虞曉磊,湯向華,施雄杰,王 悅

(國(guó)家電網(wǎng)江蘇南通供電公司 海門(mén)區(qū)供電分公司,江蘇 南通 226100)

0 引言

輸電線(xiàn)路桿塔接地電阻作為檢查輸電線(xiàn)路運(yùn)行狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo),每年雷季來(lái)臨之前需進(jìn)行一次全面檢測(cè),合格的接地電阻能有效降低雷擊線(xiàn)路跳閘故障的發(fā)生[1-3]。

目前,針對(duì)運(yùn)行中的輸電線(xiàn)路普遍采用鉗形接地電阻測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)量,該方法存在以下2個(gè)問(wèn)題[4-5]。一是鉗形接地電阻測(cè)試儀在測(cè)量多接地引下線(xiàn)桿塔的接地電阻時(shí),除待測(cè)接地引下線(xiàn)外,其余接地引下線(xiàn)均需解開(kāi),這樣的測(cè)量方式對(duì)比原有的單引下線(xiàn)鐵塔測(cè)量過(guò)程,測(cè)量時(shí)間從原本的30 s陡增至10 min[6-8]。二是在鉗形接地電阻測(cè)試儀檢測(cè)過(guò)程中,頻繁地解開(kāi)接地引下線(xiàn)不利于接地通道的通暢,且對(duì)接地極解開(kāi)后的恢復(fù)狀態(tài)不能進(jìn)行有效監(jiān)測(cè),無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)接地電阻測(cè)量工作的全過(guò)程管控[9-10]。

因此,有必要對(duì)桿塔的接地電阻測(cè)量進(jìn)行技術(shù)革新,用一種新的方法來(lái)替代傳統(tǒng)的測(cè)量技術(shù),該方法可不解開(kāi)接地引下線(xiàn)即可測(cè)量桿塔的接地電阻,能極大地提高工作效率。

1 新型輸電線(xiàn)路接地電阻測(cè)量裝置原理

本文設(shè)計(jì)了一套輸電線(xiàn)路桿塔接地電阻測(cè)量裝置,針對(duì)現(xiàn)有測(cè)量?jī)x器的2個(gè)短板進(jìn)行優(yōu)化。一是實(shí)現(xiàn)多接地引下線(xiàn)桿塔在不解頭的情況下能準(zhǔn)確測(cè)量每一個(gè)接地引下線(xiàn)的電阻值。二是實(shí)現(xiàn)接地電阻測(cè)量工作的全過(guò)程管控,避免測(cè)量過(guò)程中因人員安裝不到位而引起接地通道不通暢的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)初步分析,不斷開(kāi)接地引下線(xiàn)輸電線(xiàn)路的等效電路模型如圖1所示,簡(jiǎn)化模型如圖2所示。

圖1 輸電線(xiàn)路的等效電路模型

圖2 輸電線(xiàn)路的簡(jiǎn)化模型

對(duì)于圖2所示的輸電線(xiàn)路,通過(guò)給被測(cè)輸電電路施加激勵(lì)電壓U,感應(yīng)出相應(yīng)的電流I,那么輸電線(xiàn)路的接地電阻Ra為:

(1)

其中,Rx為被測(cè)輸電線(xiàn)路的接地電阻;Rxi(i=1,2,…,n)為其他輸電線(xiàn)路的接地電阻,隨著Rxi的增加,Ra越接近Rx。

利用雙鉗法測(cè)量輸電線(xiàn)路接地電阻的原理如圖3所示,電壓鉗口作為變壓器的原邊,電流鉗口作為變壓器的副邊。

圖3 接地電阻測(cè)量原理

電壓鉗口的激勵(lì)電壓E在被測(cè)輸電線(xiàn)路感應(yīng)出電勢(shì)e,電勢(shì)e在測(cè)量輸電線(xiàn)路上產(chǎn)生感應(yīng)電流i,感應(yīng)電流i在電流鉗口上產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電流I,那么被測(cè)輸電線(xiàn)路的接地電阻為:

