地鐵電纜放電信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘 要 牽引變電站直流1500V饋出電纜是地鐵供電的重要部件。局部放電或火花放電是造成該電纜絕緣老化的主要原因。在分析地鐵直流電纜放電信號(hào)特征的基礎(chǔ)上,筒述了所設(shè)計(jì)的放電檢測(cè)傳感器的特性,設(shè)計(jì)了對(duì)多根地鐵直流電纜放電信號(hào)采集的系統(tǒng),并巳付之實(shí)施。關(guān)鍵詞 地鐵,電纜放電,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 牽引變電站直流1500V饋出電纜是地鐵供電的重要部件。上海軌道交通1號(hào)線自投入運(yùn)營(yíng)以來,已發(fā)生多起因直流電纜故障造成地鐵牽引供電系統(tǒng)的停電。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外對(duì)交流電纜的在線監(jiān)測(cè)方法都做了很多研究,如直流分量法、直流疊加法、局部放電檢測(cè)法以及接地電流法和低頻分量法等[1],但在直流電纜方面的研究還相對(duì)較少。傳統(tǒng)的采用搖表離線檢測(cè)的方法存在很大不足,屬于“安慰性”試驗(yàn)。雖然由于絕緣材料在交流和直流情況下表現(xiàn)出的特征不一致,但將交流電纜的在線監(jiān)測(cè)方法用在直流電纜的在線監(jiān)測(cè)上,理論上仍然是可行的,故被本設(shè)計(jì)采用。 電纜局部放電是造成絕緣老化的主要原因,也是絕緣劣化的重要征兆和表現(xiàn)形式[2],與絕緣材料的劣化擊穿過程密切相關(guān),能夠有效地反映直流電纜絕緣的故障。由于地鐵牽引變電站所使用的電纜無(wú)鎧裝、直埋,故將檢測(cè)地鐵電纜放電信號(hào)作為一個(gè)主要的研究方法。 牽引變電站直流1500V饋出電纜一般是5根電纜為一組并聯(lián)運(yùn)行,給地鐵機(jī)車供電。理論上講,并聯(lián)在一起的5根電纜中有1根發(fā)生放電,其它電纜上也會(huì)有相應(yīng)的放電信號(hào)出現(xiàn)。對(duì)5根電纜的同步信號(hào)采集除可以確認(rèn)信號(hào)的真實(shí)性外,另外還可以通過差分等方法來消除環(huán)境噪聲,提高信噪比。一般—個(gè)牽引變電站有4組電纜,因此,采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)成能對(duì)最多20個(gè)通道放電信號(hào)實(shí)現(xiàn)同步采集。1 地鐵電纜放電信號(hào)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.1 地鐵直流電纜放電信號(hào)的特征 圖1所示為實(shí)驗(yàn)室觀測(cè)得到的直流電纜放電信號(hào)波形。該信號(hào)在輸入到示波器之前進(jìn)行了25倍的放大。由圖可知,放電信號(hào)的頻譜在4MHz左右,電壓幅值大概為±20mV。
1.2 放電檢測(cè)傳感器的特性 為縮小傳感器尺寸,放電檢測(cè)傳感器以高磁導(dǎo)率的超微晶磁性材料作為磁芯,在圓形磁心上均勻繞制高強(qiáng)度漆包線,構(gòu)成典型的羅戈夫斯基線圈型電流傳感器。傳感器的內(nèi)徑大小設(shè)計(jì)成與地鐵電纜外護(hù)套尺寸相當(dāng),保證很好的磁耦合;傳感器線圈是套在電纜外護(hù)套上的,因此測(cè)量裝置與1500V直流電在電氣上是絕緣的,為非接觸式測(cè)量。超微晶磁性材料具有高磁導(dǎo)率、低損耗、矯頑力小、高飽和磁感應(yīng)、高穩(wěn)定性等特點(diǎn);由此設(shè)計(jì)的傳感器具有高帶寬、帶內(nèi)幅值增益平坦等特性,能有效地檢測(cè)出電纜火花放電產(chǎn)生的微弱高頻信號(hào)。 傳感器線圈的輸出信號(hào)幅值在20mV以內(nèi),必須進(jìn)行前置放大再傳輸。放電檢測(cè)傳感器對(duì)頻率為1~9MHz之間的信號(hào)具有良好的傳輸特性。