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總裝測試廠房接地阻抗安全監測系統研究

文檔作者：張仲① 陶冶① 岳景東② 朱立文檔來源： ①北京萬云科技開發有限公司 ②北京市突發事件預警信息發布中心 ③北京市石景山氣象局			點擊數：
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Internal Combustion Engine &amp;amp; Parts
0 引言
隨著我國航天事業的蓬勃發展，航天產品有著多樣
化、復雜化和系統化特點，對總裝測試廠房接地阻抗可靠
性提出了非常苛刻的要求。為了考慮安全性和保密性，總
裝測試廠房一般建在山區，山區土壤電阻率高、地質和氣
象環境復雜，容易對廠房接地網腐蝕進而引起接地阻抗快
速升高，造成產品測試過程中不安全因數。廠區其它系統
專業進行地下管網改造也有可能對廠房接地網造成人為
破壞，若不及時發現就有可能造成接地網失效，后果不堪
設想。本文通過接地阻抗監測原理、接地阻抗安全監測系
統組成、接地阻抗安全監測系統實現、接地阻抗安全監測
系統測試四個方面論述，設計一套適合航天部門特點的總
裝測試廠房接地阻抗監測系統。該系統可以對多個總裝測
試廠房接地阻抗數據進行時時采集，并自動進行分析、保
存和逐級上報，對廠房接地阻抗超過設定值主動報警，讓
測試技術人員、安全生產管理機關和主管領導第一時間內
知道每個廠房的接地阻抗情況，確保了總裝測試廠房接地
阻抗的安全性。同時管理單位還可以利用該系統數據庫對
總裝測試廠房接地系統多年運行數據進行對比分析，摸清
總裝測試廠房接地系統運行規律，為以后總裝廠房接地系
統建設提供數據參考。
1 接地阻抗監測原理
1.1 接地阻抗測試原理
接地阻抗是在接地電極流I 入大地時，接地電極電位
V 和I 的比值。因此，為了測量接地阻抗，首先要在接地電
極注入一定的電流，這就需要設置一個可提供電流回路的
電流極（見圖1 中的電極C），并用電流表測出該電流。為
了用電壓表測出接地電極的電位，則需要設置一個能測出
無窮遠零位面處電位的電壓極（見圖1 中的電極P），這種
測量接地阻抗方法的原理稱為電壓電流法。由于電壓極不
可能真正設在無窮遠處，而電流極的存在又會使地中電流
場發生畸變從而影響到地面電位分布引起誤差，減小這種
誤差的方法有遠離法、補償法等多種方法，但考慮總裝測
試廠房接地網尺寸一般較大且處在土壤不均勻的山區，故
考慮采用遠離法。
圖1 接地阻抗測試原理圖
1.2 遠離法減小測試誤差原理
總裝測試廠房接地網形狀比較接近理想圓環電極模
型，為了正確分析遠離法減小測試誤差原理，假設總裝測
試廠房接地網為一理想圓環接地極，測試布線見圖2。
圖2 中電流I 所引起的電壓極P 處的電位可利用接
總裝測試廠房接地阻抗安全監測系統研究
Research on the Safety Monitoring System of the Ground Impedance of Assembly Testing Plant
張仲① ZHANG Zhong：陶冶① TAO Ye：岳景東② YUE Jing-dong：朱立③ ZHU Li
（①北京萬云科技開發有限公司，北京100089；②北京市突發事件預警信息發布中心，北京100089；
③北京市石景山氣象局，北京100043）
（①Beijing Wanyun Technology Development Co.，Ltd.，Beijing 100089，China；②Beijing Emergency Warning Information Release
Center，Beijing 100089，China；③Shijingshan Meteorological Bureau of Beijing，Beijing 100043，China）
摘要:接地阻抗可靠性對總裝測試廠房安全測試環境有著重要意義。目前總裝測試廠房接地阻抗測量主要靠人工手動測量完成，
