一种新型智能变频大电流接地阻抗测量仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种新型智能变频大电流接地阻抗测量仪，涉及测量【技术领域】。包括电源输入端子、缓启动电路、整流滤波单元、逆变单元、隔离输出单元、电流互感器、选频电流采样单元、选频电压采样单元、中央处理单元、用户操作单元、显示单元、打印机、存储单元、变频输出端子、电压测量端子等。本实用新型采用变频--选频的测量方法，对接地网注入45-55Hz的正弦波交流大电流，然后选频测量，能实现在高压变电站强干扰环境下准确测量接地网的接地阻抗、电阻、电抗。该实用新型对于接地阻抗测量，特别是在强干扰背景下的变电站、电厂接地网的测量的准确性、方便性、安全性有着重要的提升。
【专利说明】一种新型智能变频大电流接地阻抗测量仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及电力行业中的测量设备，具体是指一种用于接地装置测量的接地阻抗测量仪。
【背景技术】
[0002]发电厂、变电站接地网除了为各种电气设备提供公共参考地，更重要地，在系统发生接地故障或遭受雷击时起到快速有效地泄放故障电流，改善接地网和场区地表地电位分布，保障一、二次设备和人员安全的作用，是维护电力系统安全可靠运行、保障人员和设备安全的重要措施。
[0003]接地阻抗(习惯称为“接地电阻”，实为带感性分量的阻抗值)是反映接地网性能和状态好坏最重要的参数，其准确测量的重要意义是不言而喻的。
[0004]DL/T475-2006《接地装置特性参数测量导则》对接地阻抗的定义是:接地装置对远方电位零点的阻抗。数值上为接地装置与远方电位零点间的电位差，与通过接地装置流入地中的电流的比值。按冲击电流求得的接地阻抗称为冲击接地阻抗；按工频电流求得的接地阻抗称为工频接地阻抗。一般未经特别说明的均指工频接地阻抗。
[0005]大型变电站、电厂的接地网接地阻抗较小，一般都在0.5 Ω以下。假设一个大型地网接地阻抗按0.5Ω计算，对该地网注入IA的电流，则其相对远方电位零点的电位升为
0.5V。现场测量接地阻抗也是这个原理，对地网注入电流I，测量地网的电位升U，计算得到接地阻抗Z = U/I。
[0006]由于变电站、电厂环境中存在很强的50Hz干扰，最大可达数十伏。所以现场微弱的测试信号往往因干扰强烈而带来很大的误差甚至无法测量。目前常用的接地阻抗测量仪从测量原理上来说，分为如下几种:
[0007](I)直流小电流测试法:测试电流为mA级的直流电流。该方法优点是设备体积小，成本低，技术简单。缺点是从原理来说测得是直流电阻，而非阻抗。且测试电流很小，数据容易受到干扰而出现很大的偏差。
[0008](2)高频交流小电流测试法:仪器输出IOOHz以上的交流小电流进行测量。该方法优点同直流小电流测试法。缺点是与50Hz工频阻抗等效性不够好，强干扰下数据不准确。
[0009](3)工频大电流法:利用大容量调压器和隔离变压器，对地网注入50A以上的大电流，使得地网的电位变化足够明显。该方法优点是测试电流较大，电位变化较明显便于测量。缺点是测试电流与现场的50Hz干扰同频，测试信号与干扰信号无法分离。
[0010](4)异频小电流法:异频小电流法采用变频技术，对地网注入I?5A异频小电流，然后采用基于硬件电路的滤波技术，滤除部分50Hz干扰。该方法大大提高了测量准确性和抗干扰能力，逐步成为大型地网测试的主要装备。
[0011]但异频小电流法在测试一些大型、超大型地网时，一方面由于地网本身的接地阻抗较小，注入I?5A电流时，所引起的电位升仅为0.1?2V左右，另一方面现场强烈的50Hz干扰可达数十伏；而仪器的抗干扰能力不足在如此低的信噪比下准确测量。所以在针对干扰较强的大型地网时，该方法仍然存在一定的不足。
[0012]综合以上几种方法的优缺点，本实用新型提出了一种新型智能变频大电流接地阻抗测量仪，采用变频和选频测量方法，可排除现场50Hz的干扰影响；同时仪器输出5?50A大电流测试，大大提高信噪比；可达到在强烈干扰下，准确测量接地阻抗很小的大型地网的目的。
