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专利名称：使用单个夹具测量电缆塔的接地电阻的方法
技术领域：
本发明通常涉及用于准确地测量接地杆的接地电阻的简易方法，尤其是用作接地 杆的电缆塔(pylon)基脚或者附在电缆塔基脚上的接地杆，并且获得电缆塔电阻的整体 值，即，所有并联基脚和所有与其并联连接的所有电缆塔。
背景技术：
良好接地的缺乏是危险的，并将增加设备故障的风险。没有有效的接地系统，人员 可能暴露在电击风险下，更不用说仪器错误、谐波失真问题、功率因数问题、以及众多可能 的间歇性两难问题。如果故障电流没有经由合理设计并维护的接地系统接地的路径，它们 就会寻找可能包括人的不期望途径。而且，除安全方面之外，良好的接地系统也用来避免工 业设备与装置被破坏，因此，为了提高装置的可靠性和减小由闪电或故障电流造成损害的 可能性，良好的接地系统是必要的。随着时间的推移，具有高含水量、高含盐量和高温度的腐蚀性土壤会侵蚀接地杆 及其连接。因此，即使初始安装时的接地系统可能具有低的接地电阻值，但如果接地杆 或者接地系统的其它元件随着时间的推移而被腐蚀，则接地系统的电阻可能会增高。接 地检测器是处理如间歇性电气问题的这种问题的必不可少的故障检修工具，这种问题可 能与不良接地或不良电力品质相关。因此，对所有接地和接地连接进行定期检查是重要 的。在这些周期性检查期间，如果测量到大于20%的电阻升高，例如，四基脚电缆塔的一 个基脚已经意外地断开，则有必要查找问题源，使得例如通过给接地系统更换或增加接地 杆可以进行降低电阻的各种校正。这种周期性检查可能涉及传导建立技术，如电势下降 (fall-of-potential)测试和选择性测量。典型的电缆塔具有多个基脚(例如4个)，这些基脚被用作接地杆，且可能包括补 充的辅助接地杆。必须定期测试这些接地杆的电阻。通常，相对于每个单独的基脚，只对每 个电缆塔的整体接地电阻感兴趣。每个单独的基脚的接地电阻通常只在在电缆塔的不同基 脚处所测量的各个电阻值之间出现极大变化的情况下才会相关。这种差别可以指示故障， 即，一个或多个基脚的过度腐蚀或者损坏。如果所有基脚通过接地电网(earth grid)连接 在一起，则与电网串联(in series)的所有基脚的低回路电阻也可以用已有技术进行测量。 这是可能的，因为可以进行这样的假设正确连接的电网自身的接地电阻不可能显著地变 化。可以具体实现接地测试系统，用于测试多个接地杆的整体电阻率，即，在如前述高 压电缆塔基脚的应用中。为了实现前述的电阻测量，已知现有技术需要额外的适配器设备， 其必须连接在要测试的接地杆和接地测试设备之间。这种适配器单元一般要求连接到四个 夹具，每个夹具要求附接到电缆塔的每个对应的基脚。然后确定四个基脚的整体电阻。这种 适配器往往不仅昂贵，而且笨重，因此增加了需要运送到电缆塔测试地点的装备量。而且， 这种现有技术的系统局限于最多有四条基脚的电缆塔。因为许多电缆塔具有要求最少五个 或更多测量的额外的接地杆与基脚，所以现有技术的技术不能提供用于完成更多的基脚或接地杆测量的有效系统。不将电缆塔接地系统的补充元件的测量纳入考虑范围内，这会导 致电缆塔整体电阻的不准确值。而且，现有技术的系统也不能提供电缆塔基脚电阻的真实值。同样，现有技术的技术往往极其耗时、劳动密集而且成本高昂，因为必须将电流夹 具连接到多个接地杆，即，必须将基脚连接到测试部件，该测试部件也必须连接到适配器。 而且，为了提高准确性，不仅希望获得每一个单独的电缆塔基脚的电阻的真实值，而且还希 望获得其阻抗的真实值，以便还允许对电缆塔的所有基脚的真实电阻和/或阻抗进行计 算。因此，本发明的目的是提供更为灵活的系统，其允许基于所做测量，对电缆塔或者多个 电缆塔的多个基脚中的每个基脚的真实电阻和/或阻抗值进行计算。

