输电线路杆塔接地电阻测量装置设计
2024-03-20虞晓磊汤向华施雄杰
虞晓磊,汤向华,施雄杰,王 悦
(国家电网江苏南通供电公司 海门区供电分公司,江苏 南通 226100)
0 引言
输电线路杆塔接地电阻作为检查输电线路运行状态的一个重要指标,每年雷季来临之前需进行一次全面检测,合格的接地电阻能有效降低雷击线路跳闸故障的发生[1-3]。
目前,针对运行中的输电线路普遍采用钳形接地电阻测试仪进行测量,该方法存在以下2个问题[4-5]。一是钳形接地电阻测试仪在测量多接地引下线杆塔的接地电阻时,除待测接地引下线外,其余接地引下线均需解开,这样的测量方式对比原有的单引下线铁塔测量过程,测量时间从原本的30 s陡增至10 min[6-8]。二是在钳形接地电阻测试仪检测过程中,频繁地解开接地引下线不利于接地通道的通畅,且对接地极解开后的恢复状态不能进行有效监测,无法实现对接地电阻测量工作的全过程管控[9-10]。
因此,有必要对杆塔的接地电阻测量进行技术革新,用一种新的方法来替代传统的测量技术,该方法可不解开接地引下线即可测量杆塔的接地电阻,能极大地提高工作效率。
1 新型输电线路接地电阻测量装置原理
本文设计了一套输电线路杆塔接地电阻测量装置,针对现有测量仪器的2个短板进行优化。一是实现多接地引下线杆塔在不解头的情况下能准确测量每一个接地引下线的电阻值。二是实现接地电阻测量工作的全过程管控,避免测量过程中因人员安装不到位而引起接地通道不通畅的问题。经过初步分析,不断开接地引下线输电线路的等效电路模型如图1所示,简化模型如图2所示。
图1 输电线路的等效电路模型
图2 输电线路的简化模型
对于图2所示的输电线路,通过给被测输电电路施加激励电压U,感应出相应的电流I,那么输电线路的接地电阻Ra为:
(1)
其中,Rx为被测输电线路的接地电阻;Rxi(i=1,2,…,n)为其他输电线路的接地电阻,随着Rxi的增加,Ra越接近Rx。
利用双钳法测量输电线路接地电阻的原理如图3所示,电压钳口作为变压器的原边,电流钳口作为变压器的副边。
图3 接地电阻测量原理
电压钳口的激励电压E在被测输电线路感应出电势e,电势e在测量输电线路上产生感应电流i,感应电流i在电流钳口上产生一个感应电流I,那么被测输电线路的接地电阻为:
(2)
其中,n1和n2分别为电压和电流钳口的匝比。
2 接地电阻测量装置的硬件设计
为实现输电线路杆塔接地电阻测量的功能,本测量装置主要由单片机系统模块、激励信号发生模块、电压偏移模块、功率放大模块、分压模块、前置放大模块、滤波器模块和有效值检测模块等组成,测量装置还具备按键控制和LED显示等功能。新型输电线路接地电阻测量装置的硬件系统组成及其工作原理如图4所示。
图4 接地电阻测量仪器的硬件系统架构
2.1 单片机系统模块
单片机系统型号为TMS320F28835,频率为150 MHz。TMS320F28835系统具有丰富的外设资源,包含AD、PWM、DA和SPI等模块,可工作于强电磁干扰环境。
2.2 激励电压发生模块
激励电压发生模块采用AD9833,可以通过3个串行接口将数据写入AD9833。为了使AD9833激励出128 Hz的正弦波,将DSP28335的SPI接口与AD9833相连,具体连接接线为: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产生的正弦电压信号电压为5 V,频率为128 Hz。
2.3 电压偏移模块
考虑AD9833模块输出的电压为0～5 V,而施加到功率放大电路输入端的信号应该为双极性。为此,需要在AD9833模块的输出电压基础上,叠加偏执电压,可将正弦电压调理到-1～1 V。
