一種防雷接地裝置的便攜式檢測儀檢測方法

蘇其進，吳紅英，楊永廣，劉靜，閆麗

（揚州萬泰電子科技有限公司，江蘇揚州，225000）

0 引言

目前，新型變能組合式防雷接地裝置采用特定組成成分的電介質材料作為雷電能量轉化功能部件，接閃后能迅速將雷電轉化為化學能、電場能、磁場能等能量，進行吸收、變換、釋放三位一體化，減少了引下線裝置產生的電磁場對周圍設備的影響，同時減少了雷電反擊和跨步電壓對人員和設備的影響，而且成本低廉，非常適合于充電設施的防雷保護改造。由于該類型防雷接地裝置屬于免維護產品，不需要補充電介質，因此對其性能進行定期檢測就顯得十分必要。現有檢測裝置基本為通過檢測防雷接地裝置的瞬時導通電阻進行判斷[1]，但防雷接地裝置電介質是多種化合物的組合體，其阻抗呈現非線性特性，隨著充電時間的持續，其測量的電阻值是變化的。雷電的特點是電壓高、電流大，但時間短，一般持續時間為10ms～100ms之間[2]，這段時間也是整個防雷接地裝置工作最嚴酷的階段。因此，只有通過測量雷電發生期間的完整的電流特性，才能真實反映防雷接地裝置的性能是否滿足防雷要求。本文提出了一種便攜式防雷接地裝置檢測儀，通過采樣測量雷電發生期間的完整的電流特性，計算防雷接地裝置阻值并判別其性能是否滿足要求。

1 檢測電路

圖1 防雷接地裝置檢測儀主工作電路

圖1為防雷接地裝置檢測儀的主工作電路。圖1中，主回路繼電器JDQ的規格為12V/30A。未進行檢測時，比較器LM311的反相端輸入為低電平，同相端輸入為+2.5V，比較器輸出端為高電平，繼電器處于斷開狀態。當檢測啟動開關K3接通時，主處理單元檢測到高電平，比較器輸出切換為低電平，繼電器觸點吸合。直流電流傳感器模塊ACS712ELECTR-30A檢測的電流送至主處理單元的A/D輸入端。這樣，主處理單元經過計算，就能計算出防雷接地裝置的導通電阻，進而判斷防雷接地裝置的性能好壞。主處理單元采用 TI公司的控制類DSP芯片TMS320F2812，DSP通過外圍電路與液晶屏LCD的驅動接口連接，可直接將處理結果送至LCD進行顯示。

2 檢測方法

防雷接地裝置電介質是多種化合物的組合體，其阻抗呈現非線性特性，隨著充電時間的持續，其測量的電阻值是變化的。雷電的特點是電壓高、電流大，但時間短，這段時間也是整個防雷接地裝置工作最嚴酷的階段。因此，只有通過測量雷電發生期間的整個短時間內的電阻特性，才能更真實地反映防雷接地裝置的性能是否發生變化及是否滿足防雷要求。本文在現有通過瞬時電阻測量進行防雷接地裝置的性能檢測基礎上，附加了通過對加電后100ms期間電流特性的分析進行雷接地裝置的性能檢測的方法，能更準確地判斷防雷接地裝置的性能是否滿足充電設施的防雷要求。

防雷接地裝置便攜式檢測儀的電壓、電流信息采樣流程：將防雷接地裝置與設備和大地的連接斷開，與檢測儀連接。接通主電源工作電源開關，使檢測儀預熱1分鐘，使檢測儀處于良好的準備工作狀態。接通檢測啟動開關，開始進行檢測。檢測啟動開關的作用是：檢測啟動開關接通后，主處理單元接收到高電平信號，發出檢測啟動信號，并分別啟動電壓檢測通道和電流檢測通道ADC進行數據采樣。主處理單元的TMS320F2812對采樣數據進行計算分析，并將結果送LCD進行顯示。TMS320F2812從收到檢測啟動開關接通后產生的高電平信號后發出檢測啟動信號，到經比較器LM311與2.5V基準電平比較后發出控制電平給繼電器線圈，再到繼電器觸點吸合，中間需要25毫秒左右的時間（LM311比較器的電平翻轉時間為200ns，繼電器的吸合時間≤25ms）。因此，TMS320F2812的采樣數據長度設為125ms。TMS320F2812的采樣周期可根據用戶具體要求進行設置，采樣周期越短，采樣的電壓和電流間隔也越短，采樣的數據也越多，計算分析的可靠性也越高，但計算的工作量也越大。本文中檢測儀采樣周期最長設為3.3ms，以確保100ms防雷接地裝置通電時間內采樣至少30個數據，保證分析結果的可靠性。由于繼電器的吸合時間較長，防雷接地裝置上電時電壓檢測通道和電流檢測通道ADC已經進行采樣工作，因此采樣的電壓通道和電流通道中包含有防雷接地裝置通電前的檢測數據。圖2為防雷接地裝置某次采樣電流的波形圖，采樣周期為1ms。