為了確保測量可靠，使用單位一般都聘請專業機構來完成。一次測量需要投入大量人工、時間和資金，因此多數單位一年只進行一次
例行檢測。這樣就很難確保總裝測試廠房接地阻抗的安全性。針對這種現狀，本文基于接地阻抗測試原理、工業控制、物聯網技術、網
絡通信和嵌入技術設計出一套接地阻抗自動監測系統。系統測試主機能夠自動測量接地阻抗，并自動保存和上傳，形成對總裝測試廠
房接地阻抗時時進行監測。并根據航天部門特點，設計為分級管理模式，確保總裝測試廠房接地阻抗安全可靠。
Abstract: Grounding impedance reliability is of great significance for the assembly test plant safety testing environment. At present, the
test of grounding impedance of the final assembly testing plant is mainly done by manual measurement. In order to ensure the measurement
is reliable, the related units usually employ professional agencies to complete the measurement. A measurement requires a lot of manpower,
time and money, so most units only conduct routine testing once a year. This makes it difficult to ensure the safety of the grounding
resistance of the assembly test plant. In response to this situation, this paper designs a ground impedance automatic monitoring system based
on the principle of ground impedance test, industrial control, Internet of Things technology, network communication and embedded
technology. System test host can automatically measure the ground impedance, and automatically save and upload, realizing real-time
monitoring of assembly test plant ground impedance. According to the characteristics of the aerospace department, it is designed as a
hierarchical management mode to ensure that the grounding impedance of the assembly test plant is safe and reliable.
關鍵詞:總裝測試廠房接地；接地阻抗；自動監測
Key words: ground mounted test plant；ground impedance；automatic monitoring
·157·
萬方數據
內燃機與配件
地圓環周圍空間任一點的電位公式寫出：
（1）
由于DGP＞b，因此有（DGP-b）2 ＞0 或（DGP十b）2 ＞2DGPb，于
是可將展開級數逐項積分，得
（2）
而圓環本身電位V0 則為（3）
式中a 為圓環導體半徑。
由此可得到圓環電極電流I 引起的GP 之間電位
差為：
（4）
此時電流極（-I）所引起的GP 間的電位差為：
（5）
GP 之間總電位差為：
（6）
由此測得圓環接地極電阻R 為