(2)

其中,n1和n2分別為電壓和電流鉗口的匝比。

2 接地電阻測(cè)量裝置的硬件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)輸電線(xiàn)路桿塔接地電阻測(cè)量的功能,本測(cè)量裝置主要由單片機(jī)系統(tǒng)模塊、激勵(lì)信號(hào)發(fā)生模塊、電壓偏移模塊、功率放大模塊、分壓模塊、前置放大模塊、濾波器模塊和有效值檢測(cè)模塊等組成,測(cè)量裝置還具備按鍵控制和LED顯示等功能。新型輸電線(xiàn)路接地電阻測(cè)量裝置的硬件系統(tǒng)組成及其工作原理如圖4所示。

圖4 接地電阻測(cè)量?jī)x器的硬件系統(tǒng)架構(gòu)

2.1 單片機(jī)系統(tǒng)模塊

單片機(jī)系統(tǒng)型號(hào)為T(mén)MS320F28835,頻率為150 MHz。TMS320F28835系統(tǒng)具有豐富的外設(shè)資源,包含AD、PWM、DA和SPI等模塊,可工作于強(qiáng)電磁干擾環(huán)境。

2.2 激勵(lì)電壓發(fā)生模塊

激勵(lì)電壓發(fā)生模塊采用AD9833,可以通過(guò)3個(gè)串行接口將數(shù)據(jù)寫(xiě)入AD9833。為了使AD9833激勵(lì)出128 Hz的正弦波,將DSP28335的SPI接口與AD9833相連,具體連接接線(xiàn)為:DSP28335的SPISTE端口接AD9833的端口FSYNC、DSP28335的SPLCLK端口接AD9833的端口SCLK、DSP28335的SPLSIMO端口接AD9833的端口SDATA、DSP28335的SPLSOMI端口接AD9833的端口CS。DSP28335和AD9833產(chǎn)生的正弦電壓信號(hào)電壓為5 V,頻率為128 Hz。

2.3 電壓偏移模塊

考慮AD9833模塊輸出的電壓為0～5 V,而施加到功率放大電路輸入端的信號(hào)應(yīng)該為雙極性。為此,需要在AD9833模塊的輸出電壓基礎(chǔ)上,疊加偏執(zhí)電壓,可將正弦電壓調(diào)理到-1～1 V。

2.4 功率放大模塊

功率放大模塊采用BUF634,其是一種高速開(kāi)環(huán)單位增益緩沖器。高性能的視頻帶寬放大器AD811作為主控芯片,后級(jí)連接高速放大器BUF634起到緩沖作用,可提高BUF634模塊的帶負(fù)載能力。通過(guò)BUF634模塊對(duì)激勵(lì)電壓發(fā)生器的正弦信號(hào)進(jìn)行放大,BUF634模塊輸出的正弦信號(hào)的電壓幅值為28 V,頻率為128 Hz。

2.5 電壓測(cè)量模塊

考慮BUF634模塊在接電壓鉗之后,BUF634的輸出電壓會(huì)受負(fù)載影響而發(fā)生變換,為此,利用電壓互感器模塊來(lái)精確測(cè)量電壓鉗兩端電壓。電壓互感器模塊由板載精密微型電壓互感器ZMPT101B和板載高精度運(yùn)算放大器LM358組成。ZMPT101B利用電磁感應(yīng)原理將高電壓轉(zhuǎn)換成低電壓,LM358對(duì)降壓后的信號(hào)做精確采樣和適當(dāng)補(bǔ)償。

2.6 前置放大模塊

當(dāng)電壓鉗發(fā)出一個(gè)正弦電壓信號(hào),電流鉗會(huì)感應(yīng)出一個(gè)微弱的正弦電流信號(hào),為此需要前置放大模塊將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成可供AD轉(zhuǎn)換的電壓信號(hào)。前置放大模塊可將0～20 mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～3.3 V的電壓信號(hào)。