但從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析,現(xiàn)場(chǎng)存在較強(qiáng)的、頻率在0.6~1.5MHz之間的周期性窄帶干擾,必須在傳感器信號(hào)放大之前將其濾除,否則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)飽和。放電信號(hào)頻率在4MHz左右(見圖2),因此,前置放大濾波器的設(shè)計(jì)目標(biāo)為中心頻率4MHz,頻帶寬度4MHz,即通頻帶為2~6MHz,放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為64倍。 綜合考慮前置放大器放大倍數(shù)和濾波的要求將放大器設(shè)計(jì)為三級(jí),即放大———濾波———放大其中第一、第二級(jí)放大器的放大倍數(shù)都為8倍,這樣兩級(jí)放大器可以使用相同的運(yùn)算放大器AD8042AD8042為帶寬160MHz的滿電源輸入、輸出運(yùn)算放大器。濾波器為四階巴特沃斯型高通濾波器。 為進(jìn)一步減小環(huán)境噪聲和其它干擾對(duì)傳感器信號(hào)的影響,將傳感器線圈和前置放大濾波器封裝在同一個(gè)金屬屏蔽盒內(nèi)(為表述方便,稱其為放電檢測(cè)傳感器),通過屏蔽電纜實(shí)現(xiàn)傳感器、放大器的供電和信號(hào)傳輸。圖2為實(shí)測(cè)的放電檢測(cè)傳感器的頻幅特性。1.3 地鐵電纜放電信號(hào)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 圖3所示為地鐵電纜放電信號(hào)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)原理,多達(dá)20路放電檢測(cè)傳感器信號(hào)通過屏蔽電纜引入到多通道同步數(shù)據(jù)采集模塊,實(shí)現(xiàn)同步高速數(shù)字量化。通信接口模塊用于將數(shù)據(jù)采集模塊與監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)連接起來,上傳采樣數(shù)據(jù)和獲取采樣參數(shù)設(shè)定。1.4 多通道同步數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì) 最多20通道的放電信號(hào)經(jīng)過等長(zhǎng)的5m電纜并行送人多通道同步高速數(shù)據(jù)采集板,在采集板內(nèi)實(shí)現(xiàn)同步模/數(shù)轉(zhuǎn)換。采集板由并行的20個(gè)通道構(gòu)成,每個(gè)通道包括輸入程控放大器、抗混疊濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)和存儲(chǔ)器(SRAM)。程控放大器的放大倍數(shù)可由軟件設(shè)置為1、2、4和8倍;抗混疊濾波器為四階巴特沃斯型低通濾波器,其截止頻率設(shè)定在7.5MHz;模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用AD公司的12bit、最高轉(zhuǎn)換速率為25MS/s的AD9225;存儲(chǔ)芯片為高速SRAM,存儲(chǔ)容量為4M×16,即在采樣率為20MHz時(shí)最多可以實(shí)現(xiàn)20ms的連續(xù)采樣。 如圖4所示,用一片CPLD(復(fù)雜可編程邏輯控制器件)來同時(shí)控制20個(gè)通道的A/D)和存儲(chǔ)器,即實(shí)現(xiàn)A/D到SRAM之間的直接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(DMA模式)。AD9225的控制極為簡(jiǎn)單,只需用CPLD向其輸入采樣時(shí)鐘,并使能數(shù)據(jù)輸出;CPLD同時(shí)產(chǎn)生SRAM的地址和寫信號(hào),采樣數(shù)據(jù)即從AD9225存人SRAM。 