发明内容
本发明通过提供一种依照独立权利要求技术特征的方法来解决这些问题。通过从 属权利要求的附加技术特性提供优选的有利实施例。依照本发明，提供了一种确定两个或更多个电缆塔基脚的接地电阻的方法，包括 连续地对电缆塔的每一个基脚进行选择性测量，并且其中计算所测量的每一个基脚的电阻 值的真实值。依照本发明，测试部件直接连接到两个辅助电极和电流测量部件，辅助电极设 置在离电缆塔预定距离处，电流测量部件围绕电缆塔基脚设置，以便测量流经基脚的电流。 该两个辅助电极通常包括接地桩，并且电流测量部件通常包括电流夹具。由于这种桩和电 流夹具是标准的、易获得的测量附件，与现有技术相比，其直接连接到测试部件，其中只使 用单个电流测量部件，本发明通过消除对这种适配器的需求减少了与装配和拆除测试设备 有关的整体成本和额外劳动，因此提高了进行测量的有效性。具体地，代替同时测量流经四个电缆塔基脚的电流，本发明涉及连续地对每个单 独的电缆塔基脚进行测量。因此，根据本发明的进行四次连续测量的过程不要求比根据已 知的现有技术系统的需要装配适配器的过程更多的时间，该需要装配适配器的过程需要同 时连接四个单独的夹具，每个夹具连接到每个对应的基脚。从而，通过消除连接四个夹具中 的每一个到适配器的任务和依次连接适配器到主测试部件的任务，本发明有效地减少了装 配测试装置所需的时间。另外，与可以确定电阻的整体值和/或阻抗的幅值的已知的现有技术不同，本发 明使执行一系列的单独的电阻和/或阻抗测量(即，为四个基脚中的每一个)、然后计算所 有基脚的电阻和阻抗的真实值成为可能。而且，通过实现单个电流测量部件而不是串联连接的四个部件，本发明还不局限 于仅测量四个基脚，而是提供给定的电缆塔构造有多于四个基脚，和/或包括更多的补充 接地杆作为其整个接地系统的一部分的更多灵活性。本发明的单独测量方法不仅通过允许获得电缆塔接地系统的每一个单独基脚的 真实值而提高了准确性，而且允许快速隔离可能由于损坏而未能正常起作用的单独的基 脚。这样，根据本发明，注意力可能集中在特定元件的更换和/或改进上，而不是基于 整体值更换和/或改进作为整体的电缆塔接地系统的所有元件，从而，减少了涉及的成本 和劳动。
在本发明的优选实施例中，这种单独阻抗测量也可以包括确定电压和电流的复数 分量，包括测量所测得压降与由电流测量部件测得的流经基脚的电流之间的相位差。在实 际应用中，利用已知技术对所确定的复数分量应用快速傅立叶变换，其直接得出结果的实 部和虚部。通过确定电压和电流的复数分量，该实施例使得能够计算阻抗的全部和真实值， 即，具有实部和虚部。这种真实值在允许可能短路电流的正确和精确计算上是有利的，为了 确保电缆塔符合推荐的安全指导且能够在暴风雨的情况下有效地放电闪电，可能短路电流 的评估是十分重要的。在本发明的另一个实施例中，所述复数接地阻抗可以使用具有幅值和相位的极坐 标形式和/或具有实部和虚部的笛卡尔坐标形式进行表征。使用笛卡尔坐标形式允许阻抗 的方便的加法或减法，而使用极坐标形式简化了阻抗值的乘法或除法。因此，通过提供使用 两种形式的可能性，本实施例使得能够依据所需目的简化计算。依据本发明的另一实施例，执行用于确定电缆塔的整体复数阻抗的计算。对于并 联连接的至少两个电缆塔基脚，这样的计算包括至少两个复数阻抗值。通过允许在计算期 间根据需要在极坐标和笛卡尔坐标形式之间执行转换，该实施例使得能够更有效地执行整 体计算。在另一个实施例中，对多个电缆塔执行本发明和前述实施例的方法。这样做，可以 得到包括多个电缆塔的整个电线或电网系统的完全和真实的电阻和/或阻抗概况。