防雷装置特征参数检测仪的设计

赵春焕,毛谦敏

(中国计量学院 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018)

防雷装置特征参数检测仪的设计

赵春焕,毛谦敏

(中国计量学院 计量测试工程学院,浙江 杭州 310018)

建筑的防雷验收和年度巡检是建筑安全渡过雷电灾害的重要保障,而测量现场往往需要测量多种参数.为此，设计了以STM32单片机为核心,能够测量接地电压、接地电阻、土壤电阻率以及浪涌保护器的防雷装置特征参数检测仪.仪器采用异频激励电源和数字滤波技术提高了测量精度,并优化电路结构减小了仪器体积.实际应用结果表明，该装置能够准确检测各项参数,具有操作简单、稳定准确、易携带等特点,从而可以减轻测量人员的负担并提高工作效率.

接地电阻;恒流源;滤波器

雷电是一种常见的自然现象,为了保障建筑能够安全渡过雷电灾害,国家规定建筑需进行防雷验收以及年度巡检[1].建筑的防雷检测包含多项参数,如接闪器的安装及接地体的接地电阻等[2].但是,市场上常见的测量仪往往功能单一,只能测量单个参数,因此测量人员需要携带多个仪器来完成工作.

我们设计了以STM32单片机为核心实现了多参数综合检测的仪器,其测量快速准确,提高了仪器集成化程度,一台仪器可以完成多台仪器的测量工作,从而提高了工效,适用于现场防雷验收检测工作.

1 测量原理

接地电压就是以大地为参考点,与大地的电位差,大地为零电位点[3].在实际测量中,接地电压过大会对接地电阻与土壤电阻率的测量造成干扰[4],因此在测量前应先测量接地体的接地电压.

接地电阻是防雷系统的重要参数,雷电击中避雷针后,最终通过接地体泄入大地,接地电阻过大会导致电流过大,从而损坏电气设备.接地电阻可等效为接地体在对无穷远处的电位差和流经接地体注入地中电流的比值,测量仪采用异频法,向大地中注入的电流频率异于工频[5],采样信号中的干扰成分经过滤波后被滤除,所以它的测量结果不会因为地网的运行或干扰信号的存在而受到影响,相对来说比较独立.

土壤电阻率是决定接地电阻的主要因素之一[6],常用的测量方法为温纳法.其布线方式如图1,当四个地桩之间距离相等为a时即为温纳法[4],根据公式(1)可得出土壤电阻率的值.

ρ=2πaR(Ωm),

(1)

式(1)中:a—地桩之间的间距,m;R—接地电阻值,Ω.

浪涌保护器(surge protection device,SPD)是防雷装置中的重要元件,其核心是压敏电阻,具有良好的非线性,如图2.当雷电击中避雷器时,压敏电阻两端电压增大,电阻急剧减小,从而将巨大的雷电流泄入大地[7],保障了电气及建筑的安全.

图1 温纳法测土壤电阻率示意图Figure 1 Schematic diagram of measuring soil resistivity of Wenner method

图2 压敏电阻伏安特性Figure 2 Volt-ampere characteristic of MOV

国家标准规定，通过压敏电阻的电流为1 mA时,压敏电阻两端的电压为压敏电压U1 mA,压敏电阻两端的电压为75%U1 mA时通过压敏电阻的电流为泄漏电流[2],测量仪据此规定测试压敏电阻参数.

2 仪器硬件设计

防雷装置特征参数检测仪采用STM32单片机为处理器,单片机通过DAC控制高压模块产生持续上升的电压,直到采样电路采集到的电流值为1 mA时停止,得到压敏电压,然后加载一个等于压敏电压值75%的电压,再检测泄漏电流.接地电阻测量时,控制DAC产生频率为非工频的电流源,注入大地后,通过测量两端电压差,得到接地电阻值.在测量土壤电阻率时,与上述方法相似,利用所得电阻值,计算出土壤电阻率值.在接地电压的测量中,通过AD采样获取分压电阻两端电压计算接地电压值.上述各项参数独立测量,测得值通过液晶显示,并设计了通信电路,可将测得值实时发送到上位机.系统的硬件框图如图3.