實(shí)際應(yīng)用中除使用定時(shí)方式采集電纜放電信號(hào)外,為減小數(shù)據(jù)量,可能會(huì)采用信號(hào)觸發(fā)的方式,即20個(gè)通道中有一路模擬信號(hào)的幅值超過設(shè)定閥值便自動(dòng)開始采樣,直到設(shè)定的采樣長(zhǎng)度信號(hào)觸發(fā)的基本原理是將20路信號(hào)分別與閥值比較的結(jié)果相“或”,然后用作采樣的觸發(fā)。 數(shù)據(jù)采集板的另一個(gè)功能是預(yù)采樣,即將信號(hào)觸發(fā)前一段時(shí)間的波形也記錄下來,這樣可得到放電信號(hào)的完整波形,便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。在預(yù)采樣模式下,A/D一直以設(shè)定的采樣率運(yùn)行,在CPLD控制下,數(shù)據(jù)循環(huán)存入SRAM,即SRAM被A/D采樣數(shù)據(jù)循環(huán)寫入,直到有一個(gè)觸發(fā)條件出現(xiàn)。當(dāng)觸發(fā)條件出現(xiàn)后,CPLD控制A/D繼續(xù)采樣“采樣長(zhǎng)度—預(yù)采樣長(zhǎng)度”個(gè)樣點(diǎn),CPLD記憶觸發(fā)時(shí)刻輸出給SRAM的地址值,通過讀出此地址值,向前預(yù)采樣長(zhǎng)度個(gè)樣點(diǎn)即為本次采樣數(shù)據(jù)的起始位置。 要保證20個(gè)通道數(shù)據(jù)采集的完全同步,除了使用同一個(gè)CPLD邏輯來控制所有20路A/D同時(shí)工作外,還需要使用同樣材料的輸人信號(hào)線且線長(zhǎng)相同,要求精確調(diào)整放大器和濾波器的參數(shù)以達(dá)到幾乎相同的信號(hào)延遲,重要的是所有傳感器要有很好的一致性。為防止通道之間的信號(hào)串?dāng)_,設(shè)計(jì)中主要采取印制電路板物理隔離、大面積接地屏蔽和使用屏蔽電纜作為輸入信號(hào)線等。2 采集系統(tǒng)測(cè)試 通過對(duì)系統(tǒng)輸入確知信號(hào)(如正弦波信號(hào)),以及對(duì)采集信號(hào)的時(shí)域和頻域分析,可以評(píng)估數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能,如系統(tǒng)增益、通頻帶和信噪比等。對(duì)本系統(tǒng)的測(cè)試包含了前端的放電檢測(cè)傳感器,測(cè)試時(shí)將信號(hào)源接1kΩ電阻,從放電檢測(cè)傳感器的線圈中穿過。圖5和圖6分別為信號(hào)源頻率為4MHz時(shí)其中一個(gè)信號(hào)采集通道所測(cè)得的時(shí)域波形及其頻域變換波形。3 結(jié)語(yǔ) 根據(jù)上海地鐵牽引變電站直流1500V饋出電纜的特點(diǎn)和安裝方式等,設(shè)計(jì)了用于檢測(cè)火花放電信號(hào)的高頻傳感器、放大器、濾波器和多通道同步數(shù)據(jù)采集板,實(shí)現(xiàn)了對(duì)多達(dá)20根運(yùn)行電纜的在線監(jiān)測(cè),已于2005年在上海軌道交通1號(hào)線付之實(shí)施。本文所實(shí)現(xiàn)的同步信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的靈敏度和多通道同步性能,可以應(yīng)用于其它需要進(jìn)行多通道甚至多通道同步信號(hào)提取的場(chǎng)合。參考文獻(xiàn)[1] 嚴(yán)蟑.電氣絕緣在線檢測(cè)技術(shù)[M].北京:水利電力出版社,2002.[2] 楊莉.高壓直流設(shè)備中局部放電的識(shí)別[J].高壓電器,1998,34(3):48.
