一种防雷接地装置的便携式检测仪检测方法

苏其进，吴红英，杨永广，刘静，闫丽

（扬州万泰电子科技有限公司，江苏扬州，225000）

0 引言

目前，新型变能组合式防雷接地装置采用特定组成成分的电介质材料作为雷电能量转化功能部件，接闪后能迅速将雷电转化为化学能、电场能、磁场能等能量，进行吸收、变换、释放三位一体化，减少了引下线装置产生的电磁场对周围设备的影响，同时减少了雷电反击和跨步电压对人员和设备的影响，而且成本低廉，非常适合于充电设施的防雷保护改造。由于该类型防雷接地装置属于免维护产品，不需要补充电介质，因此对其性能进行定期检测就显得十分必要。现有检测装置基本为通过检测防雷接地装置的瞬时导通电阻进行判断[1]，但防雷接地装置电介质是多种化合物的组合体，其阻抗呈现非线性特性，随着充电时间的持续，其测量的电阻值是变化的。雷电的特点是电压高、电流大，但时间短，一般持续时间为10ms～100ms之间[2]，这段时间也是整个防雷接地装置工作最严酷的阶段。因此，只有通过测量雷电发生期间的完整的电流特性，才能真实反映防雷接地装置的性能是否满足防雷要求。本文提出了一种便携式防雷接地装置检测仪，通过采样测量雷电发生期间的完整的电流特性，计算防雷接地装置阻值并判别其性能是否满足要求。

1 检测电路

图1 防雷接地装置检测仪主工作电路

图1为防雷接地装置检测仪的主工作电路。图1中，主回路继电器JDQ的规格为12V/30A。未进行检测时，比较器LM311的反相端输入为低电平，同相端输入为+2.5V，比较器输出端为高电平，继电器处于断开状态。当检测启动开关K3接通时，主处理单元检测到高电平，比较器输出切换为低电平，继电器触点吸合。直流电流传感器模块ACS712ELECTR-30A检测的电流送至主处理单元的A/D输入端。这样，主处理单元经过计算，就能计算出防雷接地装置的导通电阻，进而判断防雷接地装置的性能好坏。主处理单元采用 TI公司的控制类DSP芯片TMS320F2812，DSP通过外围电路与液晶屏LCD的驱动接口连接，可直接将处理结果送至LCD进行显示。

2 检测方法

防雷接地装置电介质是多种化合物的组合体，其阻抗呈现非线性特性，随着充电时间的持续，其测量的电阻值是变化的。雷电的特点是电压高、电流大，但时间短，这段时间也是整个防雷接地装置工作最严酷的阶段。因此，只有通过测量雷电发生期间的整个短时间内的电阻特性，才能更真实地反映防雷接地装置的性能是否发生变化及是否满足防雷要求。本文在现有通过瞬时电阻测量进行防雷接地装置的性能检测基础上，附加了通过对加电后100ms期间电流特性的分析进行雷接地装置的性能检测的方法，能更准确地判断防雷接地装置的性能是否满足充电设施的防雷要求。

防雷接地装置便携式检测仪的电压、电流信息采样流程：将防雷接地装置与设备和大地的连接断开，与检测仪连接。接通主电源工作电源开关，使检测仪预热1分钟，使检测仪处于良好的准备工作状态。接通检测启动开关，开始进行检测。检测启动开关的作用是：检测启动开关接通后，主处理单元接收到高电平信号，发出检测启动信号，并分别启动电压检测通道和电流检测通道ADC进行数据采样。主处理单元的TMS320F2812对采样数据进行计算分析，并将结果送LCD进行显示。TMS320F2812从收到检测启动开关接通后产生的高电平信号后发出检测启动信号，到经比较器LM311与2.5V基准电平比较后发出控制电平给继电器线圈，再到继电器触点吸合，中间需要25毫秒左右的时间（LM311比较器的电平翻转时间为200ns，继电器的吸合时间≤25ms）。因此，TMS320F2812的采样数据长度设为125ms。TMS320F2812的采样周期可根据用户具体要求进行设置，采样周期越短，采样的电压和电流间隔也越短，采样的数据也越多，计算分析的可靠性也越高，但计算的工作量也越大。本文中检测仪采样周期最长设为3.3ms，以确保100ms防雷接地装置通电时间内采样至少30个数据，保证分析结果的可靠性。由于继电器的吸合时间较长，防雷接地装置上电时电压检测通道和电流检测通道ADC已经进行采样工作，因此采样的电压通道和电流通道中包含有防雷接地装置通电前的检测数据。图2为防雷接地装置某次采样电流的波形图，采样周期为1ms。

