本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)測量技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種輸電線路接地故障地中電壓分布立體式監(jiān)測實驗系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)：

輸電桿塔接地裝置起著快速排泄故障電流、雷電流，降低桿塔電位，保證附近設(shè)備和人身安全的作用，是電力系統(tǒng)可靠運行的一個重要保證，同時由于大地具有一定電阻率，電流入地點及電流流經(jīng)的地方會出現(xiàn)一定的電勢。雷電流入地點附近的地表將會呈現(xiàn)一定的電位分布，若此時雷擊點附近正好有人或動物，由于站立或行走于地表的不同兩點，這兩點之間的電位差作用在人或動物身上，可能會造成傷亡。當(dāng)發(fā)生雷擊或者接地短路時，可能造成嚴重的經(jīng)濟損失和社會影響。因此，找到一種能快速方便地對接地故障時地中電壓分布進行檢測的裝置及方法，進而采取相應(yīng)的防護措施已成為電力行業(yè)現(xiàn)有輸電線路運行維護工作中亟待解決的問題。

目前，對地表的電位分布沒有有效的監(jiān)測方法，通常只能測得某一方向上的地中散流，通過地中散流情況推斷地表電位分布，操作過程復(fù)雜，精確度低，在具體實施過程中很不方便。針對以上的問題，本發(fā)明針對地中電壓分布監(jiān)測提出了一種輸電線路接地故障地中電壓分布立體式監(jiān)測實驗系統(tǒng)與方法，對輸電線路桿塔周邊安全的判斷提供了一種新的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于以上已有方案或相關(guān)技術(shù)的不足，本發(fā)明針對克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，提供一種輸電線路接地故障地中電壓分布立體式監(jiān)測實驗系統(tǒng)與方法，該裝置集發(fā)生、采集、分析于一體，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便且安全可靠，通過設(shè)計的測試及分析方法得到接地故障時地中電壓分布，能夠?qū)崿F(xiàn)對輸電線路桿塔周邊安全的高效、準(zhǔn)確判斷。

其技術(shù)方案如下：

一種輸電線路接地故障地中電壓分布立體式監(jiān)測實驗系統(tǒng)產(chǎn)生幅值可調(diào)工頻電壓的工頻電壓調(diào)節(jié)模塊100的輸出端通過接地裝置120銅棒電極130構(gòu)成回路，銅棒電極130離電流注入點較遠處，作為零電位點；所述接地裝置120為待測輸電桿塔接地裝置；信號控制平臺210與分別與工頻電壓調(diào)節(jié)模塊100和數(shù)據(jù)處理模塊240信號連接；圖形處理模塊230與數(shù)據(jù)處理模塊240信號連接；信號采集模塊300置于待采集路徑上，記錄三個方向信號電壓波形，并通過信號處理模塊260和無線通信模塊250將所測信號輸入到信號控制平臺210；所述信號采集裝置由固定單元與測量單元兩部分構(gòu)成：固定單元由絕緣桿件構(gòu)成，每組銅極板由絕緣桿呈直角支撐；測量單元由三組雙極板構(gòu)成，每組銅板由兩片方形銅板經(jīng)夾持螺母支撐相對而立，每片銅板上方焊接有絕緣導(dǎo)線；雙極板電流采集裝置放在地表以下，銅片所在平面與地面垂直，放置角度任意。

本發(fā)明的目的還在于為上述裝置提供一種便捷正確的應(yīng)用方法，其主要內(nèi)容為：

采用如上系統(tǒng)的輸電線路接地故障地中電壓分布立體式監(jiān)測方法，布置電壓注入點和用于回流的銅棒電極；信號采集模塊置于待采集路徑上，記錄三個方向信號電壓波形；感應(yīng)電壓信號經(jīng)信號放大和帶通濾波處理后，用示波器采集并提取信號，采集到的三個方向的電壓信號u1(t)、u2(t)、u3(t)，經(jīng)過下式處理得到雙極板電壓采集模塊放置位置處地表電壓梯度變化與時間關(guān)系：

其中l(wèi)為單組雙極板電壓采集模塊兩塊銅極板的間距；利用電壓梯度直接得到任意點的跨步電壓值，指導(dǎo)人身安全距離的范圍；得到放置位置處地表電壓梯度變化與時間關(guān)系并傳輸至圖形處理模塊顯示。

