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总装测试厂房接地阻抗安全监测系统研究

文档作者：张仲① 陶冶① 岳景东② 朱立文档来源： ①北京万云科技开发有限公司 ②北京市突发事件预警信息发布中心 ③北京市石景山气象局		点击数：	更新时间： 2021年07月12日
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Internal Combustion Engine &amp;amp; Parts
0 引言
随着我国航天事业的蓬勃发展，航天产品有着多样
化、复杂化和系统化特点，对总装测试厂房接地阻抗可靠
性提出了非常苛刻的要求。为了考虑安全性和保密性，总
装测试厂房一般建在山区，山区土壤电阻率高、地质和气
象环境复杂，容易对厂房接地网腐蚀进而引起接地阻抗快
速升高，造成产品测试过程中不安全因数。厂区其它系统
专业进行地下管网改造也有可能对厂房接地网造成人为
破坏，若不及时发现就有可能造成接地网失效，后果不堪
设想。本文通过接地阻抗监测原理、接地阻抗安全监测系
统组成、接地阻抗安全监测系统实现、接地阻抗安全监测
系统测试四个方面论述，设计一套适合航天部门特点的总
装测试厂房接地阻抗监测系统。该系统可以对多个总装测
试厂房接地阻抗数据进行时时采集，并自动进行分析、保
存和逐级上报，对厂房接地阻抗超过设定值主动报警，让
测试技术人员、安全生产管理机关和主管领导第一时间内
知道每个厂房的接地阻抗情况，确保了总装测试厂房接地
阻抗的安全性。同时管理单位还可以利用该系统数据库对
总装测试厂房接地系统多年运行数据进行对比分析，摸清
总装测试厂房接地系统运行规律，为以后总装厂房接地系
统建设提供数据参考。
1 接地阻抗监测原理
1.1 接地阻抗测试原理
接地阻抗是在接地电极流I 入大地时，接地电极电位
V 和I 的比值。因此，为了测量接地阻抗，首先要在接地电
极注入一定的电流，这就需要设置一个可提供电流回路的
电流极（见图1 中的电极C），并用电流表测出该电流。为
了用电压表测出接地电极的电位，则需要设置一个能测出
无穷远零位面处电位的电压极（见图1 中的电极P），这种
测量接地阻抗方法的原理称为电压电流法。由于电压极不
可能真正设在无穷远处，而电流极的存在又会使地中电流
场发生畸变从而影响到地面电位分布引起误差，减小这种
误差的方法有远离法、补偿法等多种方法，但考虑总装测
试厂房接地网尺寸一般较大且处在土壤不均匀的山区，故
考虑采用远离法。
图1 接地阻抗测试原理图
1.2 远离法减小测试误差原理
总装测试厂房接地网形状比较接近理想圆环电极模
型，为了正确分析远离法减小测试误差原理，假设总装测
试厂房接地网为一理想圆环接地极，测试布线见图2。
图2 中电流I 所引起的电压极P 处的电位可利用接
总装测试厂房接地阻抗安全监测系统研究
Research on the Safety Monitoring System of the Ground Impedance of Assembly Testing Plant
张仲① ZHANG Zhong：陶冶① TAO Ye：岳景东② YUE Jing-dong：朱立③ ZHU Li
（①北京万云科技开发有限公司，北京100089；②北京市突发事件预警信息发布中心，北京100089；
③北京市石景山气象局，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:接地阻抗可靠性对总装测试厂房安全测试环境有着重要意义。目前总装测试厂房接地阻抗测量主要靠人工手动测量完成，
为了确保测量可靠，使用单位一般都聘请专业机构来完成。一次测量需要投入大量人工、时间和资金，因此多数单位一年只进行一次
例行检测。这样就很难确保总装测试厂房接地阻抗的安全性。针对这种现状，本文基于接地阻抗测试原理、工业控制、物联网技术、网
络通信和嵌入技术设计出一套接地阻抗自动监测系统。系统测试主机能够自动测量接地阻抗，并自动保存和上传，形成对总装测试厂
房接地阻抗时时进行监测。并根据航天部门特点，设计为分级管理模式，确保总装测试厂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.
