劉斌

（重慶市電力公司永川供電局，重慶 402160）

引言

發(fā)變電站接地網(wǎng)接地電阻值是發(fā)變電站接地系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)，它是確認(rèn)接地系統(tǒng)的有效性、安全性以及鑒定系統(tǒng)是否符合設(shè)計(jì)要求的重要參數(shù)，也是檢驗(yàn)接地網(wǎng)在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，能否發(fā)揮其安全保障作用的重要措施。目前的測(cè)量方法有工頻大電流法、倒相法以及異頻法，前者在外界工頻干擾嚴(yán)重時(shí)測(cè)量誤差大，且設(shè)備笨重、危險(xiǎn)性高；倒相法要求試驗(yàn)、干擾信號(hào)均為理想的工頻正弦波，倒相前后干擾信號(hào)不變，且忽略了諧波及其他高次雜波的干擾，因此測(cè)量效果不理想；異頻法因其測(cè)試電流小且試驗(yàn)信號(hào)頻率偏離T頻干擾，易通過(guò)信號(hào)處理消除外界干擾，系統(tǒng)測(cè)量精度高。

1 變頻測(cè)量原理

1.1 變頻測(cè)量方法

變頻測(cè)量方法及等效電路如圖1所示。為了便于表達(dá)，分別用RG、RC、RL表示接地網(wǎng)

圖1 變頻測(cè)量等效電路

等效電阻、電流極等效電阻、引線等效電阻，u＇(t)表示因系統(tǒng)不平衡電流流過(guò)接地網(wǎng)而產(chǎn)生的干擾電壓，假設(shè)變頻電源輸出電流為is(t)=I0sin(2?！襰+a)，在接地等效電阻上產(chǎn)生電壓uG(t)=is(t)RG×sin(2?！襰+a)，并設(shè)干擾信號(hào)頻率為∫0、∫1、···、∫N，則在接地網(wǎng)上形成的干擾電壓為U＇mi、分別是頻率為∫i諧波的幅值與初始相位，則實(shí)際測(cè)量到的電壓信號(hào)u(t)和電流信號(hào)i(t)分別為

由此可見，傳感器采集的是干擾信號(hào)與有效信號(hào)疊加后的值，在初始相位未知的情況下很難進(jìn)行區(qū)別，因此提出了變頻測(cè)量法即通過(guò)調(diào)整電源輸出頻率以規(guī)避干擾頻譜 (∫≠∫i)的測(cè)量方法。

1.2 數(shù)字濾波原理

設(shè)采樣頻率為∫s，則信號(hào)，∫(t)經(jīng)過(guò)hn濾波器后將得到介于[0，?s/4]的低頻分量-近似部分，信號(hào)經(jīng)過(guò)gn。濾波器后將得到介于[∫s/4 ，∫s/2]的高頻分量-細(xì)節(jié)部分。再對(duì)近似部分進(jìn)行低通和高通濾波，則可以得到尺度2上的近似部分和細(xì)節(jié)部分，如此往復(fù)直至設(shè)定的分解截止頻率。Mallat分解算法如下：

重構(gòu)是分解的逆過(guò)程，其算法如下：

其中，Cj(n)、dj(n)分別是尺度 j上的近似部分、細(xì)節(jié)部分，k為濾波器長(zhǎng)度，當(dāng)j=O時(shí)C0(N)即為原始采樣信號(hào)。h(k-2n)、g(k-2n)分別為低通、高通分解濾波器參數(shù)，h軈 (k-2n)、g軃(k-2n)、分別為低通、高通重構(gòu)濾波器參數(shù)。

根據(jù)規(guī)范要求 (測(cè)量頻率宜在40～60Hz)，本系統(tǒng)設(shè)置最高信號(hào)采樣頻率為2400Hz，由香農(nóng)定理可知，信號(hào)最高頻率為1200Hz，利用Mallat算法選用db40小波對(duì)原始采樣數(shù)據(jù)即離散電壓序列.∫u(i)和電流序列∫u(n)(i=O，△T，2△T，∫，(N一1)△T)進(jìn)行5尺度分解，濾除大于75Hz的信號(hào)(即第l～4層的細(xì)節(jié)部分對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)置o)和小于37.5Hz的信號(hào)(即第5層的近似部分對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)置0)并進(jìn)行重構(gòu)即可以獲得頻率范同為37.5～75 Hz的離散電壓序列?u(n)和電流序列∫I(n)(n=0，△T，2△T，∫，(N～1)△T)。