图2 防雷接地装置采样电流波形图

下面进行计算分析。本文提出了一种通过计算电阻判别防雷接地装置性能的方法。本文同时提出了一种通过构建防雷接地装置上电电流的匹配模板，并将检测的实际电流曲线与匹配模板进行比对，进而判别防雷接地装置性能的方法。

（1）瞬时电阻计算分析方法

本文提出了一种防雷接地装置的电介质具有容性特征，上电瞬间流过的的电流会很大，因此该时刻的内阻一般最能反映防雷接地装置的电介质性能。将采样的电流数据进行排序，由于采样的数据不大，因此直接采用冒泡排序法。找出电流的最大采样数据，即电流的峰值，及其对应的采样时刻。分别找出峰值两边的两个次大值，及它们各自对应的采样时刻。然后，找出这三个电流i1、i2、i3各自对应采样时刻的电压值u1、u2、u3。分别计算得出各自时刻的电阻r1、r2、r3,对r1、r2、r3求平均值，得出检测出的防雷接地装置阻值r。0.1Ω≤r≤0.6Ω时，判定防雷接地装置合格；否则判定为不合格。

（2）电流波形匹配模板比对计算分析方法

本文以下计算分析说明过程中，均基于采样周期为3.3ms时进行。在进行下一次测试前，必须对防雷接地装置进行能量释放,以确保检测结果的准确性。

电流波形匹配模板比对计算分析方法的流程如下：

图3 曲线拟合前后的3组有效电流波形

采用防雷接地装置检测仪对被测装置测试3次，取得各自采样电流波形。分别找出各自的防雷接地装置通电起始时刻采样数据，去除未通电时刻的采样数据，得到新的3组有效电流数据。然后对这3组数据分别进行曲线拟合，得到较为平滑的电流采样数据。图3为曲线拟合前后的3组有效电流波形。将3组数据对应时刻的数据分别求平均，得到一组电流采样数据，然后将这组电流采样数据作为电流波形匹配模板，并进行存储。图4为匹配模板电流波形。防雷接地装置检测时，得到的采样数据，去除未通电时刻的采样数据，然后进行曲线拟合，得到的一组电流采样数据与匹配模板波形数据进行比对，如得到的均方差小于规定的最大值，判定防雷接地装置合格；否则判定为不合格。

图4 匹配模板电流波形

图3和图4中，横坐标为采样数据点数，纵坐标为采样数据归一化值。

曲线拟合采用最小二乘法。最小二乘法是一种常用的数学优化技术。它通过最小化误差的平方和寻找数据的最佳函数匹配。利用最小二乘法可以简便地求得未知的数据，并使得这些求得的数据与实际数据之间误差的平方和为最小。误差的平方和求平均并开根号即得到均方差。标准差能反映一个数据集的离散程度，因而常用于测量结果的判别。

将3组曲线拟合后的电流采样数据与匹配模板数据进行均方差分析，分析结果见表1。由表1可知，3组均方差都很小，表明建立的匹配模板是合理的，电流波形匹配模板比对计算分析方法是可行的。

表1 3组电流采样数据与匹配模板数据的均方差分析结果

LCD具有文字和图形显示功能，主处理单元将瞬时电阻计算结果、均方差分析结果、3组采样数据、3组有效电流数据及曲线拟合数据、匹配模板数据均送到LCD显示，用户可通过显示，根据经验自行判断防雷接地装置是否合格。

3 结束语

现有防雷接地装置检测装置基本为通过检测防雷接地装置的瞬时导通电阻进行判断，但防雷接地装置电介质是多种化合物的组合体，其阻抗呈现非线性特性，随着充电时间的持续，其测量的电阻值是变化的。雷电的特点是电压高、电流大，但时间短，这段时间也是整个防雷接地装置工作最严酷的阶段。本文提出了一种便携式防雷接地装置检测仪检测方法，通过采样测量雷电发生期间的完整的电流特性，计算防雷接地装置阻值并准确判别其性能是否满足要求。