互相關(guān)技術(shù)在鉗口法接地電阻檢測(cè)中的應(yīng)用

余為清

（華東交通大學(xué)載運(yùn)工具與裝備省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌330013）

建筑物防雷網(wǎng)通過引線引入大地，防雷網(wǎng)與大地之間的接地電阻，直接關(guān)系到防雷的效果，為此，應(yīng)定期對(duì)接地電阻進(jìn)行檢測(cè)。鉗口法作為一種新型的免地樁接地電阻檢測(cè)方法，具有施工簡(jiǎn)便，測(cè)試效率高等突出優(yōu)點(diǎn)，在日常巡檢或?qū)χ攸c(diǎn)單位接地電阻連續(xù)在線監(jiān)測(cè)方面有著廣泛的應(yīng)用，檢測(cè)結(jié)果可以作為數(shù)據(jù)參考，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)接地問題，報(bào)告氣象部門進(jìn)行精確檢定。鉗口法是利用互感原理而工作的，儀器回檢的信號(hào)非常微弱，且伴隨大量的噪聲信號(hào)，如何有效提取有用的感應(yīng)信號(hào)，抑制噪聲是提高鉗口法檢測(cè)精度所面臨的主要問題，目前，異頻法通過信號(hào)放大、濾波、頻譜分析及復(fù)阻抗計(jì)算等方法可以有效削弱工頻的干擾。提高接地電阻測(cè)量?jī)x的抗干擾性，為了避開某些固定頻率的干擾，部分接地電阻檢測(cè)儀具備自動(dòng)變頻能力[1-2]。

1 鉗口法接地電阻檢測(cè)原理

鉗口法測(cè)量接地電阻是基于法拉第電磁感應(yīng)原理工作的。鉗口法適用于檢測(cè)有多條接地線的建筑物防雷接地電阻。檢測(cè)原理如圖1。鉗口法一般采用電壓鉗口與電流鉗口的雙鉗結(jié)構(gòu)，電壓鉗口將激勵(lì)信號(hào)耦合到接地網(wǎng)，電流鉗口對(duì)回路中的電流進(jìn)行檢測(cè)一。常見工頻測(cè)量接地電阻的方法，由于接地網(wǎng)中，除有較大的功率零序電流外還有較大的諧波電流，傳統(tǒng)的工頻測(cè)量難以消除[3-4]。

圖1 鉗口法測(cè)量原理圖Fig.1 The schematic diagram of clamping measurement

式中：e為電壓互感器激勵(lì)電壓，k1是由于磁場(chǎng)泄露等造成的損失系數(shù)。閉合回路內(nèi)將產(chǎn)生感應(yīng)電流I

該電流同時(shí)形成同頻感應(yīng)磁場(chǎng)，電流互感器上感應(yīng)到該磁場(chǎng)后，產(chǎn)生感應(yīng)電流i

式中：Ni為電流互感器的線圈匝數(shù)，k2為由于磁場(chǎng)泄露造成的損失系數(shù)。當(dāng)電壓互感器及電流互感器的物理結(jié)構(gòu)固定后，k1，k2為常數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)法測(cè)量得到。由于Rz<

可以看到，電壓互感器的激勵(lì)電壓e可以被A/D變換器直接采樣測(cè)量，但感應(yīng)電流i十分微弱，且往往是伴隨大量的噪聲的周期信號(hào)，為此必須對(duì)感應(yīng)電流信號(hào)進(jìn)行分離噪聲的處理。

3 信號(hào)的互相關(guān)分析

對(duì)于伴有噪聲的周期信號(hào)[5]

其中：S(t)為有用信號(hào)；其幅值為A；角頻率為ω；初相角?；N(t)為隨機(jī)噪聲。為X(t)提供一個(gè)同頻的簡(jiǎn)諧信號(hào)Y(t)作為參考