关键词:总装测试厂房接地；接地阻抗；自动监测
Key words: ground mounted test plant；ground impedance；automatic monitoring
·157·
万方数据
内燃机与配件
地圆环周围空间任一点的电位公式写出：
（1）
由于DGP＞b，因此有（DGP-b）2 ＞0 或（DGP十b）2 ＞2DGPb，于
是可将展开级数逐项积分，得
（2）
而圆环本身电位V0 则为（3）
式中a 为圆环导体半径。
由此可得到圆环电极电流I 引起的GP 之间电位
差为：
（4）
此时电流极（-I）所引起的GP 间的电位差为：
（5）
GP 之间总电位差为：
（6）
由此测得圆环接地极电阻R 为
（7）
已知圆环的实际接地电阻R0
（8）
将式（7）和式（8）整理，并取DGP＝DPC＝1／2（DGC），得：
（9）
取DGC＝10b，GDP＝5b，代入式（9）进行整理得：
（10）
假设圆环的半径为40m， 圆环导体等效半径为
20mm，代入式（10）得：1-R／R0＝0.031，如将电流极打在10
倍圆盘半径处，所测得的接地电阻比实际接地电阻R0 小
3.1％，这在工程上完全可以接受的。
由于总装测试厂房地网是网格状的，比较接近圆环，
且厂房长度一般在60~150m 之间，宽度在20m~30m 左
右。假设一座总装测试厂房，长度为120m，宽度为25m，地
网等效圆半径为76.03m，接地网导体等效半径为10mm，
1-R／R0＝0.0291。因此只要按照图1 布置接地线测试厂房
接地网，测试值比实际值R0 小2.91％，就可以减小测试误
差，满足工程需要。
2 接地阻抗安全监测系统硬件组成
接地阻抗安全监测系统由硬件和软件两部分组成，可
以实现测试分厂（部）、厂（所）、院生安全产机关三级管理。
硬件部分由监测主机、下位机、上位机、通信链路及设备等
组成，系统组成图见图3。
图3 接地阻抗安全监测系统硬件组成图
2.1 监测主机
监测主机供本地人工手动测量、定时自动测量、下位
机和上位机命令测量三种方式，以满足本地人工、自动和
遥控测量三种需求，监测主机单元组成如图4。
2.2 下位机
下位机为工业控制计算机，安装有系统操作软件，可
实现对监测主机所有控制功能，并负责执行上位机遥信指
令，按照指令操作监测主机的功能，处于中间层。它可对接
图2 圆环接地极接地电阻测量布线图
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万方数据
Internal Combustion Engine &amp;amp; Parts
地阻阻抗监测主机测试的数据进行保存、分析和定期形成
报表，并通过人工和自动方式对来自监测主机原始数据以
及各种分析报表上传至上位机，起到上传下达的功能。
2.3 上位机
上位机一般设置在中心机房内，为最高级别权限的用
户，上位机安装监控所有下位机的监测软件，通过与下位
机间的通信获取测量数据，发送测量命令，发送校时同步
命令等，同时可以强制执行操作命令，可随时访问监测主
机和下位机内保存的数据及报表，可随时下达测试任务和
强行终止任务等功能。
2.4 通信链路及设备
通信链路主要是指监测主机和下位机之间工业区内
通信链路和下位机与上位机之间的远距离专线。一点对多
点链路连接可以采用工业485 接口协议来实现。为了防止
雷击电磁脉冲干扰，建议工业区内通信链路宜采用光缆。
3 接地阻抗安全监测系统实现
接地阻抗安全监测系统采用分层实现、分级管理的方
式来实现。分层实现是指硬件部分设计，硬件包括物理层
（监测主机及其辅助设备）、传输层（通信链路）、用户层（下
位机、上位机）。分级管理是指软件功能上实现不同级别用
户权限上的管理，如本地监测为总装测试厂房使用部门
（测试分厂（部））管理，下位机监测为厂（所）技术安全机关
管理，上位机监测为厂（所）主管领导或院安全生产机关管