（7）
已知圓環的實際接地電阻R0
（8）
將式（7）和式（8）整理，并取DGP＝DPC＝1／2（DGC），得：
（9）
取DGC＝10b，GDP＝5b，代入式（9）進行整理得：
（10）
假設圓環的半徑為40m， 圓環導體等效半徑為
20mm，代入式（10）得：1-R／R0＝0.031，如將電流極打在10
倍圓盤半徑處，所測得的接地電阻比實際接地電阻R0 小
3.1％，這在工程上完全可以接受的。
由于總裝測試廠房地網是網格狀的，比較接近圓環，
且廠房長度一般在60~150m 之間，寬度在20m~30m 左
右。假設一座總裝測試廠房，長度為120m，寬度為25m，地
網等效圓半徑為76.03m，接地網導體等效半徑為10mm，
1-R／R0＝0.0291。因此只要按照圖1 布置接地線測試廠房
接地網，測試值比實際值R0 小2.91％，就可以減小測試誤
差，滿足工程需要。
2 接地阻抗安全監測系統硬件組成
接地阻抗安全監測系統由硬件和軟件兩部分組成，可
以實現測試分廠（部）、廠（所）、院生安全產機關三級管理。
硬件部分由監測主機、下位機、上位機、通信鏈路及設備等
組成，系統組成圖見圖3。
圖3 接地阻抗安全監測系統硬件組成圖
2.1 監測主機
監測主機供本地人工手動測量、定時自動測量、下位
機和上位機命令測量三種方式，以滿足本地人工、自動和
遙控測量三種需求，監測主機單元組成如圖4。
2.2 下位機
下位機為工業控制計算機，安裝有系統操作軟件，可
實現對監測主機所有控制功能，并負責執行上位機遙信指
令，按照指令操作監測主機的功能，處于中間層。它可對接
圖2 圓環接地極接地電阻測量布線圖
·158·
萬方數據
Internal Combustion Engine &amp;amp; Parts
地阻阻抗監測主機測試的數據進行保存、分析和定期形成
報表，并通過人工和自動方式對來自監測主機原始數據以
及各種分析報表上傳至上位機，起到上傳下達的功能。
2.3 上位機
上位機一般設置在中心機房內，為最高級別權限的用
戶，上位機安裝監控所有下位機的監測軟件，通過與下位
機間的通信獲取測量數據，發送測量命令，發送校時同步
命令等，同時可以強制執行操作命令，可隨時訪問監測主
機和下位機內保存的數據及報表，可隨時下達測試任務和
強行終止任務等功能。
2.4 通信鏈路及設備
通信鏈路主要是指監測主機和下位機之間工業區內
通信鏈路和下位機與上位機之間的遠距離專線。一點對多
點鏈路連接可以采用工業485 接口協議來實現。為了防止
雷擊電磁脈沖干擾，建議工業區內通信鏈路宜采用光纜。
3 接地阻抗安全監測系統實現
接地阻抗安全監測系統采用分層實現、分級管理的方
式來實現。分層實現是指硬件部分設計，硬件包括物理層
（監測主機及其輔助設備）、傳輸層（通信鏈路）、用戶層（下
位機、上位機）。分級管理是指軟件功能上實現不同級別用
戶權限上的管理，如本地監測為總裝測試廠房使用部門
（測試分廠（部））管理，下位機監測為廠（所）技術安全機關
管理，上位機監測為廠（所）主管領導或院安全生產機關管
理，監測數據可以實行多級備份，避免丟失篡改。
3.1 硬件實現
硬件實現核心在監測主機，其余部分就是典型的工業
儀表控制應用。如圖4 所示，監測主機的異頻恒流電源可
輸出頻率為45Hz 或55Hz 的正弦波測試電流，且其輸出
須與交流供電電源及地隔離，C1、C2 為其隔離輸出端子。
其輸出頻率和電流受微電腦系統控制。異頻恒流電源采用
高頻鏈和SPWM 高頻開關電源技術，這使得整機體積和
重量大大降低，故采用此種技術的接地阻抗測試儀比采用
工頻隔離變壓器技術的測試儀的重量要小得多，而且避免
變壓器形成磁路干擾，影響測試精度。
電壓放大器為一個高輸入阻抗放大器，它將P1、P2 兩
端的電壓放大后送給濾波器。I／V 轉換器將從電流互感器
取得的電流信號轉換為電壓信號后送給濾波器。考慮到現
場干擾不僅存在50Hz 工頻還含有其大量的高次諧波，故
濾波器采用帶通濾波器用于濾除干擾信號，只允許45Hz
或55Hz 信號通過。上述為儀器主要的模擬電路部分，根