图3 硬件框图Figure 3 Hardware structure frame

2.1 信号发生电路

2.1.1 高压产生电路

测量SPD需要在压敏电阻两端加载持续上升的高压,如图4,采用输出为0～2 000 V的高压电源模块,Vcon为控制端,接入单片机控制DAC输出的电压,JSPD接压敏电阻两端,与R1串联,可通过测量标准电阻R1两端的电压计算电流值.

图4 SPD信号发生电路Figure 4 SPD test signal generating circuit

2.1.2 异频信号源

在测量接地电阻与土壤电阻率时,采用异频法,需要通过DAC产生频率为fy且异于工频的信号.电流源产生电路如图5,正弦波通过加入电压跟随级的恒流源电路,当R12一定时,输出电流与输入信号具有线性关系,与负载无关[8].若输入信号一定,则C端的输出信号恒定,即

(2)

式(2)中:UDA—DAC输出信号,V;R12—限流电阻,Ω.

通过单片机调整DAC输出的正弦波幅值可获得不同大小的恒流值,以适应不同的测量需要.

图5 电流源电路Figure 5 Current source circuit

2.2 信号的取样与调理电路

SPD测量中,高电压加载到压敏电阻两端后,通过测量图4中分压电阻R1两端电压来判断电流是否到达1 mA,泄漏电流的测量类似.得到取样电压后通过运算放大器以及RC滤波获取最终信号,并将该信号送给ADC转换处理.

接地电压、接地电阻与土壤电阻率的量程范围较大,因此采用多级分压电路.接入运放的分压电阻可通过继电器调整,并由单片机判断信号强度是否为最佳值,若不是则由单片机调整继电器以改变信号大小,直到获得最佳值.

测量接地电压时,连续采样N次,通过公式(3)直接计算出接地电压

(3)

式(3)中:U—接地电压值,V;U1,U2…UN—每个采样点的电压值,V;N—采样点数.

测量接地电阻与土壤电阻率时,为了滤除信号中的其他频率分量,后续采用带通滤波器,采用无限增益多路反馈型电路,如图6.滤波器的增益系数计算如下式[9]:

(4)

式(4)中:Kp—增益系数;R25,R27—电阻值,Ω;C5,C6—电容值,F.

根据式(5)可计算其中心频率[9],设计其中心频率为fy,其中P4用于微调.

(5)

式(5)中:w0—角速度,rad/s;R24,R25,R26,R27—电阻值,Ω;P4—电位器接入电路中的阻值,Ω.

图6 带通滤波器Figure 6 Band-pass filter circuit

2.3 其他电路

仪器采用16位AD模块,可以8路同步采样,选用串行接口模式读取数字信号,减少了单片机I/O口占用量.经过放大滤波后的信号,通过AD采样,输出数字信号,送入单片机进行处理.

无线通讯采用TI公司的SI4432无线通信模块,通过单片机提供的USART接口,实现测量指令的接收与数据的发送.

3 仪器软件设计

测试仪的研制以STM32单片机为核心处理器,测试仪的软件部分主要实现了程控放大控制、电流源信号产生、电压电流信号采集、数据分析与处理、液晶显示控制、按键功能处理以及通讯等功能.

软件以中断方式响应各个按键及通讯事件.开机后系统进行各部分的初始化,屏幕显示当前通讯状态及电量信息.初始化结束后进入中断等待,直到接收到命令或有键按下,系统将响应中断,跳入相应的处理函数实现对应的功能,如图7.

图7 主程序流程图Figure 7 Flow chart of main program

(6)

式(6)中:U1mA—压敏电阻两端电压;R51—采样电阻;R1、R2、R50、R52—分压电阻;U51—采样电阻两端电压.

在测量接地电阻与土壤电阻率的过程中,AD采样得到的信号中包含了地网中的干扰信号以及频率为fy的电流源信号.经硬件电路滤波后,干扰信号得到衰减,但其中的工频分量幅值较大,而仪器产生的异频恒流信号只有毫安级,因此工频分量仍会对计算结果产生较大干扰,需要进行数字滤波.