理，监测数据可以实行多级备份，避免丢失篡改。
3.1 硬件实现
硬件实现核心在监测主机，其余部分就是典型的工业
仪表控制应用。如图4 所示，监测主机的异频恒流电源可
输出频率为45Hz 或55Hz 的正弦波测试电流，且其输出
须与交流供电电源及地隔离，C1、C2 为其隔离输出端子。
其输出频率和电流受微电脑系统控制。异频恒流电源采用
高频链和SPWM 高频开关电源技术，这使得整机体积和
重量大大降低，故采用此种技术的接地阻抗测试仪比采用
工频隔离变压器技术的测试仪的重量要小得多，而且避免
变压器形成磁路干扰，影响测试精度。
电压放大器为一个高输入阻抗放大器，它将P1、P2 两
端的电压放大后送给滤波器。I／V 转换器将从电流互感器
取得的电流信号转换为电压信号后送给滤波器。考虑到现
场干扰不仅存在50Hz 工频还含有其大量的高次谐波，故
滤波器采用带通滤波器用于滤除干扰信号，只允许45Hz
或55Hz 信号通过。上述为仪器主要的模拟电路部分，根
据处理的信号可分为两个通道即电流信号通道和电压信
号通道。这部分电路设计的好坏直接关系到仪器的测量精
度和抗干扰能力。又考虑到接地阻抗测量实际是测量电压
和电流的比值，可以将这两路电路设计的尽量相同，特别
是滤波器可以采用相同的电路，这样两路模拟电路具有基
本相同的温漂和时间漂移，从而大大提高了仪器在各种环
境在的测量精度。
A／D 转换器采用12 位双通道同步ADC 芯片，且自带
采样／保持器，用于对滤波后电压和电流信号进行同步采
集，转换为数字信号后送给微电脑系统。
微电脑系统的核心芯片采用高速微控制器MCU（旧
称单片机），提供良好的运算和通讯能力。液晶显示器采用
160×128 图形液晶显示模块，可以显示图形和汉字。微型
打印机采用前换纸式点阵热敏打印机，永远现场打印测量
结果。RS-485 通讯模块用于实现仪器与上（下）位机的通
讯连接。RS-485 是一种采用平衡传输方式的串行接口标
准，允许总线上有多个发送器和接收器。RS-485 标准具有
的特点有：由于采用差动发送／接收，故共模抑制比高，抗
干扰能力强；传输速率高，可达10Mb／s；传输距离远，若采
用双绞线，在不用MODEM 的情况下，当速率传输为
100kb／s 时，传输距离可达1.2km，若降低传输速率，传输距
离可以更远。
测量仪器的测量数据都可以经通信线路传给上、下位
机，上、下位机也可以通过发送测量命令的方式对每路测
量终端进行控制。这样就能实现远端多点测试。上位机装
载的监测软件由VC十十编写，有良好的人机交互界面，管
理人员通过简单的操作就可以得到当前接地电阻值。也可
以设置软件的工作方式实现每天定时定点指定号机或多
台下位机自动测量电阻并将数据发给上位机自动储存，当
测量数据超出正常范围时现场和监控中心自动报警。这样
便可以省去工作人员观察计算机测量数据耗费时间体力
的现状。
3.2 软件实现流程
图5 较为详细的描叙了下位机程序的主要流程，由图
可见：监测主机下位机具有定点测试，等待测试命令两种
测试方式，其中测试命令是广义命令，包括上位机发送的
真实测试命令和现场手动按键测试两种情况。该程序在每
次测量电阻后都能显示计算后的结果，并能自动比较电阻
是否在正常范围以内，若越界便自动报警。该程序也能根
据工作人员的要求选择发送测试数据与否，并能通过执行
校时命令使多台测试终端的测试结果与同一时间标准相
对应，这样监控中心便能得到测试结果—测试时间的表
格，这对比较同一时间不同终端现场的接地电阻值很有意
义。对于同一现场接地电阻值随时间的变化曲线可以通过
多次记录测量数据实现，这些都可以通过设置上位机软件
的工作方式来实现。
图6 是上位机主动采集通信流程，显示了上位机操作
上的优先权，通过上位机操作可以抽查下位机用户报来数
据真实性，可以第一手掌握总装测试厂房接地阻抗真实数
据，为所厂（所）主管领导或院安全机关决策提供参考。
3.3 通信链路及设备
实现数据和命令的通信，必须建立双方遵守的通信协