據處理的信號可分為兩個通道即電流信號通道和電壓信
號通道。這部分電路設計的好壞直接關系到儀器的測量精
度和抗干擾能力。又考慮到接地阻抗測量實際是測量電壓
和電流的比值，可以將這兩路電路設計的盡量相同，特別
是濾波器可以采用相同的電路，這樣兩路模擬電路具有基
本相同的溫漂和時間漂移，從而大大提高了儀器在各種環
境在的測量精度。
A／D 轉換器采用12 位雙通道同步ADC 芯片，且自帶
采樣／保持器，用于對濾波后電壓和電流信號進行同步采
集，轉換為數字信號后送給微電腦系統。
微電腦系統的核心芯片采用高速微控制器MCU（舊
稱單片機），提供良好的運算和通訊能力。液晶顯示器采用
160×128 圖形液晶顯示模塊，可以顯示圖形和漢字。微型
打印機采用前換紙式點陣熱敏打印機，永遠現場打印測量
結果。RS-485 通訊模塊用于實現儀器與上（下）位機的通
訊連接。RS-485 是一種采用平衡傳輸方式的串行接口標
準，允許總線上有多個發送器和接收器。RS-485 標準具有
的特點有：由于采用差動發送／接收，故共模抑制比高，抗
干擾能力強；傳輸速率高，可達10Mb／s；傳輸距離遠，若采
用雙絞線，在不用MODEM 的情況下，當速率傳輸為
100kb／s 時，傳輸距離可達1.2km，若降低傳輸速率，傳輸距
離可以更遠。
測量儀器的測量數據都可以經通信線路傳給上、下位
機，上、下位機也可以通過發送測量命令的方式對每路測
量終端進行控制。這樣就能實現遠端多點測試。上位機裝
載的監測軟件由VC十十編寫，有良好的人機交互界面，管
理人員通過簡單的操作就可以得到當前接地電阻值。也可
以設置軟件的工作方式實現每天定時定點指定號機或多
臺下位機自動測量電阻并將數據發給上位機自動儲存，當
測量數據超出正常范圍時現場和監控中心自動報警。這樣
便可以省去工作人員觀察計算機測量數據耗費時間體力
的現狀。
3.2 軟件實現流程
圖5 較為詳細的描敘了下位機程序的主要流程，由圖
可見：監測主機下位機具有定點測試，等待測試命令兩種
測試方式，其中測試命令是廣義命令，包括上位機發送的
真實測試命令和現場手動按鍵測試兩種情況。該程序在每
次測量電阻后都能顯示計算后的結果，并能自動比較電阻
是否在正常范圍以內，若越界便自動報警。該程序也能根
據工作人員的要求選擇發送測試數據與否，并能通過執行
校時命令使多臺測試終端的測試結果與同一時間標準相
對應，這樣監控中心便能得到測試結果—測試時間的表
格，這對比較同一時間不同終端現場的接地電阻值很有意
義。對于同一現場接地電阻值隨時間的變化曲線可以通過
多次記錄測量數據實現，這些都可以通過設置上位機軟件
的工作方式來實現。
圖6 是上位機主動采集通信流程，顯示了上位機操作
上的優先權，通過上位機操作可以抽查下位機用戶報來數
據真實性，可以第一手掌握總裝測試廠房接地阻抗真實數
據，為所廠（所）主管領導或院安全機關決策提供參考。
3.3 通信鏈路及設備
實現數據和命令的通信，必須建立雙方遵守的通信協
圖4 監測主機單元方框圖
·159·
萬方數據
內燃機與配件
圖5 監測主機軟件流程圖
議，并在協議基礎上產生雙方認可的通信機制，圖6 給出
了本系統中的上位機主動采集的通信流程圖。上位機在校
準時間后發送采集命令并開始偵聽通信接口等待測量數
據的到來，如果能順利收到正確數據便開始向下一號下位
機發送采集命令，直到成功接收設定采集路數的所有下位
機的測量數據。如果上位機某次發送采集命令后沒有收到
數據就進入錯誤處理單元。沒有收到數據可能有多種原
因，比如通信鏈路出現故障等。接收到數據但數據不正確
也可能由多種影響因素，比如波特率偏移等。一個可靠的
系統不但本身的穩定性要好，也要有應對突發問題的容錯
能力，這里的錯誤處理單元就是針對突發的通信故障而設
計的。錯誤處理單元可以用來處理通信過程中的所有錯
誤，由于本系統較高的穩定性這里可以采取簡單的錯誤重
傳機制，對于比較復雜的測量和通信環境，可以改變錯誤
處理機制。此外，通信協議的質量也直接影響通信的質量。
本系統還考慮了另一種測量情況，即檢測人員在現