其中：B為同頻簡(jiǎn)諧信號(hào)幅值；τ是時(shí)間延遲，則兩者的互相關(guān)函數(shù)為

綜上所述，瘦素可通過多種途徑影響水生動(dòng)物代謝、生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖，機(jī)理復(fù)雜。但目前我們對(duì)此研究和理解有限。今后應(yīng)多學(xué)科結(jié)合，綜合運(yùn)用現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)，深入研究瘦素對(duì)水生動(dòng)物代謝、生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖的影響及其機(jī)理，同時(shí)應(yīng)用瘦素調(diào)控水生動(dòng)物代謝、生長(zhǎng)發(fā)育和繁殖，促進(jìn)水產(chǎn)業(yè)的高效生產(chǎn)，提高社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。今后特別應(yīng)注意下述研究：①探討相關(guān)研究技術(shù)，為深入研究提供先進(jìn)的技術(shù)保障。②進(jìn)一步研究不同水生動(dòng)物瘦素及其功能。③水生動(dòng)物瘦素的作用機(jī)理，尤其是瘦素-受體復(fù)合體及其信號(hào)通路。④不同水生動(dòng)物瘦素基因、受體的分布及克隆。⑤影響水生動(dòng)物瘦素基因表達(dá)的因素及調(diào)控機(jī)制。⑥實(shí)際應(yīng)用研究。

RNY(τ)是N(t)與Y(t)的互相關(guān)函數(shù)。由于Y(t)與N(t)互不相關(guān)（不同頻情況下），所以RNY一項(xiàng)為零，這樣

由此可見，兩個(gè)均值為0，且具有相同頻率的周期信號(hào)，其互相關(guān)函數(shù)中反映了各自的幅值信息和相位信息[6]，而噪聲對(duì)互相關(guān)的輸出沒有貢獻(xiàn)，可以大幅度的削弱噪聲的影響。由電磁感應(yīng)定律可知，電壓鉗口的激勵(lì)電壓e與電流鉗口的檢測(cè)電流i具有同頻的性質(zhì)，可以通過信號(hào)的互相關(guān)運(yùn)算，抑制噪聲，提取有用信號(hào)。

4 互相關(guān)分析的硬件實(shí)現(xiàn)

對(duì)于存在噪聲的非周期信號(hào)，一般采用帶寬壓縮法抑制噪聲，對(duì)于存在噪聲的周期信號(hào)，采用頻域窄帶化處理的方法更為有效[7-8]。利用集成鎖相放大器芯片AD630可以實(shí)現(xiàn)頻域窄帶化處理，實(shí)質(zhì)就是一個(gè)高品質(zhì)因素的濾波器。

鎖相放大器實(shí)際就是一個(gè)模擬的傅立葉變換器，相敏檢波器是鎖相放大器的核心，由相敏檢波器完成互相關(guān)運(yùn)算中的相乘運(yùn)算。

設(shè)輸入信號(hào)為Us=Essin(2πf1t+?1)，參考信號(hào)為，那么

圖2 互相關(guān)運(yùn)算乘法電路Fig.2 The multiplying circuit of cross correlating operation

相敏檢波器的輸出包含著兩個(gè)信號(hào)的和頻與差頻分量，當(dāng)Us與Uc同頻時(shí)，這時(shí)候差頻分量為0，該項(xiàng)變成了相敏直流分量輸出，當(dāng)兩信號(hào)相位差為0時(shí)有最大輸出，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)正交時(shí)，輸出為0；和頻分量成為倍頻信號(hào)，可以通過低通濾波器將倍頻信號(hào)濾除。

接地電阻檢測(cè)儀信號(hào)處理簡(jiǎn)圖如圖3。

為避開工頻干擾，ML2035 DDFS芯片產(chǎn)生異于工頻及其高次諧波的正弦信號(hào)，信號(hào)頻率為63 Hz。該信號(hào)一路經(jīng)過AP功率放大后，驅(qū)動(dòng)電壓鉗口，電流鉗口的回檢電流經(jīng)過I/V變換后，經(jīng)過LPF1低通濾波器后進(jìn)入AD630，I/V變換系數(shù)為kI/V。由ML2035取出的信號(hào)經(jīng)過移相器后，作為AD630的參考信號(hào)，AD630的輸出信號(hào)經(jīng)過低通濾波器LPF2后為直流信號(hào)，方便了微控制器的采樣處理，由于ML2035工作在穩(wěn)壓模式下，可以穩(wěn)定輸出5 V的正弦信號(hào)，能夠保證參考信號(hào)的穩(wěn)定。