傅里叶变换是一种应用广泛的算法,它将时域信号转换到频域进行分析[10],表达式为

(10)

式(10)中:W=e-j2π/N;x(n)—采样得到的信号.

将AD采样得到的离散数字信号进行FFT变换后得到其频谱特性,找到代表电流源频率fy的点,根据该点的幅值计算出电压的有效值,根据R=U/I即可得到接地电阻值.测量土壤电阻率时,信号的采样与处理过程相同,得到电阻值后根据式(1)即可得到土壤电阻率值.

4 实验数据

在测量仪制作完成后,为检测仪器的准确度,采用可调式稳压电源检测其电压测量功能,在测量范围内选取三组电压值进行测量，对比数据为福禄克六位半万用表测量值,如表1.

表1 接地电压测量数据

接地电阻采用三组千分之一精密电阻作为检测样本,对比值为广州铱泰电子的ETCR 3000B测试仪的测量值,该仪器在0～2 kΩ测量范围内的精度为±2%rdg±3 dge,与样机对一个点进行测量,使用同一套引线地桩,其对比值如表2.

表2 接地电阻测量数据

Table 2 Data of grounding resistance measurement

Ω

土壤电阻率采用广州铱泰电子的ETCR 3000B测试仪的测量值作为对比值,在开阔平稳地带选取三个测量点，用3000B与样机分别进行测量,使用同一套引线地桩,其对比值如表3.

表3 土壤电阻率测量数据

检测压敏电阻时,采用DP-CJ1007浪涌保护器检测仪的测量值作为对比值,电压表示值误差为±1%±dge,泄漏电流示值误差为±2%±0.1 μA,选取三组伏安特性不同的SPD，分别用CJ1007与样机对其进行测量，对比值如表4.

表4 SPD电压与电流测量数据

Table 4 Data of SPD voltage and current measurement

序号项目CJ1007测量值样机测量值绝对误差123压敏电压/V2019.80.20泄漏电流/μA0.810.80.01压敏电压/V148149.91.10泄漏电流/μA0.090.10.02压敏电压/V611610.40.40泄漏电流/μA2.812.90.09

仪器要求接地电阻、接地电压以及SPD参数误差在±2%rdg±3dge内,土壤电阻率误差根据接地电阻的测量精度而定,实验结果表明,我们研制的测试仪测量误差达到设计要求,准确性良好.

5 结 语

笔者研制的防雷特征参数检测仪实现了测量多个参数,适用于常规安全巡检和工程验收,功能强大,系统稳定,测量准确,具有无线通讯功能,可大大提高防雷检测人员的工作效率.

[1] 闫景东.建筑物防雷装置检测信息管理系统的设计与实现[D].济南：山东大学,2012. YAN Qingdong. The design and implementation of building lightning device testing information management system[D].Jinan: Shandong University,2012.

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The design of lightning protection devices’ characteristic parameter detectors

ZHAO Chunhuan, MAO Qianmin

(College of Metrology and Measurement Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018, China)

The detection and inspection of lightning protection systems are important to ensure constructions to survive lightning disasters. In a measuring project, various parameters are always included. For this reason, a detector of the characteristic parameters of lightning protection based on STM32 microchips was designed which realized the measurement of grounding voltage, grounding resistance, soil resistivity and surge protective devices. The detector adopted the different frequency current and the digital filtering technique to improve the accuracy of measurement; and the circuit structure was optimized to reduce the volume of the instrument. The results of practical applications show that the detector can measure the parameters accurately with such characteristics as simple in operation, stable and accurate, and easy to carry and thus reduce the burden of personnel and improve their work efficiency.

grounding resistance; constant current source; filter

1004-1540(2015)02-0194-06

10.3969/j.issn.1004-1540.2015.02.013

2015-03-03 《中国计量学院学报》网址：zgjl.cbpt.cnki.net

TM934.15

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