[0013]为达到以上目的，本实用新型采用模块化设计，将仪器的各个功能分解为各个相对独立又相互关联的模块，由中央处理单元来控制协调各模块之间的功能和输入输出。
[0014]变频测试法要达到不受干扰准确测量这个最终目的，涉及两个方面的技术:变频和选频。变频是需要将50Hz的市电电源转变成电压和频率均可调的正弦波变频电源，选频则是需要在现场各种复杂的干扰中将变频后的微弱信号提取出来，并进行准确测量。变频信号源作为“源-表”测量系统中的源，不涉及测量和计算结果的输出。同时其一般都通过隔离变压器与外界干扰隔离，不易受干扰影响。其难点在于如何在较小的体积和重量下，产生大功率的正弦波变频信号。以往要获得正弦波变频信号，一般都采用晶体管线性放大方式，该方式转化的效率较低，体积和重量较大，所以测试仪器无法输出很大的测试电流。本实用新型采用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率器件。IGBT是由BJT (双极型三极管)和MOS (绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点，可在很小的体积内实现大功率逆变。
[0015]选频技术相对而言要复杂很多，目的是在各种复杂的干扰情况下，分离出微弱的变频信号并进行测量输出结果。往往是干扰信号比有用的变频信号幅值强数倍至数十倍，有用的变频信号被“淹没”在各种干扰信号里。而且所测的信号里包括了工频干扰、高频干扰、谐波干扰，再叠加上变频信号，波形已变得杂乱无章复杂多变无明确规律，要在这样杂乱复杂的波形里还原提取出有用的微弱信号还要准确测量，难度很大。而且测试频率和干扰频率越近，选频的难度就越大。显然，选频技术直接关系着成套变频测量系统结果的准确性，是成套系统能否达到排除干扰准确测量这个最终目的的关键技术，是成套系统的技术瓶颈。以往异频接地电阻测试仪选频电路的核心均基于硬件滤波电路，硬件滤波电路具有结构简单，成本低廉，响应快速等优点，但也存在着干扰抑制能力较弱，误差较大等问题。为解决上述问题，本实用新型采用基于波形软件频谱分析的方法，核心选频滤波系统采用软硬件结合的方法，大大提高了抗干扰能力，可满足在很强的干扰下测量微弱的信号。
实用新型内容
[0016]本实用新型提供一种新型智能变频大电流接地阻抗测量仪，目的在于克服目前现有技术中的不足，设计一种能输出变频大电流的接地阻抗测量仪。该接地阻抗测量仪集成了大功率正弦波变频电源，选频电压测量，选频电流测量和数据运算功能，在测量大型地网时可产生5-50A的变频大电流，同时采用软硬件结合的数字式选频滤波技术，大大提高了现场测量精度和准确性。
[0017]为解决上述问题，本实用新型采用如下技术方案:一种新型智能变频大电流接地阻抗测量仪，包括电源输入端子、缓启动电路、整流滤波单元、逆变单元、隔离输出单元、电流互感器、选频电流采样单元、选频电压采样单元、中央处理单元、用户操作单元、显示单元、打印机、存储单元、变频输出端子、电压测量端子。[0018]电源输入端子经过缓启动电路后连到整流滤波单元，将交流变为平滑的直流输出到逆变单元，转换为45-55HZ的变频信号，然后经隔离单元隔离后连接到变频信号输出端子，该接地阻抗测量仪采用内含选频电流采样单元，可排除强烈的50Hz干扰，准确测量出45-55HZ之间选定频率下的电流信号；该接地阻抗测量仪采用内含选频电压采样单元，可排除强烈的50Hz干扰，准确测量出45-55HZ之间选定频率下的电压信号。
[0019]电流互感器穿在变频输出端子之前，电流互感器的输出连到选频电流采样单元，选频电流采样单元还连到中央处理单元。电压测量端子连到选频电压测量单元，选频电压测量单元还连到中央处理单元。
[0020]中央处理单元还连着逆变单元、用户操作单元、显示单元、数据存储单元和打印机。
[0021]与现有技术相比，本实用新型的智能变频大电流接地阻抗测量仪具有如下优点:
(I)采用变频大电流法，将测试电流提高到原来的10倍，大大提高了信噪比。(2)采用软硬件结合的方式进行选频抗滤波，抗干扰能力大大提高。本实用新型可大大提高强干扰下大型地网接地阻抗的测量精度。
[0022]本实用新型在电气测量领域，特别是在强干扰背景下的大型地网测量领域有着广泛的应用前景和经济价值。