1.3 接地電阻計(jì)算

在數(shù)字濾波的基礎(chǔ)上，對(duì)離散序列∫u(n)、∫I(n)，分別進(jìn)行DFT即可獲得電壓、電流的頻譜函數(shù)：

其中，k=0，1，2，?，N一 1，令 k=1 得電壓、電流的基波頻譜函數(shù)：

由電壓、電流基波頻譜函數(shù)即可獲得電壓與電流相位差：

電壓極電壓、電流極電流有效值：

接地阻抗和接地電阻分別為

2 接地電阻測(cè)量裝置

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)家電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) (交流電氣裝置的接地技術(shù)規(guī)程DL/T62-1997)，接地裝置工頻特性參數(shù)測(cè)量導(dǎo)則DL/T475-2006的規(guī)定，即"使用異頻電流法測(cè)量大型接地裝置的工頻特性參數(shù)，試驗(yàn)電流宜在3～20A，頻率宜在40～60Hz范同，異于工頻又盡量接近工頻，考慮到實(shí)際應(yīng)用中的具體情況，多功能接地電阻測(cè)量裝置提供了地網(wǎng)接地電阻、土壤電阻率、接地裝置連通電阻等測(cè)量功能，其總體框圖如圖2所示。

該系統(tǒng)由中央處理器CPU、信號(hào)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換模塊、調(diào)頻調(diào)壓SPWM模塊、IPM驅(qū)動(dòng)電路、AC-DC整流電路、DC-AC逆變電路、低通濾波回路、隔離變壓器、鍵盤電路、LCD顯示與智能微型打印機(jī)、電源監(jiān)控與復(fù)位電路組成。其中，由CPU負(fù)責(zé)掃描鍵盤信號(hào)，采集信號(hào)檢測(cè)與轉(zhuǎn)換模塊反饋的電壓極電壓、電流極注入電流及低通濾波器2的輸出電壓，用于接地電阻計(jì)算與顯示，實(shí)施系統(tǒng)軟件保護(hù)等；此外，微處理器根據(jù)選定的頻率點(diǎn)依次掃描(如44Hz、46Hz、54 Hz、56Hz4個(gè)頻點(diǎn))，通過(guò)自動(dòng)或手動(dòng)模式控制SPWM模塊按固定電壓步進(jìn)值和時(shí)間間隔輸出定頻調(diào)壓脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)DC-AC逆變電路輸出相應(yīng)頻率和幅值的交流信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)低通濾波器2及隔離變壓器施加到被測(cè)接地回路，直至預(yù)設(shè)定的電流等級(jí)，并記錄此時(shí)各頻率等級(jí)的電流極電流、電壓極電壓，以便最終計(jì)算50Hz所對(duì)應(yīng)的接地電阻(含電流極、電壓極引線間互感，當(dāng)兩引線間相距200m以上分開布置時(shí)，可有效減小引線間互感對(duì)接地電阻測(cè)量值的影響)。整機(jī)變頻電源頻率輸出范圍30～70 Hz，最大輸出電流10A，接地電阻測(cè)量范圍1 mΩ～99Ω，測(cè)量精度達(dá)1級(jí)。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖3 主程序框圖

在硬件平臺(tái)確定的基礎(chǔ)上，軟件是決定系統(tǒng)功能強(qiáng)弱的關(guān)鍵。在本次設(shè)計(jì)中，本著充分發(fā)揮硬件潛力、構(gòu)造完善功能的原則，采用結(jié)構(gòu)化軟件設(shè)計(jì)方法，按功能將程序劃分成初始化模塊、自檢模塊、默認(rèn)參數(shù)設(shè)置模塊、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置模塊、接地電阻測(cè)量模塊、土壤電阻率測(cè)量模塊、連通電阻測(cè)量模塊、顯示與打印模塊、鍵盤掃描模塊(自動(dòng)/手動(dòng)運(yùn)行、上/下、確認(rèn)、返回鍵以及頻率和電壓調(diào)節(jié)鍵)、中斷處理(外部事件觸發(fā)中斷、定時(shí)器中斷和軟計(jì)數(shù)器中斷)、數(shù)據(jù)處理等模塊。本文限于篇幅，僅給出系統(tǒng)主程序框圖如圖3所示。

結(jié)語(yǔ)

多功能接地電阻測(cè)量裝置基于變頻測(cè)量原理，通過(guò)注入較小的電流實(shí)施測(cè)量，降低了大電流測(cè)量的危險(xiǎn)性，減輕了設(shè)備重量，此外由于在系統(tǒng)中引入了數(shù)字濾波及離散傅里葉變換技術(shù)，有效地消除了接地網(wǎng)噪聲和諧波干擾，從而大幅提高了測(cè)量精度。該系統(tǒng)自試運(yùn)行以來(lái)，表明系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，性能穩(wěn)定可靠，達(dá)到了預(yù)定的技術(shù)指標(biāo)，且非常適合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。

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