互相关技术在钳口法接地电阻检测中的应用

余为清

（华东交通大学载运工具与装备省部共建教育部重点实验室，江西南昌330013）

建筑物防雷网通过引线引入大地，防雷网与大地之间的接地电阻，直接关系到防雷的效果，为此，应定期对接地电阻进行检测。钳口法作为一种新型的免地桩接地电阻检测方法，具有施工简便，测试效率高等突出优点，在日常巡检或对重点单位接地电阻连续在线监测方面有着广泛的应用，检测结果可以作为数据参考，以及时发现接地问题，报告气象部门进行精确检定。钳口法是利用互感原理而工作的，仪器回检的信号非常微弱，且伴随大量的噪声信号，如何有效提取有用的感应信号，抑制噪声是提高钳口法检测精度所面临的主要问题，目前，异频法通过信号放大、滤波、频谱分析及复阻抗计算等方法可以有效削弱工频的干扰。提高接地电阻测量仪的抗干扰性，为了避开某些固定频率的干扰，部分接地电阻检测仪具备自动变频能力[1-2]。

1 钳口法接地电阻检测原理

钳口法测量接地电阻是基于法拉第电磁感应原理工作的。钳口法适用于检测有多条接地线的建筑物防雷接地电阻。检测原理如图1。钳口法一般采用电压钳口与电流钳口的双钳结构，电压钳口将激励信号耦合到接地网，电流钳口对回路中的电流进行检测一。常见工频测量接地电阻的方法，由于接地网中，除有较大的功率零序电流外还有较大的谐波电流，传统的工频测量难以消除[3-4]。

图1 钳口法测量原理图Fig.1 The schematic diagram of clamping measurement

式中：e为电压互感器激励电压，k1是由于磁场泄露等造成的损失系数。闭合回路内将产生感应电流I

该电流同时形成同频感应磁场，电流互感器上感应到该磁场后，产生感应电流i

式中：Ni为电流互感器的线圈匝数，k2为由于磁场泄露造成的损失系数。当电压互感器及电流互感器的物理结构固定后，k1，k2为常数，可由实验法测量得到。由于Rz<

可以看到，电压互感器的激励电压e可以被A/D变换器直接采样测量，但感应电流i十分微弱，且往往是伴随大量的噪声的周期信号，为此必须对感应电流信号进行分离噪声的处理。

3 信号的互相关分析

对于伴有噪声的周期信号[5]

其中：S(t)为有用信号；其幅值为A；角频率为ω；初相角ϕ；N(t)为随机噪声。为X(t)提供一个同频的简谐信号Y(t)作为参考

其中：B为同频简谐信号幅值；τ是时间延迟，则两者的互相关函数为

综上所述，瘦素可通过多种途径影响水生动物代谢、生长发育和繁殖，机理复杂。但目前我们对此研究和理解有限。今后应多学科结合，综合运用现代分子生物学技术，深入研究瘦素对水生动物代谢、生长发育和繁殖的影响及其机理，同时应用瘦素调控水生动物代谢、生长发育和繁殖，促进水产业的高效生产，提高社会效益和经济效益。今后特别应注意下述研究：①探讨相关研究技术，为深入研究提供先进的技术保障。②进一步研究不同水生动物瘦素及其功能。③水生动物瘦素的作用机理，尤其是瘦素-受体复合体及其信号通路。④不同水生动物瘦素基因、受体的分布及克隆。⑤影响水生动物瘦素基因表达的因素及调控机制。⑥实际应用研究。

RNY(τ)是N(t)与Y(t)的互相关函数。由于Y(t)与N(t)互不相关（不同频情况下），所以RNY一项为零，这样

由此可见，两个均值为0，且具有相同频率的周期信号，其互相关函数中反映了各自的幅值信息和相位信息[6]，而噪声对互相关的输出没有贡献，可以大幅度的削弱噪声的影响。由电磁感应定律可知，电压钳口的激励电压e与电流钳口的检测电流i具有同频的性质，可以通过信号的互相关运算，抑制噪声，提取有用信号。