1.2 放電檢測(cè)傳感器的特性 為縮小傳感器尺寸,放電檢測(cè)傳感器以高磁導(dǎo)率的超微晶磁性材料作為磁芯,在圓形磁心上均勻繞制高強(qiáng)度漆包線,構(gòu)成典型的羅戈夫斯基線圈型電流傳感器。傳感器的內(nèi)徑大小設(shè)計(jì)成與地鐵電纜外護(hù)套尺寸相當(dāng),保證很好的磁耦合;傳感器線圈是套在電纜外護(hù)套上的,因此測(cè)量裝置與1500V直流電在電氣上是絕緣的,為非接觸式測(cè)量。超微晶磁性材料具有高磁導(dǎo)率、低損耗、矯頑力小、高飽和磁感應(yīng)、高穩(wěn)定性等特點(diǎn);由此設(shè)計(jì)的傳感器具有高帶寬、帶內(nèi)幅值增益平坦等特性,能有效地檢測(cè)出電纜火花放電產(chǎn)生的微弱高頻信號(hào)。 傳感器線圈的輸出信號(hào)幅值在20mV以內(nèi),必須進(jìn)行前置放大再傳輸。放電檢測(cè)傳感器對(duì)頻率為1~9MHz之間的信號(hào)具有良好的傳輸特性。但從現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析,現(xiàn)場(chǎng)存在較強(qiáng)的、頻率在0.6~1.5MHz之間的周期性窄帶干擾,必須在傳感器信號(hào)放大之前將其濾除,否則會(huì)導(dǎo)致信號(hào)飽和。放電信號(hào)頻率在4MHz左右(見圖2),因此,前置放大濾波器的設(shè)計(jì)目標(biāo)為中心頻率4MHz,頻帶寬度4MHz,即通頻帶為2~6MHz,放大倍數(shù)設(shè)計(jì)為64倍。 綜合考慮前置放大器放大倍數(shù)和濾波的要求將放大器設(shè)計(jì)為三級(jí),即放大———濾波———放大其中第一、第二級(jí)放大器的放大倍數(shù)都為8倍,這樣兩級(jí)放大器可以使用相同的運(yùn)算放大器AD8042AD8042為帶寬160MHz的滿電源輸入、輸出運(yùn)算放大器。濾波器為四階巴特沃斯型高通濾波器。 為進(jìn)一步減小環(huán)境噪聲和其它干擾對(duì)傳感器信號(hào)的影響,將傳感器線圈和前置放大濾波器封裝在同一個(gè)金屬屏蔽盒內(nèi)(為表述方便,稱其為放電檢測(cè)傳感器),通過屏蔽電纜實(shí)現(xiàn)傳感器、放大器的供電和信號(hào)傳輸。圖2為實(shí)測(cè)的放電檢測(cè)傳感器的頻幅特性。1.3 地鐵電纜放電信號(hào)采集系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 圖3所示為地鐵電纜放電信號(hào)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)原理,多達(dá)20路放電檢測(cè)傳感器信號(hào)通過屏蔽電纜引入到多通道同步數(shù)據(jù)采集模塊,實(shí)現(xiàn)同步高速數(shù)字量化。通信接口模塊用于將數(shù)據(jù)采集模塊與監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)連接起來,上傳采樣數(shù)據(jù)和獲取采樣參數(shù)設(shè)定。1.4 多通道同步數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計(jì) 最多20通道的放電信號(hào)經(jīng)過等長(zhǎng)的5m電纜并行送人多通道同步高速數(shù)據(jù)采集板,在采集板內(nèi)實(shí)現(xiàn)同步模/數(shù)轉(zhuǎn)換。采集板由并行的20個(gè)通道構(gòu)成,每個(gè)通道包括輸入程控放大器、抗混疊濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)和存儲(chǔ)器(SRAM)。程控放大器的放大倍數(shù)可由軟件設(shè)置為1、2、4和8倍;抗混疊濾波器為四階巴特沃斯型低通濾波器,其截止頻率設(shè)定在7.5MHz;模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用AD公司的12bit、最高轉(zhuǎn)換速率為25MS/s的AD9225;存儲(chǔ)芯片為高速SRAM,存儲(chǔ)容量為4M×16,即在采樣率為20MHz時(shí)最多可以實(shí)現(xiàn)20ms的連續(xù)采樣。 如圖4所示,用一片CPLD(復(fù)雜可編程邏輯控制器件)來同時(shí)控制20個(gè)通道的A/D)和存儲(chǔ)器,即實(shí)現(xiàn)A/D到SRAM之間的直接數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(DMA模式)。