙开关的有效控制。采用数字直流 电压表来监视球隙的直线动作，更好地实现了对球隙放电的控制；采用充电电压表和充电 电流表进行充电电压和电流的显示；高压控制台自保功能，可在高压放电时自动切断高压 充电回路；自耦变压器自保功能，可在升压旋钮忘记归零而进行高压放电的情况下自动切 断与外部电源的联系；电机急停按钮设计，可对电机发生意外动作时进行紧急制动；状态 指示功能，可及时判别设备工作状态。本发明的冲击接地阻抗测量方法，包括下列步骤1)闭合高压充电开关，断开运动球隙开关，给高压脉冲电容充电；2)当高压脉冲电容电压达到预定值时，断开高压充电开关，闭合运动球隙开关，高 压脉冲电容放电；3)经过调波的冲击电流波自放电回路电流极注入远方的地，从接地体输出，再分 别流经分流器和分压器；同时，一路光纤系统测量流过分流器上的冲击电流i (t)，另一路 测量冲击电压u (t)，数字示波器采集并记录光接收机输出的冲击电流及冲击电压波形；再 由公式(1)计算得到冲击接地阻抗值<formula>formula see original document page 4</formula>
式中Zimp为冲击接地阻抗值(TGR) ；u(t)为接地体冲击电压瞬时值；i (t)为流入 接地体冲击电流瞬时值。本发明的所依据的原理为根据物理学中欧姆定律，我们知道了电阻是恒量。而现 实雷电流却是脉冲电流，在模拟雷电实验室称它为冲击电流。用这种电流通入大地进行测 量时，发现电流(或者冲击电压)增大到一定值后，电压与电流的比值不再是恒量，而是随 着所加的冲击电压的增大而下降。也就是说，大地的流散电阻是非线性电阻不遵守欧姆定 律。而冲击阻抗是时间的函数，反映了接地体对冲击电流的动态响应过程，能较好地反映接 地装置对雷电能量泄流性能的好坏。冲击接地阻抗的定义在脉冲电流注入接地体的时间段内，每一时刻的接地阻抗是接地体上产生的电压降与同一时刻的注入电流值的比值，如公式(1)。Zimp = u(t)/i(t) (1)式中Zimp为冲击接地阻抗值(TGR)，单位Ω ；u(t)为接地体冲击电压瞬时值，单位 V;i(t)为流入接地体冲击电流瞬时值，单位A。《接地系统的土壤电阻率、接地阻抗和地面电位测量导则》(GB/T17949.12000)中 规定了 TGR的测量方法，其瞬时阻抗通常是同一瞬间测得的所加瞬时电压和瞬时电流之比 值，此时的TGR并不是一个定值，而是随时间不断变化的。目前，市场上还没有成熟的TGR 测量设备，此系统的发明有助于冲击接地阻抗的实验研究。本发明的冲击接地阻抗测量系统及其测量方法与现有技术相比，具有如下技术效果1、系统结构紧凑，体积小方便携带，适合多种环境作业；2、系统操作简单，测量值准确、稳定，能较好地模拟快前沿脉冲大电流的特性；3、该系统采用两路光纤信号传输系统(用于冲击阻抗测量的一、二号光发射机、 光接收机)将分压器和分流器的输出信号传输到双通道数字示波器，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。
图1是本发明的冲击接地阻抗测量系统的结构示意图；图2是本发明的冲击接地阻抗测量系统中高压直流源及高压充电控制电路图；图3是本发明的冲击接地阻抗测量系统中数字直流电压表电路图；图4是本发明的冲击接地阻抗测量系统中球隙运行控制电路图；图5(a)是本发明的实施例2中冲击电压波形；图5(b)是本发明的实施例2中冲击电流波形；图5(c)是本发明的实施例2中冲击接地阻抗时域波形。其中，kl为高压充电开关，k2为运动球隙开关。
具体实施例方式实施例1如图1所示，本发明的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、运动球隙开关、与高压脉冲电容和放电回路串联的电阻分流器、 与放电回路中的参考接地电极相连的水阻分压器，高压脉冲源控制台、数字示波器和两路 光纤信号传输系统，光纤信号传输系统包括1号和2号光发射机，光纤，1号和2号光接收 机，分压器和分流器均通过光纤信号传输系统与数字示波器Chi、Ch2相连。高压直流源包 括自耦变压器、干式升压变压器、高压硅堆、充电电流表和限流功率电阻。运动球隙开关包 括放电球、传动电机、拉升电位计、限位开关，其中放电球为嵌钨铜球，传动电机为直线往复 减速感应电动机。高压脉冲源控制台包括用于控制铜球高压充电过程的高压充电控制电 路、用于控制球隙放电的数字直流电压表和用于控制铜球运动过程的球隙运行控制电路， 其中高压充电控制电路与高压直流源相连，数字直流电压表和球隙运行控制电路与运动球 隙开关相连。