图4 监测主机单元方框图
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万方数据
内燃机与配件
图5 监测主机软件流程图
议，并在协议基础上产生双方认可的通信机制，图6 给出
了本系统中的上位机主动采集的通信流程图。上位机在校
准时间后发送采集命令并开始侦听通信接口等待测量数
据的到来，如果能顺利收到正确数据便开始向下一号下位
机发送采集命令，直到成功接收设定采集路数的所有下位
机的测量数据。如果上位机某次发送采集命令后没有收到
数据就进入错误处理单元。没有收到数据可能有多种原
因，比如通信链路出现故障等。接收到数据但数据不正确
也可能由多种影响因素，比如波特率偏移等。一个可靠的
系统不但本身的稳定性要好，也要有应对突发问题的容错
能力，这里的错误处理单元就是针对突发的通信故障而设
计的。错误处理单元可以用来处理通信过程中的所有错
误，由于本系统较高的稳定性这里可以采取简单的错误重
传机制，对于比较复杂的测量和通信环境，可以改变错误
处理机制。此外，通信协议的质量也直接影响通信的质量。
本系统还考虑了另一种测量情况，即检测人员在现
场按下监测主机测试键。这种情况下，监测主机测量完接
地电阻值后会自动向下位机发送测量数据，下位机根据
协议判断数据正确与否，正确接收，错误进行相应处理，
此种情况通信过程流图和图6 中相似，区别在于是下位
机主动测量完后自动发送数据，不必等待上位机发送校
时和采集命令。
多点监测依靠轮询方式实现，上位机按照图6 的通信
流程图对每台下位机依次发出采集命令，各下位机在测量
完成后便依次将数据发送给上位机，上位机便可收到所有
下位机的测量结果。
4 系统的测试
接地电阻自动监测系统可应用于各种需要监测接地
阻抗的测试厂房，表1 是在某总装测试厂房接地电阻现场
三台下位机在连续时间段内的测量数据，待测电阻真值依
次是0.61Ω，0.58Ω，0.53Ω，采用远距离法测量。
表1 接地电阻现场测量值
接地阻抗下
位机编号
参考值
（Ω）
测量值（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 可见测量结果非常接近参考值，且波动在
十0.03~-0.03Ω 间，比较稳定。
接地阻抗下位机编号真实值（Ω） 计量值（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 计量部门鉴定值
表2 给出了三台下位机在非单一电阻值下测量值与
真值的数据比较表，显示结果也是比较精确的，只有确保
图6 上位机主动采集软件流程图 通信设备可靠，系统测试精度是可以保证的。
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万方数据
Internal Combustion Engine &amp;amp; Parts
1 脱硫CEMS 系统简介
通辽发电总厂共有4 台200MW 及1 台600MW 机
组，为了落实国家发改委《煤电节能减排升级与改造行动
计划》要求，分别对2、3、5 号机组完成了脱硫的超净排放
改造。改造的脱硫吸收塔均为远达环保公司作为总承包完
成，改造前1 至4 号机组为两炉一塔设计，改造后为一炉
一塔，属于旧脱硫吸收塔改造工程。
脱硫的CEMS 整套系统包括：颗粒物检测子系统；气
态污染物检测子系统；烟气排放检测子系统；数据处理子
系统。气态污染物检测采样的是直接抽取＋非分散红外吸
收法，分析仪为德国西门子U23。净烟气颗粒物检测采用
的是福德世PFM 06 ED 抽取式粉尘浓度测量仪表。
2 超低改造前和超低排放后CEMS 系统状况
2.1 原来2、3、5 号机组仪表污染物执行的要求
《火电厂大气污染物排放标准中》SO2≤200mg／Nm3；
NOX≤200mg／Nm3；烟尘≤30mg／Nm3，测量仪表满量程是最
