ZC29B型接地电阻表的工作原理和调修

1ZC29B型接地电阻表的工作原理和调修相旸（云南省计量测试技术研究院，云南昆明650228）摘要：接地电阻测量仪是列入国家强制检定目录的一种工作用计量器具，相关检定员每年都有大量的检定任务。但由于这种仪器多在室外环境中使用，容易出现计量性能的下降和损坏。为了对这类仪表进行有效的调修，作者提供了ZC29B-2型接地电阻表的电器线路图，并简述了简化的接地电阻测量模型，对仪器的工作原理进行了简单说明，对图中的相敏整流电路的工作原理进行了分析。最后，提供了检定工作时经常遇到的故障的解决方法。为高效、优质地完成检定工作提供了保障。关键词：接地电阻测量仪；相敏整流电路；ZC29B-2；工作原理；调修AnalyzingthestructureandstudyingtherepairingofmodelZC29BearthresistancetesterXiangYang(Yunnaninstituteofmetrologyandtestingtechnology,YunnanProvince,Kunming650228)Abstract:TheearthresistancetesterisintheMenuofChinaCompulsiveVerification,andtheresearcherwhoengagedinthisworkhaslargeofworktodotoaccomplishthistaskeachyear.Asthistesterisusedinopen-air,thedecreasingofmetrologycapacityordamagemayoccur.Forthepurposeoffindingtheeffectivemethodsofsolvingthistroubles,theauthorgivesthecircuitdiagramofmodelZC29B-2earthresistancetester,depictsthesimplemodelofit,andexplainsthemechanismthatthetesterhowtoworkforshort,thenanalyzesphase-sensitiveAC-DC-CONVERTERcircuitinthediagram.Last,providesseveralwaysofsolvingthisproblemsthatusuallyhappensinthecalibrationofearthresistancetester,whichensuringthecalibrationofearthresistancetesterinaneffectiveandHigh-qualityway.Keyword:EarthResistanceTester;Phase-sensitiveAC-DC-CONVERTERCircuit;ZC29B-2;Mechanism;Repairing1引言接地电阻测量仪是列入国家强制检定目录的一种工作用计量器具，相关检定员每年都有大量的检定任务。但由于这种仪器多在室外环境中使用，容易出现计量性能的下降和损坏。虽然各生产厂家在出厂仪表时，都随表附带了说明书，对仪表的用途、性能、结构、工作原理和使用方法都作了简要说明，但对于计量检定和调修的工作要求，说明书的帮助有限。为了对这类仪表的结构和工作原理进行深入的分析，作者提供了ZC29B-2型接地电阻表的电器线路图，并简述了简化2的接地电阻测量模型，对仪器的工作原理进行了简单说明，对图中的相敏整流电路的工作原理进行了分析。最后，提供了检定工作时经常遇到的故障的解决方法。为高效、优质地完成检定工作提供了保障。2ZC29B型接地电阻表的工作原理和调修2.1ZC29B型接地电阻表的工作原理接地电阻测试仪又称接地电阻表，ZC29B型接地电阻测试仪是目前使用量较大的一种，它由手摇发电机、电流互感器、滑线电阻及检流计等组成，全部机构装在塑料壳内，外有皮壳便于携带。