获得这 种信息的准确性和有效性使得能够处理安全问题，与此同时减少了涉及的成本和劳动。在本发明的另一个实施例中，电流测量部件包括标准夹具、柔性夹具、电流互感器 (current transformer)夹具、磁通量闸门夹具、霍尔效应夹具中的至少一个。这些夹具会 在不同情况下带来优势。例如，柔性夹具包括柔性的并且重量轻的测量头，其可以连接到测 试部件，该测试部件接着为其提供所需电力。这允许在难以到达的区域中的快速简单地安 装夹具，而不需要额外的电池或者额外的外部电源。这种柔性夹具还可以用于大电流测量， 并且具有的优点是它围绕大的或者难以到达的导体(如母线)安装。作为对连续测量的替 代方案，长的延长的单个柔性夹具可以围绕所有电缆塔基脚放置，以便获得流经所有基脚 的整体电流值。本领域技术人员将理解，作为这种夹具的替代，任何其它的电隔离电流测量 部件都可以等同实施，其中所述测量部件可以使用例如磁通量闸门、霍尔效应和/或巨磁 阻(GMI )技术。在本发明的一个实施例中，可以使用多个夹具，其中每一个连接到电缆塔的对应 基脚，即串联连接，其中可以获得通过夹具在基脚中所测得的整体电流的和的瞬时值，而不 是依次执行单独测量和/或在随后对其执行计算之前存储它们。在另一个实施例中，测试部件优选地适配用于存储测量数据。这使得能够对单独 基脚、单独电缆塔或者在给定线或电网中连接的多个电缆塔进行多次测量。这使得操作 者能够决定何时已经收集到用于充分精度的足够数据，其中，在完成最后一次选择性测量 (对单独电缆塔或者多个电缆塔)之后，可以以简单方式计算电缆塔的整体电阻和/或阻 抗、每个基脚的电阻和/或阻抗、以及通过接地电缆并联连接的所有电缆塔的整体电阻和/ 或阻抗。


图1显示根据62%规则的用于进行三极(3-pole)电势下降测试的方法；图加显示根据本发明的用于执行选择性测量的方法；图2b显示根据图加的选择性测量的对应电路图；图3显示用于使用四极配置测试测量电缆塔的每个基脚上的四个接地杆的电阻 的现有技术解决方案；图4显示根据本发明的用于对电缆塔每个基脚执行使用三极配置的选择性测量 的测试部件；图如显示通过两个夹具连接到要测量的接地电极的测试部件，用于执行根据本 发明的接地电极无桩测量；图恥显示根据本发明的用于执行电缆塔接地电极的无桩测量的方法；图&是显示根据本发明的对其执行无桩测量的接地系统的并联电阻的等效电路图；图6显示根据本发明的用于执行两极测量的方法；图7显示根据本发明的实施例的、包括主单元MU和远程单元REM的用于执行测量 的测试部件。
具体实施例方式诜择件测量根据本发明，实施“选择性测量测试”技术。图加中示出其例子。这非常类似于 已知的“电势下降”测试，其用来测量接地系统或者单个电极的用于从电缆塔疏导能量的能 力，因为它提供了与从电势下降技术所得的完全相同的测量。相比电势下降测试，也以更安 全和更简单的方式有利地获得选择性测量，因为它不需要将待测的单独电极从其与电缆塔 接地系统的连接断开。这种断开将不期望地改变整个电缆塔接地系统的电势，因此有可能 引起错误，并因此误导测量结果。特别是，在电缆塔的情况下，高压线通常包括在各条线上连接所有电缆塔的接地 电缆。这种接地电缆允许闪电通过电缆塔放电到地面。当在特定线中的所有这些电缆塔都 连接到这种接地电缆时，该电缆就充当导体，从而跨越各电缆塔的电势差在幅值上是相等 的。换句话说，所有连接的电缆塔的接地电阻可被视为是并联的。通常地，不可能使用传统 的三极方法(如选择性测量)来测量单独的电缆塔电阻，除非断开接地电缆，如在电势下降 测试的情况中那样。然而，本发明提供了一种解决方案，其通过消除对执行危险且耗时的断 开接地电缆的需要，减少了操作者将自己或者其他人员或电子装置置于危险之中的机会， 而且同时有利地使得能够以更加节省成本且有效的方式获得所需测量。