上述所有模塊組成一個完整檢測評估系統(tǒng)。

上述輸電線路接地故障地中電壓分布立體式監(jiān)測實驗系統(tǒng)與方法通過所述工頻電壓調(diào)節(jié)模塊調(diào)整通電時間及供應(yīng)電壓大小經(jīng)電纜注入接地裝置，利用所述信號采集模塊測量感應(yīng)電壓信號波形，經(jīng)過信號放大和帶通濾波處理后，用示波器采集并提取信號，最后顯示在上位機上并對輸電線路桿塔周邊安全進行評估。該裝置及方法有利于工作人員開展相應(yīng)的防護措施，保護技術(shù)人員與設(shè)備的安全。同時上述輸電線路接地故障地中電壓分布立體式監(jiān)測實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，安全可靠性高，制造及使用成本低。

下面對技術(shù)方案作進一步的說明：

在其中一個實施例中，所述工頻電壓調(diào)節(jié)模塊可輸出幅值、通斷時間可調(diào)的電壓，由信號控制平臺控制；與接地裝置、電纜、銅棒電極和大地構(gòu)成回路；

在其中一個實施例中，所述控制平臺有通訊接口，通過信號線與工頻電壓調(diào)節(jié)模塊連接，向工頻電壓調(diào)節(jié)模塊發(fā)出電壓幅值與通電時間指令；所述信號控制平臺通過所述的無線通信模塊與所述的信號采集模塊通信，用于控制和接收所述的信號采集模塊的感應(yīng)電壓信號波形以及無線通信模塊發(fā)出的處理過的數(shù)據(jù)信息；

在其中一個實施例中，所述信號采集裝置由固定單元與測量單元兩部分構(gòu)成。所述固定單元由絕緣桿件構(gòu)成，每組銅極板由絕緣桿呈直角支撐；所述測量單元由三組雙極板構(gòu)成，每組銅板由兩片方形銅板經(jīng)夾持螺母支撐相對而立，每片銅板上方焊接有絕緣導(dǎo)線；雙極板電流采集裝置放在地表以下，銅片所在平面與地面垂直，放置角度任意。絕緣桿呈直角的作用是固定x、y、z方向，增加檢測的準(zhǔn)確度。

在其中一個實施例中，所述信號處理裝置由放大器、帶通濾波器、示波器組成。感應(yīng)電壓信號經(jīng)信號放大和帶通濾波處理后，用示波器采集并提取信號。所述放大器采用儀表運算放大器ad620進行信號放大。所述帶通濾波器利用數(shù)字電容濾波芯片ltc1068設(shè)計，其特點是帶通中心頻率fc可由時鐘脈沖頻率fclk控制，可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。檢測開始階段，根據(jù)需求通過信號控制平臺調(diào)整帶通中心頻率，以避開主要的干擾頻點。上述電路采用通用的電力電子技術(shù)實現(xiàn)。所述示波器對運算放大器ad620放大后的信號進行顯示與傳輸數(shù)據(jù)。

在其中一個實施例中，所述的數(shù)據(jù)處理模塊有通訊接口，通過通信接口與所述的信號控制平臺進行數(shù)據(jù)交換，根據(jù)采集數(shù)據(jù)，結(jié)合數(shù)學(xué)處理手段寫入所述上位機，得到所述雙極板電壓采集模塊放置位置處地表電壓梯度變化與時間關(guān)系并傳輸至圖形處理模塊顯示。

在其中一個實施例中，通過采集到的三個方向的電壓信號u1(t)、u2(t)、u3(t)。經(jīng)過下式處理得到雙極板電壓采集模塊放置位置處地表電壓梯度變化與時間關(guān)系，其中l(wèi)為單組雙極板電壓采集模塊兩塊銅極板的間距；利用電壓梯度可直接得到任意點的跨步電壓值，能指導(dǎo)人身安全距離的范圍。