場按下監測主機測試鍵。這種情況下，監測主機測量完接
地電阻值后會自動向下位機發送測量數據，下位機根據
協議判斷數據正確與否，正確接收，錯誤進行相應處理，
此種情況通信過程流圖和圖6 中相似，區別在于是下位
機主動測量完后自動發送數據，不必等待上位機發送校
時和采集命令。
多點監測依靠輪詢方式實現，上位機按照圖6 的通信
流程圖對每臺下位機依次發出采集命令，各下位機在測量
完成后便依次將數據發送給上位機，上位機便可收到所有
下位機的測量結果。
4 系統的測試
接地電阻自動監測系統可應用于各種需要監測接地
阻抗的測試廠房，表1 是在某總裝測試廠房接地電阻現場
三臺下位機在連續時間段內的測量數據，待測電阻真值依
次是0.61Ω，0.58Ω，0.53Ω，采用遠距離法測量。
表1 接地電阻現場測量值
接地阻抗下
位機編號
參考值
（Ω）
測量值（Ω） 平均值
1＃
2＃
3＃
0.61
0.58
0.53
0.60
0.60
0.54
0.59
0.59
0.56
0.62
0.57
0.50
0.60
0.59
0.55
0.59
0.56
0.52
0.600
0.582
0.534
由表1 可見測量結果非常接近參考值，且波動在
十0.03~-0.03Ω 間，比較穩定。
接地阻抗下位機編號真實值（Ω） 計量值（Ω）
1＃
0.00
0.10
1.00
10.00
100.00
0.00
0.11
1.01
10.02
100.05
2＃
0.00
0.10
1.00
10.00
100.00
0.00
0.09
1.00
10.03
100.08
3＃
0.00
0.10
1.00
10.00
100.00
0.01
0.10
1.01
10.01
100.04
表2 計量部門鑒定值
表2 給出了三臺下位機在非單一電阻值下測量值與
真值的數據比較表，顯示結果也是比較精確的，只有確保
圖6 上位機主動采集軟件流程圖 通信設備可靠，系統測試精度是可以保證的。
·160·
萬方數據
Internal Combustion Engine &amp;amp; Parts
1 脫硫CEMS 系統簡介
通遼發電總廠共有4 臺200MW 及1 臺600MW 機
組，為了落實國家發改委《煤電節能減排升級與改造行動
計劃》要求，分別對2、3、5 號機組完成了脫硫的超凈排放
改造。改造的脫硫吸收塔均為遠達環保公司作為總承包完
成，改造前1 至4 號機組為兩爐一塔設計，改造后為一爐
一塔，屬于舊脫硫吸收塔改造工程。
脫硫的CEMS 整套系統包括：顆粒物檢測子系統；氣
態污染物檢測子系統；煙氣排放檢測子系統；數據處理子
系統。氣態污染物檢測采樣的是直接抽取＋非分散紅外吸
收法，分析儀為德國西門子U23。凈煙氣顆粒物檢測采用
的是福德世PFM 06 ED 抽取式粉塵濃度測量儀表。
2 超低改造前和超低排放后CEMS 系統狀況
2.1 原來2、3、5 號機組儀表污染物執行的要求
《火電廠大氣污染物排放標準中》SO2≤200mg／Nm3；
NOX≤200mg／Nm3；煙塵≤30mg／Nm3，測量儀表滿量程是最
大測量濃度的1-3 倍，SO2 和NOX 量程為0-600mg／m3，誤
差在2％；我廠超低排放改造前CEMS 中顆粒物檢測使用
MODEL2030 探頭的激光散射法測量，煙氣采樣為直接抽
取法，SO2 和NOX 檢測采用非分散紅外法NDIR，氧氣檢測
采用電化學法，流速檢測采用矩陣式測量，溫度檢測采用
鉑電阻法。
2.2 超低排放后執行的標準要求
我廠鍋爐燃燒采用的是低熱值褐煤，按規定排放標準
煙塵、SO2、NOX 排放限值分別為（10.35.50）mg／m3。所有凈
煙氣取樣點在濕法脫硫后的凈煙氣煙道上，煙氣中的液滴
含量高于煙塵含量，煙氣排放連續監測系統采用的是加熱
式抽取、冷凝除水的預處理方式，由于煙氣過濾、伴熱抽
取、冷凝過程中或多或少都會丟失部分被測組份。對于超
低排放來說，氣態污染物組份相對比較低，冷凝器的預處
理過程中丟失部分被測組份對測量的影響更大，特別是冷
凝過程中SO2 丟失受影響最大，所以將冷凝器改造為滲透
干燥器。