AD9225的控制極為簡(jiǎn)單,只需用CPLD向其輸入采樣時(shí)鐘,并使能數(shù)據(jù)輸出;CPLD同時(shí)產(chǎn)生SRAM的地址和寫信號(hào),采樣數(shù)據(jù)即從AD9225存人SRAM。 實(shí)際應(yīng)用中除使用定時(shí)方式采集電纜放電信號(hào)外,為減小數(shù)據(jù)量,可能會(huì)采用信號(hào)觸發(fā)的方式,即20個(gè)通道中有一路模擬信號(hào)的幅值超過設(shè)定閥值便自動(dòng)開始采樣,直到設(shè)定的采樣長(zhǎng)度信號(hào)觸發(fā)的基本原理是將20路信號(hào)分別與閥值比較的結(jié)果相“或”,然后用作采樣的觸發(fā)。 數(shù)據(jù)采集板的另一個(gè)功能是預(yù)采樣,即將信號(hào)觸發(fā)前一段時(shí)間的波形也記錄下來,這樣可得到放電信號(hào)的完整波形,便于對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。在預(yù)采樣模式下,A/D一直以設(shè)定的采樣率運(yùn)行,在CPLD控制下,數(shù)據(jù)循環(huán)存入SRAM,即SRAM被A/D采樣數(shù)據(jù)循環(huán)寫入,直到有一個(gè)觸發(fā)條件出現(xiàn)。當(dāng)觸發(fā)條件出現(xiàn)后,CPLD控制A/D繼續(xù)采樣“采樣長(zhǎng)度—預(yù)采樣長(zhǎng)度”個(gè)樣點(diǎn),CPLD記憶觸發(fā)時(shí)刻輸出給SRAM的地址值,通過讀出此地址值,向前預(yù)采樣長(zhǎng)度個(gè)樣點(diǎn)即為本次采樣數(shù)據(jù)的起始位置。 要保證20個(gè)通道數(shù)據(jù)采集的完全同步,除了使用同一個(gè)CPLD邏輯來控制所有20路A/D同時(shí)工作外,還需要使用同樣材料的輸人信號(hào)線且線長(zhǎng)相同,要求精確調(diào)整放大器和濾波器的參數(shù)以達(dá)到幾乎相同的信號(hào)延遲,重要的是所有傳感器要有很好的一致性。為防止通道之間的信號(hào)串?dāng)_,設(shè)計(jì)中主要采取印制電路板物理隔離、大面積接地屏蔽和使用屏蔽電纜作為輸入信號(hào)線等。2 采集系統(tǒng)測(cè)試 通過對(duì)系統(tǒng)輸入確知信號(hào)(如正弦波信號(hào)),以及對(duì)采集信號(hào)的時(shí)域和頻域分析,可以評(píng)估數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能,如系統(tǒng)增益、通頻帶和信噪比等。對(duì)本系統(tǒng)的測(cè)試包含了前端的放電檢測(cè)傳感器,測(cè)試時(shí)將信號(hào)源接1kΩ電阻,從放電檢測(cè)傳感器的線圈中穿過。圖5和圖6分別為信號(hào)源頻率為4MHz時(shí)其中一個(gè)信號(hào)采集通道所測(cè)得的時(shí)域波形及其頻域變換波形。3 結(jié)語(yǔ) 根據(jù)上海地鐵牽引變電站直流1500V饋出電纜的特點(diǎn)和安裝方式等,設(shè)計(jì)了用于檢測(cè)火花放電信號(hào)的高頻傳感器、放大器、濾波器和多通道同步數(shù)據(jù)采集板,實(shí)現(xiàn)了對(duì)多達(dá)20根運(yùn)行電纜的在線監(jiān)測(cè),已于2005年在上海軌道交通1號(hào)線付之實(shí)施。本文所實(shí)現(xiàn)的同步信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)具有較高的靈敏度和多通道同步性能,可以應(yīng)用于其它需要進(jìn)行多通道甚至多通道同步信號(hào)提取的場(chǎng)合。參考文獻(xiàn)[1] 嚴(yán)蟑.電氣絕緣在線檢測(cè)技術(shù)[M].北京:水利電力出版社,2002.[2] 楊莉.高壓直流設(shè)備中局部放電的識(shí)別[J].高壓電器,1998,34(3):48.