在其中一個實施例中，所述數(shù)據(jù)處理模塊和圖形處理模塊由labview軟件編程實現(xiàn)。利用上位機進行數(shù)據(jù)的存儲、提取、數(shù)據(jù)編程計算和繪圖顯示，所述上位機獨立供電，具有較強穩(wěn)定性，服務(wù)器外殼由金屬覆蓋，進行電磁屏蔽；此實驗系統(tǒng)可用于戶外測試。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以在不改變輸電線路接地裝置結(jié)構(gòu)的前提下，對接地故障時地中電壓分布進行較為準(zhǔn)確的判斷；同時，能任意檢測一個待測點的電壓梯度而不需要鎖定電位零點測量電位，突破了原有地電位測試的方法，現(xiàn)場測試工作量大幅減少。因此本發(fā)明能在大幅減少現(xiàn)場測試工作量的前提下，有效地、準(zhǔn)確地檢測出輸電線路桿塔附近電壓分布，從而可及時采取有效措施，提高輸電線路的運行可靠性。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明實施例所述的輸電線路接地故障地中電壓分布立體式監(jiān)測實驗系統(tǒng)與方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例所述的輸電線路接地故障地中電壓分布立體式監(jiān)測實驗系統(tǒng)與方法的雙極板電壓信號采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例所述的輸電線路接地故障地中電壓分布立體式監(jiān)測實驗系統(tǒng)與方法的信號處理模塊的電路結(jié)構(gòu)圖；

附圖標(biāo)記說明：

100、多頻激勵電源，110、電纜，120、接地裝置，130、銅棒電極，210、信號控制平臺，220、數(shù)據(jù)線，230、圖形處理模塊，240、數(shù)據(jù)處理模塊，250、無線通信模塊，260、信號處理模塊，261、放大器，262、帶通濾波器，263、示波器，300、信號采集模塊，310、雙極板電壓信號采集裝置，320、差分線圈，311、信號線，312、銅板，313、銅質(zhì)墊片，314、環(huán)氧樹脂支架，315、盤頭螺絲，316、六角內(nèi)螺紋隔離柱。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及具體實施方式，對本發(fā)明進行進一步的詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用以解釋本發(fā)明，并不限定本發(fā)明的保護范圍。

實施例1：

如圖1至圖2所示，一種輸電線路接地故障地中電壓分布立體式監(jiān)測實驗系統(tǒng)與方法，包括：工頻電壓調(diào)節(jié)模塊100；所述工頻電壓調(diào)節(jié)模塊100為產(chǎn)生幅值可調(diào)，通斷時間可調(diào)的工頻電壓發(fā)生裝置；電纜110；所述電纜110用作注入電流的導(dǎo)線以及各模塊信號傳輸?shù)臄?shù)據(jù)線220；接地裝置120；所述接地裝置120為某輸電桿塔接地裝置120；銅棒電極130；所述銅棒電極130離電流注入點較遠處，作為零電位點；信號控制平臺210、數(shù)據(jù)處理模塊240、圖形處理模塊230；無線通信模塊250、信號處理模塊260；所述無線通信模塊250、信號處理模塊260用電力電子器件設(shè)計于開發(fā)板上；及信號采集模塊300；所述信號采集模塊300置于待采集路徑上，記錄三個方向信號電壓波形；上述所有模塊組成一個完整檢測評估系統(tǒng)。

上述輸電線路接地故障地中電壓分布立體式監(jiān)測實驗系統(tǒng)與方法通過所述工頻電壓調(diào)節(jié)模塊100調(diào)整通電時間及供應(yīng)電壓大小經(jīng)電纜110注入接地裝置120，利用所述信號采集模塊300測量感應(yīng)電壓信號波形，經(jīng)過信號放大和帶通濾波處理后，用示波器263采集并提取信號，最后顯示在上位機上并對輸電線路桿塔周邊安全進行評估。該裝置及方法有利于工作人員開展相應(yīng)的防護措施，保護技術(shù)人員與設(shè)備的安全。同時上述輸電線路接地故障地中電壓分布立體式監(jiān)測實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，安全可靠性高，制造及使用成本低。

實施例1中，考慮到空氣中電磁場的干擾，信號控制平臺210放置在屏蔽腔內(nèi)，同時所有數(shù)據(jù)線220傳輸數(shù)據(jù)以及激勵電流注入均采用強度高且屏蔽性能佳的電纜110。上述工頻電壓調(diào)節(jié)模塊100可以是工頻電源等，調(diào)整通電時間及供應(yīng)電壓大小。此外，為了使設(shè)備方便攜帶，無線通信模塊250、信號處理模塊260均利用電力電子器件設(shè)計在開發(fā)板上；同時為了該裝置以及檢測方法的普及，數(shù)據(jù)處理模塊240、圖形處理模塊230是基于labview軟件編制上位機，后臺連接matlab完成數(shù)據(jù)處理，上位機軟件窗口進行圖形可視化。