圖3 接地電阻檢測(cè)儀信號(hào)處理簡(jiǎn)圖Fig.3 The signal processing diagram of grounding resistance detector

由電磁感應(yīng)定律知，電流鉗口能夠感應(yīng)出與ML2035發(fā)出信號(hào)同頻的電流信號(hào)。AD630的兩個(gè)輸入信號(hào)具有同頻的特點(diǎn)，為防止由于電路中存在的電容、電感的影響導(dǎo)致兩信號(hào)產(chǎn)生正交，設(shè)置一個(gè)移相器，對(duì)ML2035提供的參考信號(hào)相位進(jìn)行調(diào)整。

5 接地電阻檢測(cè)儀的標(biāo)定

由信號(hào)處理簡(jiǎn)圖知

其中：k3是功率放大器的放大倍數(shù)，可以被測(cè)量；UML2035為ML2035輸出電壓。

以模擬接地回路中串接標(biāo)準(zhǔn)電阻的方法，調(diào)整移相器，使得AD630的輸出最大，此時(shí)輸入AD630的兩路信號(hào)相位差為零，AD630的輸出電壓為，可以送微控制器進(jìn)行采樣。

根據(jù)式（4）（6）（7）（8）可得：

則接地電阻為

簡(jiǎn)記

式中：Ks為待定系數(shù)，通過標(biāo)準(zhǔn)電阻，以實(shí)驗(yàn)法對(duì)該系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定完成后，通過測(cè)量值，即可計(jì)算出待測(cè)接地電阻Rx。為進(jìn)一步提高檢測(cè)精度，可以加入溫度補(bǔ)償。考慮到不同材料的接地線，具有不同的電阻溫度系數(shù)，而溫度的影響對(duì)接地電阻檢測(cè)結(jié)果影響并不大，為簡(jiǎn)化硬件及軟件設(shè)計(jì)，未做溫度補(bǔ)償。

利用互相關(guān)法在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)儀器進(jìn)行檢測(cè)。測(cè)試設(shè)備：FLUCK17B萬(wàn)用表、精密電阻電橋測(cè)量?jī)x、精密電阻、電磁藕荷線圈及信號(hào)發(fā)生器。實(shí)驗(yàn)方法：利用導(dǎo)線串入待測(cè)電阻，模擬接地回路。由電磁耦合線圈對(duì)回路施加干擾，第一次加入干擾頻率50 Hz，第二次150 Hz，第三次3 000 Hz。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)室條件下電阻測(cè)試結(jié)果Tab.2 The test results of resistance under laboratory conditions

對(duì)某一建筑物六根接地線的接地電阻檢測(cè)結(jié)果對(duì)比見表2。

表2 接地電阻檢測(cè)結(jié)果Tab.2 Results of grounding resistance testing Ω

從檢測(cè)結(jié)果看，采用互相關(guān)處理后，接地電阻檢測(cè)結(jié)果與搖表法的測(cè)量值很接近，具有較高的檢測(cè)精度，能夠滿足接地電阻巡檢精度要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

論述了鉗口法接地電阻測(cè)量以及信號(hào)互相關(guān)處理的的原理。以鎖相放大芯片AD630為核心設(shè)計(jì)了接地電阻檢測(cè)儀的信號(hào)處理電路，能夠從復(fù)雜噪聲環(huán)境下，有效提取接地回路的感應(yīng)電流信號(hào)，提高了測(cè)量的準(zhǔn)確度。在儀器標(biāo)定過程中，以純電阻代替接地電阻，而實(shí)際接地網(wǎng)絡(luò)的電感及電容，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)相位產(chǎn)生一定程度的改變，對(duì)檢測(cè)結(jié)果產(chǎn)生影響，需要進(jìn)一步研究。

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