圖2 防雷接地裝置采樣電流波形圖

下面進行計算分析。本文提出了一種通過計算電阻判別防雷接地裝置性能的方法。本文同時提出了一種通過構建防雷接地裝置上電電流的匹配模板，并將檢測的實際電流曲線與匹配模板進行比對，進而判別防雷接地裝置性能的方法。

（1）瞬時電阻計算分析方法

本文提出了一種防雷接地裝置的電介質具有容性特征，上電瞬間流過的的電流會很大，因此該時刻的內阻一般最能反映防雷接地裝置的電介質性能。將采樣的電流數據進行排序，由于采樣的數據不大，因此直接采用冒泡排序法。找出電流的最大采樣數據，即電流的峰值，及其對應的采樣時刻。分別找出峰值兩邊的兩個次大值，及它們各自對應的采樣時刻。然后，找出這三個電流i1、i2、i3各自對應采樣時刻的電壓值u1、u2、u3。分別計算得出各自時刻的電阻r1、r2、r3,對r1、r2、r3求平均值，得出檢測出的防雷接地裝置阻值r。0.1Ω≤r≤0.6Ω時，判定防雷接地裝置合格；否則判定為不合格。

（2）電流波形匹配模板比對計算分析方法

本文以下計算分析說明過程中，均基于采樣周期為3.3ms時進行。在進行下一次測試前，必須對防雷接地裝置進行能量釋放,以確保檢測結果的準確性。

電流波形匹配模板比對計算分析方法的流程如下：

圖3 曲線擬合前后的3組有效電流波形

采用防雷接地裝置檢測儀對被測裝置測試3次，取得各自采樣電流波形。分別找出各自的防雷接地裝置通電起始時刻采樣數據，去除未通電時刻的采樣數據，得到新的3組有效電流數據。然后對這3組數據分別進行曲線擬合，得到較為平滑的電流采樣數據。圖3為曲線擬合前后的3組有效電流波形。將3組數據對應時刻的數據分別求平均，得到一組電流采樣數據，然后將這組電流采樣數據作為電流波形匹配模板，并進行存儲。圖4為匹配模板電流波形。防雷接地裝置檢測時，得到的采樣數據，去除未通電時刻的采樣數據，然后進行曲線擬合，得到的一組電流采樣數據與匹配模板波形數據進行比對，如得到的均方差小于規定的最大值，判定防雷接地裝置合格；否則判定為不合格。

圖4 匹配模板電流波形

圖3和圖4中，橫坐標為采樣數據點數，縱坐標為采樣數據歸一化值。

曲線擬合采用最小二乘法。最小二乘法是一種常用的數學優化技術。它通過最小化誤差的平方和尋找數據的最佳函數匹配。利用最小二乘法可以簡便地求得未知的數據，并使得這些求得的數據與實際數據之間誤差的平方和為最小。誤差的平方和求平均并開根號即得到均方差。標準差能反映一個數據集的離散程度，因而常用于測量結果的判別。

將3組曲線擬合后的電流采樣數據與匹配模板數據進行均方差分析，分析結果見表1。由表1可知，3組均方差都很小，表明建立的匹配模板是合理的，電流波形匹配模板比對計算分析方法是可行的。

表1 3組電流采樣數據與匹配模板數據的均方差分析結果

LCD具有文字和圖形顯示功能，主處理單元將瞬時電阻計算結果、均方差分析結果、3組采樣數據、3組有效電流數據及曲線擬合數據、匹配模板數據均送到LCD顯示，用戶可通過顯示，根據經驗自行判斷防雷接地裝置是否合格。

3 結束語

現有防雷接地裝置檢測裝置基本為通過檢測防雷接地裝置的瞬時導通電阻進行判斷，但防雷接地裝置電介質是多種化合物的組合體，其阻抗呈現非線性特性，隨著充電時間的持續，其測量的電阻值是變化的。雷電的特點是電壓高、電流大，但時間短，這段時間也是整個防雷接地裝置工作最嚴酷的階段。本文提出了一種便攜式防雷接地裝置檢測儀檢測方法，通過采樣測量雷電發生期間的完整的電流特性，計算防雷接地裝置阻值并準確判別其性能是否滿足要求。