附件有辅助探棒、导线等，装于附件袋内。为便于说明其工作原理，画出ZC29B-2型接地电阻表的电器线路图如下。图1ZC29B-2型接地电阻表的电器线路图3ZC29B型接地电阻表可测量理论接地电阻值，其测量方式可由如下的简化接地电阻测量模型解释，假设图1中“大地”的电阻率是常数，将以“E”、“P”和“C”三个端钮相连接的接地棒为中心，地面下半径为定长的半球的体电阻计算出来，当这三个半球的半径达到一定距离后，这3个体电阻的阻值就基本不变了，称这样的电阻为流散电阻，设与“E”、“P”和“C”三个端钮对应的流散电阻的值分别为RE、RP和RC。除去这三个流散电阻后，大地余下的部分对这个接地电阻表来说，就可以看作电阻值忽略不计的导线。可知，“E”端钮所测的电阻等于连接于“E”端钮的接地线的电阻、接地体的电阻（这里为接地棒的电阻）和流散电阻三部分之和，一般情况下，流散电阻的值比前两者都要大得多。这时“E”端钮所测得的流散电阻即是理论接地电阻值。ZC29B型接地电阻表工作时，先由手摇发电机生成交流电势差，由电势差引起的交流电流I1通过由手摇发电机、RE、RC、R5和电流互感器一次侧构成的电流回路。同时电流互感器的二次侧感应出与一次侧成固定比例的电流I2。I1通过RE时产生的电势的相量值由P端采样送到晶体管相敏整流电路，I2通过滑线电阻时产生的电势的相量值由滑线电阻的中心抽头采样送到晶体管相敏整流电路，当这两者的幅值或相位有差别，并且大于该相敏整流电路的分辨力时，检流计就做出相应的指示。调节滑线变阻器，使检流计指零，如果知道滑线变阻器上有电流通过部分的电阻值Rx，根据电流互感器的电流比12IkI，可以计算出RE的值为XERRk。依据RE与RX的线性关系，在以滑线电阻器相连的均匀刻度盘上标出相应的数值，就可以读出RE的值。相敏整流电路是ZC29B型接地电阻表电路中的关键部分，它与检流计、滑线电阻器相配合，实现了用交流电对电阻值的测量。在图1的中部，由S2到S4的部分构成了相敏整流电路，它由一个独立电源供电，制作在电路板上，水平放置在仪表壳体内部。电路板上除了该电路，还有电流互感器。该整流电路中将T1作为电子开关，用于比较的两个电势相量的差值，当滑线电阻器上测得的电势相量值PRW1，和“P”端钮所测得的电势相量值PP之差作用在电阻R9上时，使得该电子开关启动，并不断向C1充电，检流计指针就会向一个方向偏转，而偏转角度的大小和快慢指示出PRW1和PP的偏离程度，同时检流计偏转的方向也指示出PRW1和PP差值的正负，即若PRW1减去PP为正，检流计指针左偏，则当PRW1减去PP为负时，检流计指针应该右偏。为了使T1能够正常工作，在仪表出厂前都需要在短路和开路工作时对检流计调零，即调节可调电阻Rw2，使得在摇动手摇发电机时，检流计的指针不会离开零点位置太远，仅在一个最小刻度的范围内偏转，这时，相敏整流电路的工作状态是，电源不断通过整流电路对C1充电，不过，充电的方向刚好相反，即，当正弦波的上半波形对电容C1的一侧充正电荷，该正弦波的下半波形就对电容C1的另一侧充正电荷，最终的结果是C1上没4有积累足够的电量，因此，使检流计只能在最小刻度内有轻微的偏转。当PRW1减去PP的值作用在R9上时，就会打破这种平衡。因为，PRW1和PP是相位相近的同频率正弦波，他们的差值也是同频率正弦波，并且，由于向相敏整流电路供电的电源和向RE、电流互感器一次侧、RC组成的电流回路供电的电源，都共用一个发电机磁芯，造成它们也是相位相近的同频率正弦波。如果此时独立电源提供的是正弦波的上半波形，独立电源将通过R6，RW2，R8，R9，R10，C1，D2组成的一条电流通路L1向图中C1的上半部充正电荷，而紧接着的下半波形将通过R7，RW2，R8，R9，R11，C1，D1组成的另一条电流通路L2向图中C1的下半部充正电荷，并且这两条电流通路上R8，R9的电阻值很大，因此，充电的电流很小，对电容的充电比较慢，但如果作用在R9上的电压足够高，T1的射极就会导通，使得从T1的集电极到射极形成另一条电流通路LT1，它的阻值比R8或R9小很多，这时充电电流很大，对电容C1的充电比较快。