本发明使得能够仅 使用三极而不是四极来执行选择性测量技术，同时不需要断开接地电缆，并且还通过不改 变整个接地系统并因此不改变电势而获得正确的测量结果。在图4所示的本发明的例子中，以与已知的电势下降技术类似的方式，接地电极 X、两个辅助电极Y和Z连接到测试部件T并在离电缆塔P (即接地电极X)预定距离处安置 在土壤中，例如在一条直线上。另外的替代常用测量拓扑(未示出)包括以相互间不同的 角度(即90度)放置电极，而不是在一条直线上。根据图4所示的例子，接地电极X包括 电缆塔P的多个基脚之一。测试部件还包括至少一个电流测量部件，如图4所示的与其连接的夹具CC。夹具CC测量流经被测基脚的电流，且允许对单独电缆塔基脚进行精确电阻测 量，如图4所示。根据本发明，预先确定的测试电流由所述测试部件产生，并经由X电极流到Z电 极。测量从基脚X到Y电极的压降。由于基脚X另外连接到包括接地杆的其它基脚的事实， 所产生的测试电流并没有完全流经被测基脚，而是该测试电流的一部分另外流经包括接地 杆的所有其它基脚，该所有其它基脚与被测基脚并联连接。因此，测试部件T能够使用欧姆 定律(V = IR)，基于所产生的已知电流与所测量的电势下降，自动地计算基脚接地杆电极X 的电阻。因此，通过连续地将夹具CC围绕每个单独电缆塔基脚放置，而无需重新配置电极 X、Y和Z与测试部件之间的初始接线连接，可以获得包括多个基脚的电缆塔P的特定接地 系统的整体电阻的值，该每个基脚都包括接地电极。本发明不仅使得能够确定每个单独基 脚电阻的值，而且能够通过测试部件T执行的随后计算确定特定电缆塔的整体电阻(即所 有电缆塔基脚的电阻)的值。换句话说，在基脚处的每次测量都产生两个结果，特定基脚的 接地电阻和并联连接的所有其它基脚的整体接地电阻。测量结果还可以包括通过头顶的接 地电缆OEC连接到被测电缆塔的所有其它电缆塔(未示出)的接地电阻的值。无桩测量图5ajb和5c所示的根据本发明的另一可选技术使得测试部件T能够例如仅仅 使用电流夹具Cl和C2对接地系统中的接地回路电阻进行测量，与需要地桩形式的辅助电 极不同。依图恥所示，根据该技术的回路还可以包括接地系统的其它元件，而不仅仅是被 测基脚。这种其它元件可以包括例如接地电极导体、主搭接片(bonding jumper)、服务中线 (service neutral)、公用设施中 _ j；也搭接(utility neutral-to-ground bond)、公用设施 接地导体(各极之间)以及公用设施接地柱(utility pole ground)之类。在根据本发明实现时，该技术还提供消除断开并联接地的危险和耗时的活动的优 势，此外消除对必须经历寻找合适地点放置辅助电极的艰难过程的需要。因此，该技术使得 在由于障碍、地质或者附近缺乏土壤导致进入土壤是危险的、困难的或完全不可能的地方 能够进行接地测试。在根据本发明的这种无桩技术的例子中，所述测试部件T连接到至少一个电压发 生(电流感应)部件Cl和至少一个电流测量(电流感测)部件C2，优选地以相应的电流感 应和电流转换夹具的形式。两个夹具Cl和C2围绕待测电缆塔基脚放置，然后感应夹具Cl 围绕所述基脚X产生预先确定的(即已知的)电压。利用感测电流转换器夹具C2测量流 经电缆塔基脚的得到的感应电流，其中感测夹具C2优选地在感应夹具和土壤之间围绕电 缆塔基脚放置，以便测量从基脚向下流入地面的电流。然后，可以基于这些已知的感应电压和所测量的得到的电流的值计算基脚(即包 括其接地回路)的电阻和/或阻抗值。如图恥和5c中的例子所示，当电缆塔基脚和各电 缆塔并联连接时，它们有效地被视为并联电阻回路X2到Χ4Λη。