2.4 功率放大模块
功率放大模块采用BUF634,其是一种高速开环单位增益缓冲器。高性能的视频带宽放大器AD811作为主控芯片,后级连接高速放大器BUF634起到缓冲作用,可提高BUF634模块的带负载能力。通过BUF634模块对激励电压发生器的正弦信号进行放大,BUF634模块输出的正弦信号的电压幅值为28 V,频率为128 Hz。
2.5 电压测量模块
考虑BUF634模块在接电压钳之后,BUF634的输出电压会受负载影响而发生变换,为此,利用电压互感器模块来精确测量电压钳两端电压。电压互感器模块由板载精密微型电压互感器ZMPT101B和板载高精度运算放大器LM358组成。ZMPT101B利用电磁感应原理将高电压转换成低电压,LM358对降压后的信号做精确采样和适当补偿。
2.6 前置放大模块
当电压钳发出一个正弦电压信号,电流钳会感应出一个微弱的正弦电流信号,为此需要前置放大模块将微弱的电流信号转换成可供AD转换的电压信号。前置放大模块可将0～20 mA的电流信号转换成0～3.3 V的电压信号。
2.7 有源滤波模块
为了排除低频和高频干扰信号对进入DSP28335的AD端口的影响,采用UAF42有源滤波器模块对采集的电流信号进行滤波。UAF42有源滤波器模块集成了低通、高通和带通滤波功能,可实现精确的频率和Q值。
2.8 有效值检测模块
为了快速检测正弦电压和正弦电流信号的有效值,采用AD637有效值检波器模块对电压互感器输出的电压信号和UAF42有源滤波模块输出的电压信号进行处理,有效值识别精度在0.000 1 Vrms,避免了烦琐的软件程序设计。
2.9 电压和电流钳口
电压和电流钳口都采用电流探头,采用夹钳形结构设计,钳口直径50 mm,方便取放。电流探头是一种高精度交流电流变换器,其原副匝比为1 000∶1,测量精度保持在0.2%以内。
3 接地电阻测量装置的软件设计
新型输电线路接地电阻装置的软件工作流程如图5所示。首先,DSP28335系统要进行开机自检和系统初始化;接着,判断是否有测试指令按下,如果无继续等待,如果有测试指令,那么DSP28335通过SPI给激励电压发生器(AD9833模块)发送指令,AD9833模块产生正弦电压信号,BUF634模块对正弦电压信号进行放大,施加至电压钳口;之后,对电压和电流信号进行采集和数据处理;最后,计算接地电阻和结果显示。
图5 系统的工作流程
4 接地电阻测量装置测试
结合新型输电线路接地电阻测量装置的硬件和软件设计,搭建如图6所示的接地电阻测量装置的实验平台。其中:1为DSP28335开发板,2为DSP下载器,3为AD9833模块,4为电压偏移模块,5为BUF634模块,6为电压测量模块,7为前置放大模块,8为UAF42有源滤波模块,9为AD637有效值滤波器模块,10为精密电阻,11为电压钳口,12为电流钳口。
图6 接地电阻测量平台
为了验证所设计的新型输电线路接地电阻测量装置的有效性,利用1～5 Ω的精密电阻进行测试,实验结果如表1所示。所开发测量装置的测量值与精密电阻实际值相接近,两者误差分析在3%以内。
表1 接地电阻测量结果
5 结语
本文设计了一种新型输电线路杆塔接地电阻测量装置,该装置采用双钳法对接地电阻进行测量,可以在不解开接地引下线即可测量杆塔的接地电阻。在分析新型输电线路接地电阻测量装置原理的基础上,对接地电阻测量装置的硬件和软件进行设计,利用精密电阻对所开发测量装置进行测试,所开发测量装置测量值与精密电阻实际值误差在3%以内。下一步对接地电阻测量装置的硬件系统进行升级,使测量装置更微型化和轻量化,方便变电运维人员使用。