放电回路的电极按照测量工频接地电阻的传统三极法(5D-0. 618法)进行布置。 在高压脉冲电容与被测接地体的放电回路中串联大电阻分流器，用于测量冲击电流波形。 水阻分压器连接在被测接地装置与参考接地电极之间，用于测量接地体的冲击地压波形。 分流器和分压器的相关连接线采用低电感引线。分流器和分压器分别通过两路光纤信号传 输系统与数字示波器相连，来同时记录电压和电流脉冲波形。测量过程中需对系统进行时 间延迟校正，利用每组记录的冲击电压和冲击电流时域波形图来计算TGR曲线。 本发明的冲击接地阻抗测量方法，包括下列步骤1)闭合高压充电开关，断开运动球隙开关，给高压脉冲电容充电；2)当高压脉冲电容电压达到预定值时，断开高压充电开关，闭合运动球隙开关，高 压脉冲电容放电；3)经过调波的冲击电流波自放电回路电流极注入远方的地，从接地体输出，再分 别流经分流器和分压器；同时，一路光纤系统测量流过分流器上的冲击电流i (t)，另一路 测量冲击电压u(t)，数字示波器采集并记录光接收机输出的冲击电流及冲击电压波形；再 由公式(1)计算得到冲击接地阻抗值Zimp = u(t)/i(t) (1)式中Zimp为冲击接地阻抗值(TGR) ；u(t)为接地体冲击电压瞬时值；i (t)为流 入接地体冲击电流瞬时值。如图2所示，高压充电控制电路主要用于对铜球高压充电过程的有效控制，同时 实现对铜球充电全过程的多重保护。高压充电过程为闭合总电源开关，电源指示灯HL4 亮；按下高压充电按钮SBl，高压充电指示灯HLl亮，交流接触器KM3通电，开关KM3a、KM3c 闭合；调节自耦变压器升压旋钮给与铜球相连的电容充电，充电电压达到所需值。如图3所示，测量系统采用数字直流电压表来监视球隙的直线动作，更好地实现 了对球隙放电的控制。电压值与球隙间距呈线性对应关系。两铜球的最大间距80mm，最小 间距小于1mm。电机正转使球隙间距增大，电机反转使球隙间距减小。电路中采用隔离变 压器T对地线中低频干扰进行抑制，这样电路中的信号电流只在变压器绕组连线中流过， 因此可避免对其他电路的干扰。采用电源滤波器F1、F2把不需要的电磁能量即电磁干扰减 小到满意的程度，有效地解决了传导干扰问题。开关电源S把220V交流电转化为24V直流 电，实现对可调电位器Wl、拉伸电位计W2和数字直流电压表的供电需求。如图4所示，球隙运行控制电路主要用于对铜球运动过程的有效控制。该电路中 所采用的传动电动机定子上装有两个轴线在空间互差90°的两个绕组。起动绕组(W1W2) 串联一个电容和一个电阻后，再与主绕组(W1W3) —起并接于单相交流电源上。当需要电机 反向转动时，只需互换启动绕组和主绕组的角色，即改变流经电容和电阻的电流方向便可 实现。铜球向上运动球隙放电过程为按下放电控制按钮SB2，电机正转指示灯HL2亮， 同时交流接触器KMl通电，开关KMlb、KMlc和KMle闭合，KMla和KMld打开，KM3断电， KM3a、KM3c打开，高压充电指示灯HLl熄灭，传动电机正向转动，下方铜球向上做直线运动， 球隙放电；接触上限位开关XWKl后压迫打开，KMl断电，同时KMla、KMld闭合，KMlb、KMlc 和KMle打开，电动机停止转动，铜球静止。铜球向下运动系统复位过程为按下复位控制按钮SB3，电机反转指示灯HL3亮，同时交流接触器KM2通电，开关KM2a和KM2d打开，KM2b、KM2c和KM2e闭合，传动电机反向 转动，下方铜球向下做直线运动；接触下限位开关XWK2后压迫打开，KM2断电，同时KM2a和 KM2d闭合，KM2b、KM2c和KM2e打开，电动机停止转动，铜球静止。整个充放电动作完成，系 统回复到初始状态。实施例2采用实施例1中的测量系统和测量方法对一单根圆钢接地体进行冲击接地阻抗 的实际测量，得到冲击电压波形5 (a)和冲击电流波形5(b)，通过计算得到图5 (c)冲击接地 阻抗时域波形。
权利要求
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，其特征在于，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。
2.根据权利要求1所述的一种冲击接地阻抗测量系统，其特征在于，所说的高压直流 源包括自耦变压器、干式升压变压器、高压硅堆、充电电流表和限流功率电阻。
3.根据权利要求2所述的一种冲击接地阻抗测量系统，其特征在于，所说的高压脉冲 源控制台包括用于控制高压充电过程的高压充电控制电路、用于监测放电电压的数字直流 电压表和用于控制铜球运动过程的球隙运行控制电路，其中高压充电控制电路与高压直流 源相连，数字直流电压表和球隙运行控制电路与球隙开关相连。
4.一种冲击接地阻抗测量方法，其特征在于，包括下列步骤1)闭合高压充电开关，断开运动球隙开关，给高压脉冲电容充电；2)当高压脉冲电容电压达到预定值时，断开高压充电开关，闭合运动球隙开关，高压脉 冲电容放电；3)经过调波的冲击电流波自放电回路电流极注入远方的地，从接地体输出，再分别流 经分流器和分压器；同时，一路光纤系统测量流过分流器上的冲击电流i (t)，另一路测量 冲击电压u(t)，数字示波器采集并记录光接收机输出的冲击电流及冲击电压波形；再由公 式(1)计算得到冲击接地阻抗值Zimp = u(t)/i(t) (1)式中=Zimp为冲击接地阻抗值(TGR) ；u(t)为接地体冲击电压瞬时值；i(t)为流入接地 体冲击电流瞬时值。
全文摘要
本发明提供了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。本发明具有如下技术效果系统结构紧凑，体积小方便携带；系统操作简单，测量值准确、稳定；减少了电磁干扰；减小了测量误差。
文档编号G01R27/08GK101819233SQ20101016690
公开日2010年9月1日 申请日期2010年5月10日 优先权日2010年5月10日
发明者刘晓, 吴海, 周璧华, 李炎新, 石立华, 陈彬, 高成 申请人:中国人民解放军理工大学