从而，根据本发明的这种无 桩实施例，基脚处获得的值是电阻和/或阻抗值Xl加上所有并联电阻回路Χ2到Χ4Λη的 整体电阻和/或阻抗值。两极测量可以根据本发明实施的另一技术包括置于地中的单个辅助电极Y。为使这种技术正确地作用，必须使辅助电极Y在接地电极X或者待测电缆塔基脚的影响之外。该技术的 主要优势在于需要更少连接的方便性，因为只需要两个电极而不是三个(在选择性测量的 情况下)。而且，辅助电极Y可以由放置在待测电缆塔基脚X附近的地面中任何合适的设备 构成，例如图6中所示的水管Y。根据本发明，测试部件测量待测基脚X的接地电阻、辅助电 极Y的接地电阻和测量导线A和B的电阻的组合。假设辅助电极Y的接地电阻非常低，例 如，没有塑料部分或绝缘接头的金属水管。而且，为了得到更准确的结果，测量导线A和B 的影响可以通过在将各引线短路到一起来测量电阻并将该读数从最终测量中减去来消除。远稈单元REM在本发明的另一个实施例中，测试部件T可以包括相互通信的主单元MU和远程单 元REM。优选地，除了用于执行不同测试和测量的控制部件外，远程单元REM还可以包括用 于指示测量结果的显示器。所述控制部件例如可用于设定参数、开始测试和存储结果等。然 后，测试部件的远程单元REM可以传送各个命令给执行测量的主单元MU。在完成测量后，主 单元MU可以发送测量结果到测试部件的远程单元REM。在一个实施例中，通信(即这种命令、参数和结果的传输)可以通过使用主单元和 远程单元REM之间的电缆通信链路执行。为了与远程单元REM来往通信，也可以使用已有的 与主单元MU连接的电极测试导线。在另一个实施例中，这种通信可以通过射频(RF)(例如 蓝牙、ZigBee、WLAN、移动电话频率)或者可替代地通过红外技术无线进行。远程单元REM 可以连接到至少一个电流测量设备，如夹具。通过提供这种远程单元REM，其显著减少了重 新接线到每个电缆塔基脚的连接所需的时间与精力，并保证了测量和测试过程的效率。可替代地，除了控制部件测试部件T的主单元MU还可以包括其自己的显示器，使 得其可以操作而不用远程单元REM。然而，主单元MU也可以仅仅包括黑匣子，其有效地要求 远程单元REM来操作它。优选地，远程单元REM是手持的和便携的，并且可移除地与主单元 MU耦合，机械耦合或者电气耦合均可。图7显示这种整合设备的例子，其中主单元MU用作 远程单元REM的对接器(dock)。在本发明的另一个实施例中，测试部件的远程单元REM可以装备GPS接收器，其使 得能够获取位置和距离信息并用于进一步分析。GPS接收器也可用于获取绝对坐标，包括以 多组三维坐标(即包括高度)形式表示的地理位置和距离信息。因此，GPS接收器可以允 许所进行的测试以及所涉及的各个距离(例如远程探针的各自位置)的文字制图和定位。 这些坐标可以存储在已经测试地点的数据库中，所述数据可用于报告、日志记录以及预防 性维护的目的。这在例如应用于接地测试时非常有利，因为其经常需要测试特定电阻，该电 阻与各自的距离相关。而且，包括这种GPS接收器还可以提高和方便用于为获取更准确结 果的目的而进行的数据收集。在一个可选实施例中，光(例如激光)或者超声距离测量部件可以集成在测试部 件的远程部分中，以便通过消除对执行耗时的且可能不准确的手动测量的需要来方便距离 数据的确定。在另一个实施例中，主单元MU和远程单元REM 二者或任一可以包括存储器存储和 处理部件，用于存储和处理所有已确定的和已测得的值，包括例如距离、GPS坐标、日期和时 间以及标准测试参数。这提供了如下优势，即，可以获得在给定时间段内进行的所有测量或 者特定接地系统或区域的全部记录，这例如可以用于在完成最后测量之后的方便的数据比