實施例1中，所述信號采集裝置300由雙極板電壓信號采集裝置310和差分線圈320兩部分構(gòu)成。差分線圈320包括磁芯、開合裝置、外包絕緣漆銅線；磁芯有兩個半圓形磁性通過開合裝置組合而成，材料相同，導(dǎo)磁性能一致，兩半圓磁芯閉合成內(nèi)直徑20mm外直徑30mm的環(huán)形磁芯，設(shè)計成可開合式，最大張口為10mm；將磁芯打開放入信號線311，閉合磁芯；信號線311與數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)換器連接，數(shù)據(jù)存儲轉(zhuǎn)換器中cpu控制a/d轉(zhuǎn)換芯片對輸入信號進行采樣，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號存入存儲芯片中。差分線圈可以實現(xiàn)兩塊板上不同電壓波形的矢量差，得到待測點的時變波形。

實施例1中，所述雙極板電壓信號采集裝置310包括bvr14mm²規(guī)格信號線311、5cm*5cm*0.2cm規(guī)格銅板312，m3銅質(zhì)墊片313，直角端部帶螺紋環(huán)氧樹脂支架314，規(guī)格m3*8的十字盤頭螺絲315，規(guī)格m3*10雙通尼龍柱六角內(nèi)螺紋隔離柱316；六片銅板分成三組，每組兩片，兩銅板312之間需要保持一定絕緣空隙l，使用絕緣固定件進行加固；兩銅板312通過兩個平行的規(guī)格m3*10雙通尼龍六角內(nèi)螺紋隔離柱316絕緣隔離，端部由m3*8的十字盤頭螺絲315擰入六角內(nèi)螺紋隔離柱316，使之形成相距10mm的相互平行的一組受流板，上端規(guī)格m3*8的十字盤頭螺絲315下面墊m3銅質(zhì)墊片313，m3銅質(zhì)墊片313與bvr14mm²規(guī)格信號線311相連；另兩組銅板使用同樣的固定方式做成另外兩個方向的受流板；兩組受流板通過直角端部帶螺紋環(huán)氧樹脂支架314連接，形成一個牢固整體；將此雙極板電壓信號采集裝置310埋入所要測量位置的地表下，銅板312垂直于地表面，角度任意；

實施例1中，所述信號處理模塊260由放大器261、帶通濾波器262、示波器263組成，如圖3所示。差分線圈320測得感應(yīng)電壓信號，經(jīng)信號放大和帶通濾波處理后，用示波器263采集并提取信號。所述放大器261采用儀表運算放大器ad620進行信號放大。所述帶通濾波器262利用數(shù)字電容濾波芯片ltc1068設(shè)計，其特點是帶通中心頻率fc可由時鐘脈沖頻率fclk控制，可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。檢測開始階段，根據(jù)需求通過信號控制平臺調(diào)整帶通中心頻率，以避開主要的干擾頻點。上述電路采用通用的電力電子技術(shù)實現(xiàn)。所述示波器263對運算放大器ad620放大后的信號進行顯示與傳輸數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的實施例1中，具體實施步驟為，先根據(jù)圖1按要求布置電壓注入點和用于回流的銅棒電極130。根據(jù)輸電線路桿塔接地裝置120現(xiàn)場情況，設(shè)計信號采集裝置300的檢測路徑。應(yīng)用信號控制平臺210，控制工頻電壓源100通過電纜110向輸電線路桿塔接地裝置120注入幅值在200-1000v的工頻電壓，根據(jù)檢測路徑用雙極板電壓信號采集裝置310檢測接地裝置120地表下感應(yīng)的電壓，通過信號處理模塊260、無線通信模塊250將電壓信號傳回信號控制平臺210。應(yīng)用信號控制平臺210，控制數(shù)據(jù)處理模塊240提取多點檢測的接地裝置120的電壓梯度波形，結(jié)合數(shù)學(xué)處理手段寫入所述上位機，得到所述雙極板電壓采集模塊放置位置處地表電壓梯度變化與時間關(guān)系并傳輸至圖形處理模塊顯示。根據(jù)每個點的電壓梯度乘以人的跨步距離，即可得到該電壓強度下人的跨步電壓值，從而保護人身安全。

以上所述實施例的各技術(shù)環(huán)節(jié)可以進行任意的組合，只要這些技術(shù)特征的組合不存在矛盾，都應(yīng)當(dāng)認為是本說明書記載的范圍。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，做出的若干變形和改進都屬于本發(fā)明的保護范圍。