4 互相关分析的硬件实现

对于存在噪声的非周期信号，一般采用带宽压缩法抑制噪声，对于存在噪声的周期信号，采用频域窄带化处理的方法更为有效[7-8]。利用集成锁相放大器芯片AD630可以实现频域窄带化处理，实质就是一个高品质因素的滤波器。

锁相放大器实际就是一个模拟的傅立叶变换器，相敏检波器是锁相放大器的核心，由相敏检波器完成互相关运算中的相乘运算。

设输入信号为Us=Essin(2πf1t+ϕ1)，参考信号为，那么

图2 互相关运算乘法电路Fig.2 The multiplying circuit of cross correlating operation

相敏检波器的输出包含着两个信号的和频与差频分量，当Us与Uc同频时，这时候差频分量为0，该项变成了相敏直流分量输出，当两信号相位差为0时有最大输出，当两个信号正交时，输出为0；和频分量成为倍频信号，可以通过低通滤波器将倍频信号滤除。

接地电阻检测仪信号处理简图如图3。

为避开工频干扰，ML2035 DDFS芯片产生异于工频及其高次谐波的正弦信号，信号频率为63 Hz。该信号一路经过AP功率放大后，驱动电压钳口，电流钳口的回检电流经过I/V变换后，经过LPF1低通滤波器后进入AD630，I/V变换系数为kI/V。由ML2035取出的信号经过移相器后，作为AD630的参考信号，AD630的输出信号经过低通滤波器LPF2后为直流信号，方便了微控制器的采样处理，由于ML2035工作在稳压模式下，可以稳定输出5 V的正弦信号，能够保证参考信号的稳定。

图3 接地电阻检测仪信号处理简图Fig.3 The signal processing diagram of grounding resistance detector

由电磁感应定律知，电流钳口能够感应出与ML2035发出信号同频的电流信号。AD630的两个输入信号具有同频的特点，为防止由于电路中存在的电容、电感的影响导致两信号产生正交，设置一个移相器，对ML2035提供的参考信号相位进行调整。

5 接地电阻检测仪的标定

由信号处理简图知

其中：k3是功率放大器的放大倍数，可以被测量；UML2035为ML2035输出电压。

以模拟接地回路中串接标准电阻的方法，调整移相器，使得AD630的输出最大，此时输入AD630的两路信号相位差为零，AD630的输出电压为，可以送微控制器进行采样。

根据式（4）（6）（7）（8）可得：

则接地电阻为

简记

式中：Ks为待定系数，通过标准电阻，以实验法对该系数进行标定。标定完成后，通过测量值，即可计算出待测接地电阻Rx。为进一步提高检测精度，可以加入温度补偿。考虑到不同材料的接地线，具有不同的电阻温度系数，而温度的影响对接地电阻检测结果影响并不大，为简化硬件及软件设计，未做温度补偿。

利用互相关法在实验室条件下对仪器进行检测。测试设备：FLUCK17B万用表、精密电阻电桥测量仪、精密电阻、电磁藕荷线圈及信号发生器。实验方法：利用导线串入待测电阻，模拟接地回路。由电磁耦合线圈对回路施加干扰，第一次加入干扰频率50 Hz，第二次150 Hz，第三次3 000 Hz。测试结果如表1所示。

表1 实验室条件下电阻测试结果Tab.2 The test results of resistance under laboratory conditions

对某一建筑物六根接地线的接地电阻检测结果对比见表2。

表2 接地电阻检测结果Tab.2 Results of grounding resistance testing Ω

从检测结果看，采用互相关处理后，接地电阻检测结果与摇表法的测量值很接近，具有较高的检测精度，能够满足接地电阻巡检精度要求。

6 结束语

论述了钳口法接地电阻测量以及信号互相关处理的的原理。以锁相放大芯片AD630为核心设计了接地电阻检测仪的信号处理电路，能够从复杂噪声环境下，有效提取接地回路的感应电流信号，提高了测量的准确度。在仪器标定过程中，以纯电阻代替接地电阻，而实际接地网络的电感及电容，会导致信号相位产生一定程度的改变，对检测结果产生影响，需要进一步研究。

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