总而言之，本发明为操作者消除了装配测试装置以执行所述电阻测量所需的许多 危险的和耗时的付出，同时还避免了对除测试部件外还购买昂贵的适配器单元的需要。因 此，本发明提供了一种用于使用标准设备对电缆塔的特定基脚执行三极选择性测量、无桩 测量、和/或二极测量的简便灵活的方法，并且使得能够获得特定基脚、电缆塔以及并联连 接的所有电缆塔的整体电阻和/或阻抗值。另外，本发明的实施例使得不仅能够测量单独 电缆塔基脚的电阻，而且能够测量复数阻抗，其中，在优选实施例中，所述复数阻抗包括实 部和虚部。因此，可以获得具有实部和虚部的电缆塔真实整体复数阻抗的计算。本领域技术人员将理解，一些前述测量技术可以进行为交流或直流测量，而且特 定目的所需要的任何其它合适的技术(如开尔文直流测量(Kelvin DC measurement))也 可以根据本发明实施。
权利要求
1.一种确定两个或更多个电缆塔基脚的接地电阻的方法，包括以下步骤 向电缆塔基脚、第一和第二辅助电极、和电流测量部件连接测试部件； 将所述第一和第二辅助电极安置在离电缆塔基脚预定距离处的土壤中； 其特征在于，对每一个电缆塔基脚围绕基脚安置电流测量部件；在电缆塔基脚和第一辅助电极之间施加具有至少一个预定频率和电压的交流电流； 测量电缆塔基脚和第二辅助电极之间的压降； 使用电流测量部件测量流经电缆塔基脚的电流；基于所述预定电压与频率值和所测得的电流值，计算电缆塔基脚的接地电阻值。
2.一种确定两个或更多个电缆塔基脚的接地电阻的方法，包括以下步骤 向电压发生部件和交流电流测量部件连接测试部件；其特征在于，对每一个电缆塔基脚 围绕基脚安置电压发生部件和电流测量部件； 利用电压发生部件在电缆塔基脚中产生预定电压； 利用电流测量部件测量沿电缆塔基脚由所述电压引起的电流； 基于所述预定电压和所测得的电流值，计算基脚的接地电阻值。
3.如权利要求1或2的方法，包括基于所有并联连接的电缆塔基脚的电阻，计算电缆塔 的整体接地电阻。
4.如权利要求1或2的方法，其中，确定接地电阻包括 对于每一个电缆塔基脚确定电压和电流的复数分量；以及 计算基脚的复数接地阻抗值。
5.如权利要求4的方法，其中，复数接地阻抗可以使用至少以下形式之一表征具有幅 值和相位的极坐标形式、具有实部和虚部的笛卡尔坐标形式。
6.如权利要求4或5的方法，包括基于所有并联连接的电缆塔基脚的复数接地阻抗，计 算电缆塔的整体复数接地阻抗。
7.如权利要求1到6的方法，包括对于多个电缆塔重复前述步骤。
8.如前述权利要求中任何一个的方法，其中，所述电流测量部件是夹具，且包括至少以 下之一标准夹具、柔性夹具、电流互感器夹具、磁通量间门夹具、霍尔效应夹具。
9.如前述权利要求中任何一个的方法，其中，所述测试部件包括用于存储测量数据的 数据存储部件。
10.如前述权利要求中任何一个的方法，其中，所述测试部件包括适于相互通信的主单 元和远程单元。
全文摘要
本发明通常涉及用于准确地测量接地杆的接地电阻的简易方法，尤其是作为接地杆的电缆塔基脚或者附在电缆塔基脚上的接地杆，并且获得电缆塔电阻的整体值，即，所有并联基脚和所有与其并联连接的电缆塔。根据本发明，提供了一种确定两个或更多电缆塔基脚的接地电阻的方法，包括顺序地对电缆塔的每个基脚进行选择性测量，其中计算每个所测量基脚的电阻的真实值。根据本发明，测试部件直接连接到在离电缆塔的预定距离处安置的两个辅助电极、和围绕电缆塔基脚安置的电流测量部件，以便测量流经基脚的电流。
文档编号G01R27/20GK102128988SQ201010625089
公开日2011年7月20日 申请日期2010年11月24日 优先权日2009年11月24日
发明者克劳斯·莱普尔 申请人:弗卢克公司