一種高壓電暈檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

段綠茵,蘇寒松,李昌祿

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院,天津 300072)

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一種高壓電暈檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)*

段綠茵,蘇寒松,李昌祿*

(天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院,天津 300072)

在當(dāng)今電暈放電現(xiàn)象檢測(cè)研究領(lǐng)域中,多數(shù)檢測(cè)方法對(duì)檢測(cè)環(huán)境有嚴(yán)苛要求且檢測(cè)過(guò)程中易產(chǎn)生較大誤差。針對(duì)這一問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一種高壓電暈檢測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電暈放電產(chǎn)生的電磁波進(jìn)行檢測(cè),由觀測(cè)波形來(lái)判斷電暈放電是否發(fā)生。重點(diǎn)設(shè)計(jì)了低噪聲放大器和差分放大器等前端硬件部分,另外簡(jiǎn)單介紹了系統(tǒng)中信號(hào)采集和數(shù)字信號(hào)處理等后端部分,最后檢測(cè)平臺(tái)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試具有誤差小且能夠?qū)崿F(xiàn)200 m以內(nèi)電暈放電檢測(cè)的目標(biāo)。

電路設(shè)計(jì);電暈放電檢測(cè);低噪聲放大器;差分放大器

當(dāng)架空高壓輸電線路表面的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到足以電離空氣分子的程度,其就會(huì)被電離,這種情況下就會(huì)發(fā)生放電現(xiàn)象,會(huì)發(fā)出臭氧的氣味并伴有“刺刺”的聲音,如果在夜間發(fā)生還會(huì)有藍(lán)紫色熒光,這種就是電暈放電現(xiàn)象[1-3]。電暈放電時(shí)會(huì)伴隨著各種物理效應(yīng),不僅浪費(fèi)電能,而且會(huì)侵蝕高壓設(shè)備和輸電線路[4],因此尋找能夠準(zhǔn)確檢測(cè)電暈放電的方法逐漸成為了當(dāng)今研究的熱點(diǎn)。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

當(dāng)有電暈放電現(xiàn)象發(fā)生時(shí),其就會(huì)激發(fā)電磁場(chǎng)產(chǎn)生空間電磁波信號(hào)。螺旋天線會(huì)對(duì)其方向圖范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行接收;天線將接收到的信號(hào)送入后端的無(wú)源模擬濾波器進(jìn)行濾波,隨后由于信號(hào)本身就很微弱又經(jīng)過(guò)無(wú)源濾波,會(huì)對(duì)信號(hào)幅度造成一定的衰減,所以這時(shí)需要進(jìn)入低噪放大器進(jìn)行相應(yīng)的幅度放大,然后利用一對(duì)相差λ/2的同軸電纜對(duì)其中一路天線接收信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)反相(以250 MHz為中心頻率),之后信號(hào)進(jìn)入差分放大器輸出,示波器對(duì)信號(hào)經(jīng)行采集、存儲(chǔ),經(jīng)過(guò)數(shù)字濾波,最終可以判斷出螺旋天線方向圖范圍內(nèi)是否有電暈放電現(xiàn)象產(chǎn)生。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

經(jīng)調(diào)研,選定220 MHz～280 MHz為特征頻帶進(jìn)行電暈放電電磁輻射信號(hào)的檢測(cè),這個(gè)頻帶在無(wú)線電頻譜規(guī)劃中是相對(duì)空閑的,少有無(wú)線電信號(hào)的干擾,并且要求檢測(cè)天線有一定的選擇性且?guī)捴辽贋?00 MHz左右。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 螺旋天線

系統(tǒng)采用螺旋天線作為前端檢測(cè)天線,選擇螺旋天線的主要原因主要有兩個(gè)方面:一是螺旋天線方向性好和還具有頻率選擇性,二是其極化方式非常適合檢測(cè)電暈放電輻射信號(hào)。最后確定螺旋天線中心頻率為250 MHz,帶寬為200 MHz～325 MHz,軸向最大增益為11 dB。