[0023]【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是本实用新型结构示意图。
[0025]【具体实施方式】
[0026]下面用最佳的实施例对本实用新型做详细的说明。
[0027]如图1所示，一种新型智能变频大电流接地阻抗测量仪，目的在于克服目前现有技术中的不足，设计一种能输出变频大电流的接地阻抗测量仪。该接地阻抗测量仪集成了大功率正弦波变频电源，选频电压测量，选频电流测量和数据运算功能，在测量大型地网时可产生5-50A的变频大电流，同时采用软硬件结合的数字式选频滤波技术，大大提高了现场测量精度和准确性。
[0028]为解决上述问题，本实用新型采用如下技术方案:一种新型智能变频大电流接地阻抗测量仪，包括电源输入端子、缓启动电路、整流滤波单元、逆变单元、隔离输出单元、电流互感器、选频电流采样单元、选频电压采样单元、中央处理单元、用户操作单元、显示单元、打印机、存储单元、变频输出端子、电压测量端子。
[0029]电源输入端子经过缓启动电路后连到整流滤波单元，将交流变为平滑的直流输出到逆变单元，转换为45-55HZ的变频信号，然后经隔离单元隔离后连接到变频信号输出端子，该接地阻抗测量仪采用内含选频电流采样单元，可排除强烈的50Hz干扰，准确测量出45-55HZ之间选定频率下的电流信号；该接地阻抗测量仪采用内含选频电压采样单元，可排除强烈的50Hz干扰，准确测量出45-55HZ之间选定频率下的电压信号。
[0030]电流互感器穿在变频输出端子之前，电流互感器的输出连到选频电流采样单元，选频电流采样单元还连到中央处理单元。电压测量端子连到选频电压测量单元，选频电压测量单元还连到中央处理单元。
[0031]中央处理单元还连着逆变单元、用户操作单元、显示单元、数据存储单元和打印机。[0032]本实用新型采用模块化的设计思想，将仪器各个功能分解一个个相对独立又相互关联的模块。在集成化的产品结构中，零部件的功能与产品功能是多对多的关系，这样导致某个零部件的设计更改会影响到产品的多个功能，也就会导致不确定范围的零部件的修改，同样为了实现产品的某项功能改善，也会导致很多零部件的修改。而在模块化的产品结构中，零部件的功能与产品功能是一对一的关系，这样对于零部件的更改和产品功能的改善不会造成其他零部件和功能的调整，也就是将产品的功能抽象与产品零部件的具体实现分离，模块自身的单独改变不会影响其他模块。仪器内部包含缓启动电路、整流滤波单元、逆变单元、隔离输出单元、电流互感器、选频电流采样单元、选频电压采样单元、中央处理单元、用户操作单元、显示单元、打印机、存储单元等。其中缓启动电路、整流滤波单元、逆变单元、隔离输出单元组成了一个正弦波变电电源电路，其输出参数由中央处理单元通过指令进行控制。电流互感器、选频电流采样单元可以完成选频电流测量功能，选频电压采样单元可完成电压测量功能。中央处理器处于系统的核心，控制协调各单元协调工作，同时完成运算，输出结果。这样的设计可以充分利用已有的成熟经验，模块和知识的重用可以大大降低设计成本，缩短了研发周期，保证了产品功能的顺利实现和可靠性。
[0033]本实用新型的缓启动电路由一个大功率充电电阻和大电流交流接触器构成，其中充电电阻并联在接触器常开触点的两端。仪器上电后，首先经过充电电阻，对后端的整流电路限流充电，经过一段时间后，后端的整流电路直流电压接近充满，由中央处理单元发出指令，控制接触器闭合，充电电阻退出工作。缓启动电路的目的是为了避免上电时大电流，避免对供电电源和仪器内部元件的冲击。整理滤波单元有整流桥和大容量的电解电容构成，将交流电源整流滤波成平滑的直流。后端的逆变单元核心为IGBT或IPM模块，由CPU控制，将整流逆变为电压和频率可控的变频交流信号。后端加上滤波电路，将输出变为光滑的变频正弦波信号，然后经过变压器隔离输出的变频输出端子。