大测量浓度的1-3 倍，SO2 和NOX 量程为0-600mg／m3，误
差在2％；我厂超低排放改造前CEMS 中颗粒物检测使用
MODEL2030 探头的激光散射法测量，烟气采样为直接抽
取法，SO2 和NOX 检测采用非分散红外法NDIR，氧气检测
采用电化学法，流速检测采用矩阵式测量，温度检测采用
铂电阻法。
2.2 超低排放后执行的标准要求
我厂锅炉燃烧采用的是低热值褐煤，按规定排放标准
烟尘、SO2、NOX 排放限值分别为（10.35.50）mg／m3。所有净
烟气取样点在湿法脱硫后的净烟气烟道上，烟气中的液滴
含量高于烟尘含量，烟气排放连续监测系统采用的是加热
式抽取、冷凝除水的预处理方式，由于烟气过滤、伴热抽
取、冷凝过程中或多或少都会丢失部分被测组份。对于超
低排放来说，气态污染物组份相对比较低，冷凝器的预处
理过程中丢失部分被测组份对测量的影响更大，特别是冷
凝过程中SO2 丢失受影响最大，所以将冷凝器改造为渗透
干燥器。
3 脱硫CEMS 的改造
分别对超净排放脱硫CEMS 系统中的烟气采样系统、
烟尘测量系统、数据处理系统做了以下优化。
3.1 烟气采样系统
为了优化冷凝系统，已将3 号CEMS 系统的净烟气冷
凝系统的冷凝器改造为渗透除湿器。渗透除湿器优点是没
有机械部件，不需要冷枪，避免了冷凝水吸收被污染问题，
减少了预处理过程中被测组份对测量的影响。
——————————————————————— 作者简介:佟旭泽（1983-），男，通辽发电总厂，本科，主要研究热
工自动装置检修；张炜（1985-），男，内蒙古通辽人，本
科（函授），助理工程师，主要研究热工自动装置检修；
王鹏飞（1991-）男，内蒙古通辽人，助理工程师，本科，
主要研究热工自动装置检修。
超净排放脱硫CEMS 系统的优化
Optimization of CEMS System for Clean Purification
佟旭泽：张炜：王鹏飞
（通辽发电总厂，通辽028011）
（Tongliao Power Plant，Tongliao 028011，China）
摘要:本文主要阐述了超低排放改造后对CEMS 系统的优化内容，脱硫CEMS 系统在改造后烟尘采样系统由激光散射法烟尘测
量改造成抽取式测量系统，其他子系统大部分则沿用之前的系统，但是在投产后仍遇到许多问题，经过摸索后多次优化，使得脱硫
CEMS 系统超净排放的监测有了很大的提高。
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.
关键词:CEMS；超低排放；脱硫；上位机
Key words: CEMS；ultra-low emissions；desulfurization
5 结论
接地阻抗是总装测试厂房接地系统一个重要的健康指
标，指标的好坏直接影响总装测试厂房测试环境的安全与
否。以往总装测试厂房接地阻抗测量需考人工完成，人工测
量需要耗费大量的人力和费用，而且不能够随时掌握总装
测试厂房接地系统健康状况。本文研究的接地阻抗安全监
测系统将接地电阻测量技术、自动化技术、物联网技术和通
信技术有机地结合起来，通过选定自动测量、人工手动测
量、远程遥控测量三种方式实现了接地阻抗动态监测。该系
统不仅可以测量保存现场数据还可以将数据进行报表分析
和分级上传，形成分级管理模式。这与航天系统严格的安全
生产管理理念非常契合。若能够实现，必会提高使用单位的
安全生产管理水平，在行业内部具有推广泛地广应用价值。
参考文献:
［1］张丽华，孙拥军，陈东栋，陈继堂.总装测试接地系统可靠
性设计［J］.质量与可靠性，2010（01）：38-42.
［2］解广润，陈慈萱，文习山，王建国，张元芳，喻剑辉，陈仕修.
避雷针和半导体消雷器的火箭引雷试验分析［J］.高电压技术，2006
（04）：11-12，46.
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