如果PRW1减去PP的值为正，加到R9上的电压受到影响，正弦波上半部分就能打开通路LT1，使得独立电源通过R6，RW2，LT1，R10，C1，D2向图中电容C1的上半部充正电荷，而正弦波的下半部分作用在整流电路上时，由于PRW1减去PP的差值此时为负，使得开关T1截止，电流仍然只能通过通路L2向图中C1的下半部充正电荷，这样C1的上半部分所充得的电量大于下半部分所充得的电量，并不断积累，使得电容产生足够的电位差，并向检流计供电，使检流计偏转较大的角度。相反，如果PRW1减去PP的值为负，加到R9上的电压受其影响，正弦波的上半部分向电容充电时，开关T1截止，电流仍然只能通过通路L1向图中C1的上半部充正电荷，当正弦波的下半部分对电容充电时，由于此时加到R9上的电压为正（PRW1减去PP的值是相量值），因此，电流通路LT1被打开，电流将通过R7，RW2，LT1，R11，C1，D1向图中C1的下半部充正电荷，经过多个正弦周期，当电容C1产生了足够的电位差，向检流计供电，使检流计偏转较大的角度，不过，由于这次是电容C1的另一面为电势的高端，检流计将偏向另一边。2.2ZC29B型接地电阻表的调修以上是ZC29B工作的基本原理，参考图1，当ZC29B-2型接地电阻表S1，S2，S3，S4四个联动开关分别接通标示着○1的位置时，接地电阻表的档位为×10Ω档，当接通中间位置时，档位为×1Ω档，当接通下一个位置时，档位为×0.1Ω档。根据厂家所给的说明书，大部分ZC29B-2型接地阻表的元件参数如下：表一：ZC29B-2型接地电阻表元件参数表元件名称元件参数值元件名称元件参数值R14.04Ω（±0.2%）R121.1kΩR2396Ω（±0.2%）R1310kΩR344.4Ω（±0.2%）R1410kΩ5R4360Ω（±0.2%）R151.1kΩR51kΩR165.1kΩR61.1kΩR1730kΩR71.1kΩRW1（滑线电阻）（0～405）ΩR8100kΩRW2（可调电阻）（0～100）ΩR930kΩC1（电解电容）100μF（25V）R101.1kΩC2（金属化聚酯膜电容）2μF（160V）R111.1kΩ电流互感器(ZC29B-2型)K=1/4（I2/I1=K）从上表中可以看出，接地表对用于变换档位的电阻R1、R2、R3、R4的精度要求较高，它们都采用了高精度的线绕电阻，达到了±0.2%的精度。由于接地电阻表的结构特点，造成该类仪表经常产生以下一些问题，一、接好线，摇动发电机后，检流计指针不动作。这时，可以检查电阻R5，它可能因为在操作时，误接入的强电流而烧毁，或检查电流互感器一次侧的接线是否断开，它们都可能造成通过电流互感器一次侧的电流回路断路，仪表没有采样到电压相量送至相敏整流电路，因此检流计指针不动作。或者检查T1管是否已坏，如果T1管坏了，就不能让相敏整流电路正常工作，检流计指针也不动作。二、接好线，摇动发电机后，检流计指针用力打向一边。这时，可以检查电流互感器二次测的接线处是否断开或者线圈中的绕线是否断了。如果二次测的接线或绕线断了，相敏整流电路不能从滑线电阻器RW1上取得电压相量，总是从P端取得的电压相量值较大，检流计指针因此用力打向一边。三、在检定接地电阻表时，某个点的值突然变大，或者在这个点上，检流计指针指示不稳定。这说明精密滑线电阻器RW1和它的金属压片压合不紧，或者由于长时间不用，该滑线电阻器表面某些地方已经生锈或被细灰附着，使得接触电阻变大。这时可用金相砂纸轻轻打磨掉其表面的锈迹或细灰，再轻涂一层可导电的防锈油（有专用的仪表用油），即可调好仪表。四、在检定接地电阻表某个档位时，该表的线性明显变坏，可检查与该档位相关的精密电阻（R1，R2，R3或R4）阻值是否变化，某些接地表没有使用线绕电阻，而是