[0034]选频电压测量功能由电压测量端子，量程自动切换电路，选频滤波电路，隔离放大电路，其电流测量功能前端电路由电流测量端子，电流互感器，量程自动切换单元，滤波单元，运算放大单元组成，电压测量端子的电压信号输入量程切换电路，量程切换电路接到滤波单元，滤波电路输出接到隔离放大电路，隔离放大电路输出连接到中央处理单元，由中央处理单元进行分析处理。电流测量端子的电流信号经过电流互感器输入到量程切换电路，量程切换电路输出接到滤波电路，滤波电路接到运算放大电路，运算放大电路输出连接到中央处理单元，由中央处理单元进行分析处理。显示单元、SD存储卡，打印机，菜单操作旋钮都连到中央处理单元。
[0035]电压量程切换电路由多个不同阻值的电阻串联而成，在不同的位置分出5个量程，分别对应20mV，200mV, 2V，20V, 200V量程。量程切换后电压送入滤波电路，信号由滤波电路送出，接到隔离放大器，由隔离放大器隔离后接到CPU的AD管脚，进行采样分析。
[0036]变频输出的导线穿过电流互感器，电流互感器感应出信号接到量程切换单元，量程切换由多个不同阻值的电阻串联而成，在不同的位置分出4个量程，分别对应20mA，200mA, 2k, 20A量程。CPU程序识别并自动控制切换对应的继电器，使得信号幅值大小在最佳的测量范围内。量程切换后电压送入滤波单元，信号由滤波单元送出，经过运放单元放大后接到中央处理单元的AD管脚，进行采样分析。
[0037]电压、电流信号分两路送入中央处理单元的不同的AD管脚，经过中央处理单元内置的AD转换电路进行高速采样模数转换，转换成程序可识别的数字信号。然后中央处理单元通过程序对波形进行分析运算，从复杂的波形中分离出选定频率的正弦波信号，可同时分离出指定频率下的电压，电流信号并计算出两者间的相位差。中央处理单元还可同时控制存储，打印，显示，菜单操作等功能。
[0038]上述的中央处理单元一般是一种具有特殊结构的微处理器，内部采用程序和数据分开的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，广泛采用流水线操作，提供特殊指令，可以用来快速地实现各种信号处理算法。根据数字信号处理的要求，CPU—般具有如下的一些主要特点:(1)在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。(2)程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。(3)片内具有快速RAM，通常可通过独立的数据总线在两块中同时访问。(4)具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。(5)快速的中断处理和硬件I/O支持。(6)具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。(7)可以并行执行多个操作。(8)支持流水线操作，使取指、译码和执行等操作可以重叠执行。
[0039]最后应说明的是:显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之中。
【权利要求】
1.一种新型智能变频大电流接地阻抗测量仪，其特征在于，包括电源输入端子、缓启动电路、整流滤波单元、逆变单元、隔离输出单元、电流互感器、选频电流采样单元、选频电压采样单元、中央处理单元、用户操作单元、显示单元、打印机、存储单元、变频输出端子、电压测量端子； 电源输入端子经过缓启动电路后连到整流滤波单元，将交流变为平滑的直流输出到逆变单元，转换为45-55HZ的变频信号，然后经隔离单元隔离后连接到变频信号输出端子；电流互感器穿在变频输出端子之前，电流互感器的输出连到选频电流采样单元，选频电流采样单元还连到中央处理单元，电压测量端子连到选频电压测量单元，选频电压测量单元还连到中央处理单元； 中央处理单元还连着逆变单元、用户操作单元、显示单元、数据存储单元和打印机。
2.如权利要求1所述新型智能变频大电流接地阻抗测量仪，其特征在于，其中的逆变单元采用IGBT作为功率器件。
【文档编号】G01R27/20GK203572883SQ201320257569
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2013年5月13日 优先权日:2013年5月13日
【发明者】李谦, 王东烨, 肖磊石, 邵健康 申请人:上海大帆电气设备有限公司, 广东电网公司电力科学研究院