2.7 有源濾波模塊

為了排除低頻和高頻干擾信號(hào)對(duì)進(jìn)入DSP28335的AD端口的影響,采用UAF42有源濾波器模塊對(duì)采集的電流信號(hào)進(jìn)行濾波。UAF42有源濾波器模塊集成了低通、高通和帶通濾波功能,可實(shí)現(xiàn)精確的頻率和Q值。

2.8 有效值檢測(cè)模塊

為了快速檢測(cè)正弦電壓和正弦電流信號(hào)的有效值,采用AD637有效值檢波器模塊對(duì)電壓互感器輸出的電壓信號(hào)和UAF42有源濾波模塊輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行處理,有效值識(shí)別精度在0.000 1 Vrms,避免了煩瑣的軟件程序設(shè)計(jì)。

2.9 電壓和電流鉗口

電壓和電流鉗口都采用電流探頭,采用夾鉗形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),鉗口直徑50 mm,方便取放。電流探頭是一種高精度交流電流變換器,其原副匝比為1 000∶1,測(cè)量精度保持在0.2%以?xún)?nèi)。

3 接地電阻測(cè)量裝置的軟件設(shè)計(jì)

新型輸電線(xiàn)路接地電阻裝置的軟件工作流程如圖5所示。首先,DSP28335系統(tǒng)要進(jìn)行開(kāi)機(jī)自檢和系統(tǒng)初始化;接著,判斷是否有測(cè)試指令按下,如果無(wú)繼續(xù)等待,如果有測(cè)試指令,那么DSP28335通過(guò)SPI給激勵(lì)電壓發(fā)生器(AD9833模塊)發(fā)送指令,AD9833模塊產(chǎn)生正弦電壓信號(hào),BUF634模塊對(duì)正弦電壓信號(hào)進(jìn)行放大,施加至電壓鉗口;之后,對(duì)電壓和電流信號(hào)進(jìn)行采集和數(shù)據(jù)處理;最后,計(jì)算接地電阻和結(jié)果顯示。

圖5 系統(tǒng)的工作流程

4 接地電阻測(cè)量裝置測(cè)試

結(jié)合新型輸電線(xiàn)路接地電阻測(cè)量裝置的硬件和軟件設(shè)計(jì),搭建如圖6所示的接地電阻測(cè)量裝置的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。其中:1為DSP28335開(kāi)發(fā)板,2為DSP下載器,3為AD9833模塊,4為電壓偏移模塊,5為BUF634模塊,6為電壓測(cè)量模塊,7為前置放大模塊,8為UAF42有源濾波模塊,9為AD637有效值濾波器模塊,10為精密電阻,11為電壓鉗口,12為電流鉗口。

圖6 接地電阻測(cè)量平臺(tái)

為了驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的新型輸電線(xiàn)路接地電阻測(cè)量裝置的有效性,利用1～5 Ω的精密電阻進(jìn)行測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。所開(kāi)發(fā)測(cè)量裝置的測(cè)量值與精密電阻實(shí)際值相接近,兩者誤差分析在3%以?xún)?nèi)。

表1 接地電阻測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型輸電線(xiàn)路桿塔接地電阻測(cè)量裝置,該裝置采用雙鉗法對(duì)接地電阻進(jìn)行測(cè)量,可以在不解開(kāi)接地引下線(xiàn)即可測(cè)量桿塔的接地電阻。在分析新型輸電線(xiàn)路接地電阻測(cè)量裝置原理的基礎(chǔ)上,對(duì)接地電阻測(cè)量裝置的硬件和軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),利用精密電阻對(duì)所開(kāi)發(fā)測(cè)量裝置進(jìn)行測(cè)試,所開(kāi)發(fā)測(cè)量裝置測(cè)量值與精密電阻實(shí)際值誤差在3%以?xún)?nèi)。下一步對(duì)接地電阻測(cè)量裝置的硬件系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí),使測(cè)量裝置更微型化和輕量化,方便變電運(yùn)維人員使用。