2.2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.2.1 無(wú)源模擬濾波器

由于前端檢測(cè)天線的帶寬是200 MHz～325 MHz,因此,需要一個(gè)帶通濾波器來(lái)進(jìn)一步提取出特征頻帶(220 MHz～280 MHz)的信號(hào),抑制帶外干擾信號(hào),提高天線接收信號(hào)的信噪比。

為了使螺旋天線與高頻電纜和高頻放大器進(jìn)行阻抗匹配,該濾波器的特性阻抗為50 Ω。

其電路原理圖如圖2所示,該濾波器由保護(hù)電路、低通部分、高通部分和兩個(gè)高頻陷波器4部分組成的。D1、D2、L1為輸入保護(hù)電路,其并接在天線輸入端;接下來(lái)的L2、L3、C1構(gòu)成T型低通濾波器;在接下來(lái)的網(wǎng)絡(luò)中的L5、L6、C3構(gòu)成T型高通濾波器;L4、C2與L7、C4分別構(gòu)成兩個(gè)陷波器。其中L1=0.068 μH,C1=22.75 pF,L2=L3=0.057 μH,C3=7.08 pF,L4=0.07 μH,C2=C4=8 pF,L5=L6=0.0177 μF,L7=0.06 μH。

圖2 模擬濾波器原理圖

2.2.2 低噪放大器

為了提高所接收信號(hào)的信噪比,因此信號(hào)放大環(huán)節(jié)采用低噪放大器進(jìn)行信號(hào)的放大,以補(bǔ)償信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬濾波器的衰減和使信號(hào)達(dá)到后端信號(hào)采集設(shè)備的采集分辨范圍,以使所接收的信號(hào)能夠精確被采集,該放大器各級(jí)輸入輸出阻抗皆為50 Ω。

利用甚高頻2SC3356晶體管構(gòu)成的深度負(fù)反饋放大電路具有工作穩(wěn)定且?guī)捿^寬的特點(diǎn),將其三級(jí)級(jí)聯(lián),構(gòu)成多級(jí)寬帶放大電路,其輸入端連接前述的模擬濾波器,即構(gòu)成了集中濾波加寬帶放大的后端模擬電路,多級(jí)放大電路原理圖如圖3所示。

圖3 多級(jí)級(jí)聯(lián)放大器電路圖

由晶體管Q1、Q2、Q3為有源器件組成的寬帶放大器是3個(gè)完全相同的基本單元,以Q1的單元為例分析,此電路是采用負(fù)反饋保持放大電路穩(wěn)定性的,反饋網(wǎng)絡(luò)由R1、R2和C2構(gòu)成。其中,R2是用來(lái)設(shè)置晶體管的靜態(tài)工作點(diǎn),C2跨接在其兩端,對(duì)高頻交流信號(hào)可視為短路,因而在做交流分析時(shí),可視R2和C2均處于短路狀態(tài),此時(shí)電阻R1即是跨接在晶體管Q1的基極和集電極間的反饋電阻,構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋。電阻R3串聯(lián)在晶體管的發(fā)射極形成電流串聯(lián)負(fù)反饋。通過(guò)以上方式構(gòu)成閉環(huán)電路,可有效的防止放大電路的自激的產(chǎn)生,進(jìn)一步增強(qiáng)電路的穩(wěn)定性。經(jīng)實(shí)際制作及調(diào)試,R1阻值不同,電路可獲得得到不同的放大倍數(shù)。

2.2.3 差分放大器

從螺旋天線對(duì)得到的兩路信號(hào)經(jīng)過(guò)模擬濾波器和低噪放大器后,對(duì)其中一路信號(hào)以250 MHz為中心頻率點(diǎn),針對(duì)這個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行反向,之后兩路信號(hào)再進(jìn)入差分放大器,如圖4所示。

圖4 差分放大器電路原理圖

這里的差分放大器采用的是TI生產(chǎn)的THS4520芯片,是一個(gè)雙端輸入雙端輸出的高頻寬帶運(yùn)算放大器,其性能穩(wěn)定,高頻特性良好,增益可以通過(guò)外圍電阻來(lái)調(diào)整,帶寬也滿足系統(tