基于钳表法的杆塔接地电阻测量系统设计

邓夙，方定展，田相鹏，廖红华

（湖北民族大学 智能科学与工程学院，湖北恩施，445000）

0 引言

现有杆塔接地电阻的测量方法主要有电位降法、三极法、高频并联法、异频法、大电流法和钳表法。电位降法[1]测量接地电阻需反复测量，工作量大，现场操作困难；三极法[2]测量必须断开接地引线，不能反应雷击时的杆塔实际接地电阻值，又实际中杆塔数量众多，断开接地引线测量大大增加了工作人员劳动强度，效率低下；高频并联法[3]没有综合考虑现场土壤性质、测量电流频率等因素对接地体电感效应所造成的测量结果影响，不能很好地适应现场情况；异频法是在三极法基础上注入非工频的信号实现接地电阻的测量，能有效消除工频干扰的影响，但是异频法仍属于离线测量方法，并且注入信号频率不能偏离工频 10 kHz 以上，否则将增大测量误差；大电流法在测量时需要向接地体中注入几十安培的电流，因而需要具有一定长度以及一定宽度的实验电流引线和相当容量的实验电流源，在实际测量中实现起来比较困难。钳表法[4]的最大特点是不必完全断开接地引线，只要钳住接地引线就能测出接地电阻值，具有快速测量、操作简单等优点。

总体来说，目前接地电阻测量方法均存在各自的不足，主要表现为：需要断开接地引线、限制条件多、误差较大、需要专人到现场测量等。为此，本文研制了一种基于钳表法杆塔接地电阻测量系统。该系统应用于多杆塔的接地电阻测量，系统安装完后，通过显示LCD读取接地电阻值，同时也可以通过手机APP连接设备，在手机APP上读取测量的接地电阻值。具有极大的便捷性。

1 系统架构设计

如图1所示为杆塔接地电阻测量实际电路模型，其中Rx为被测杆塔接地电阻；R1~Rn为其它杆塔接地电阻，运用钳表法测量接地电阻Rx的测量公式[5-6]如公式(1)所示。

图1 杆塔接地电阻测量原理示意图

由公式(1)可以知道，测量的电阻值Rloop为实际的待测电阻Rx与其他杆塔的接地电阻并联值。当杆塔数量较多时，多个杆塔的接地电阻的并联值远小于待测电阻Rx，在一定误差要求下，可以认为测量的电阻Rloop为杆塔的接地电阻Rx。

如图2所示为本系统的硬件电路结构示意图。在待测电阻Rx组成的环路中，电压互感器线圈在环路中感应出电动势，该电动势在测量环路中产生感应电流，该电流被电流互感器线圈测量。因此根据感应电压与测量的感应电流，就可以计算出待测电阻Rx。电压互感器的激励信号由MCU产生一个一定频率的正弦信号，该正弦信号经过功率放大后驱动电压互感器线圈。电流检测电路主要由信号放大电路和整流滤波电路构成。经过MCU计算后的测量电阻值可以在OLED显示屏上显示，另外，还可以在手机APP上通过蓝牙通信读取测量的接地电阻值。

图2 杆塔接地电阻测量硬件电路结构图

2 硬件电路设计

本系统最关键的硬件电路主要有正弦信号功率放大电路、 电流检测与放大电路、整流滤波电路。这几部分的电路为测量接地电阻的关键电路。

■2.1 电压互感器及驱动电路

如图3所示为电压互感器驱动电路。单片机输出的带直流偏置的正弦信号从端口DAC_OUT0输入，电阻R4和电容C1构成高通滤波器，滤除直流偏置电压后得到双极性的正弦信号。该正弦信号经过由电阻R3、R9和运放构成的同相放大器，进行放大后输出到射极跟随器UA1B，最后信号输出到电压互感器端口J3。

图3 电压互感器驱动电路

■2.2 电流互感器及检测电路

如图4所示为电流检测初级放大滤波电路。电流互感器的检测端口由J1输入，在电阻R55上产生压降，将电流互感器的电流信号转换为电压信号，该电压信号经过由电阻R2、电阻R7和运放UB1A构成的同相放大器放大后，再输入到由运放UB1B构成的低通滤波器中，低通滤波电路采用二阶RC有源低通滤波电路，截止频率设定为79kHz。

图4 电流检测初级放大滤波电路

如图5所示为电流检测中间级放大电路。电流信号经过初级放大和滤波后输入到电阻R20的端口，进行信号的中间级放大，该放大电路由电阻R19、电阻R21和运放UC1A构成的同相放大电路，放大电路的输出级电路为射极跟随器。

图5 电流检测中间级放大电路

信号经过中间级放大电路后，输入到整流滤波电路中，该电路将接收到的电流交流信号转换为直流电压信号。如图6所示为整流滤波电路，该电路为由两个运放组成的同相精密整流电路，整流后输出信号为运放UD1B的端口7，最后由电阻R41、电容C31和电容C33构成的RC低通滤波器，将整流后的脉动直流信号变化为直流信号。单片机通过检测该直流信号就可以转换为电流值。

图6 整流滤波电路

3 软件设计

软件设计分为两部分，一个是下位机软件设计，用于产生正弦激励信号、计算接地电阻值和蓝牙通信；另一个是手机APP软件设计，实现读取下位机测量的接地电阻值。

■ 3.1 下位机软件设计

下位机的处理器选择GD32F303CGT6，该芯片自带DAC、ADC和FPU，非常适合本系统的设计。软件方面，运行开源的FreeRTOS操作系统[7]，在主程序注册五个任务，一个任务用来产生正弦激励信号；一个任务用来采集电流信号；一个任务并对信号进行数据处理；一个任务用来进行数据显示；一个任务用于信号通信。整个下位机软件流程如图7所示。系统上电后会进入空闲模式，在该模式下，正弦激励信号产生和信号滤波与计算处于停止状态，单片机会接收测量命令，该命令可以由与单片机相连的按键触发，也可以由手机APP通过蓝牙给单片机发送命令。当单片机接收到测试命令后，系统产生正弦激励电压，ADC采样得到电流信号，并通过算法模块进行接地电阻参数计算，计算完后将计算结果显示到OLED屏和手机APP上。

图7 下位机软件流程图

■3.2 APP代码设计

本系统采用Android Studio进行手机APP软件设计开发，主要在activity_main xml中编写手机APP的布局界面，在设计时采用了其中的RelativeLayout的布局方式，在多控件编辑的时候可以通过可视化界面清晰的看得到空间位置。在交互页面可以调整控件的颜色背景等。对需要监听事件的控件需要设置控件的id，这样在控制程序中可以通过这个id找到这个控件并监听它。同时，在控制程序部分也可以通过这个id修改这个控件的状态。在本设计中，需要用的控件主要有按键控件来搜索蓝牙；文本显示控件来显示被测电阻的阻值、显示设备运行状态等。

4 测试结果

如图8所示为测试实物图，实际测试为用一个环路电路代替接地电阻。电压互感器和电流互感器采用相同尺寸的磁芯，其中电压互感器绕线90圈，电流互感器绕线270圈。

图8 系统实物图

如表1所示为为随机测量20Ω以下的环路电阻，电阻实际值为用RLC电桥测量的值，型号为TH2830，测量值为采用本系统测量的结果，可以看到，测量精度较高，误差率基本上在3%以内，满足测量要求。

表1 实际测量参数对比表

根据上面测试的结果可知，当测量的接地电阻的阻值越大，其测量误差也会变得更大，这是因为所测的接地电阻的阻值越大那么在电流互感器回路的感应电流会越小，但是最大没有超过1Ω。并且其误差率相对比较稳定，总体而言符合整体的测试要求。

5 结语

为了杆塔接地电阻测量的便捷性，本文设计了一种采用钳表法测量接地电阻的系统。可以直接读取接地电阻值，而且通过手机APP可以直接触发接地电阻的测量与结果读取。结果表明，本系统测量精度较高，在50Ω以下误差率小于3%，具有极高的应用价值。