3 脫硫CEMS 的改造
分別對超凈排放脫硫CEMS 系統中的煙氣采樣系統、
煙塵測量系統、數據處理系統做了以下優化。
3.1 煙氣采樣系統
為了優化冷凝系統，已將3 號CEMS 系統的凈煙氣冷
凝系統的冷凝器改造為滲透除濕器。滲透除濕器優點是沒
有機械部件，不需要冷槍，避免了冷凝水吸收被污染問題，
減少了預處理過程中被測組份對測量的影響。
——————————————————————— 作者簡介:佟旭澤（1983-），男，通遼發電總廠，本科，主要研究熱
工自動裝置檢修；張煒（1985-），男，內蒙古通遼人，本
科（函授），助理工程師，主要研究熱工自動裝置檢修；
王鵬飛（1991-）男，內蒙古通遼人，助理工程師，本科，
主要研究熱工自動裝置檢修。
超凈排放脫硫CEMS 系統的優化
Optimization of CEMS System for Clean Purification
佟旭澤：張煒：王鵬飛
（通遼發電總廠，通遼028011）
（Tongliao Power Plant，Tongliao 028011，China）
摘要:本文主要闡述了超低排放改造后對CEMS 系統的優化內容，脫硫CEMS 系統在改造后煙塵采樣系統由激光散射法煙塵測
量改造成抽取式測量系統，其他子系統大部分則沿用之前的系統，但是在投產后仍遇到許多問題，經過摸索后多次優化，使得脫硫
CEMS 系統超凈排放的監測有了很大的提高。
Abstract: This paper mainly elaborates the optimized contents of CEMS system after ultra -low emission transformation. The
desulfurization CEMS system is transformed into the extraction system by the laser scattering method after the transformation. Most of the
other subsystems follow the previous system. In the production after still encounter many problems, after several times after the optimization,
making the desulfurization CEMS system clean emissions monitoring has been greatly improved.
關鍵詞:CEMS；超低排放；脫硫；上位機
Key words: CEMS；ultra-low emissions；desulfurization
5 結論
接地阻抗是總裝測試廠房接地系統一個重要的健康指
標，指標的好壞直接影響總裝測試廠房測試環境的安全與
否。以往總裝測試廠房接地阻抗測量需考人工完成，人工測
量需要耗費大量的人力和費用，而且不能夠隨時掌握總裝
測試廠房接地系統健康狀況。本文研究的接地阻抗安全監
測系統將接地電阻測量技術、自動化技術、物聯網技術和通
信技術有機地結合起來，通過選定自動測量、人工手動測
量、遠程遙控測量三種方式實現了接地阻抗動態監測。該系
統不僅可以測量保存現場數據還可以將數據進行報表分析
和分級上傳，形成分級管理模式。這與航天系統嚴格的安全
生產管理理念非常契合。若能夠實現，必會提高使用單位的
安全生產管理水平，在行業內部具有推廣泛地廣應用價值。
參考文獻:
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性設計［J］.質量與可靠性，2010（01）：38-42.
［2］解廣潤，陳慈萱，文習山，王建國，張元芳，喻劍輝，陳仕修.
避雷針和半導體消雷器的火箭引雷試驗分析［J］.高電壓技術，2006
（04）：11-12，46.
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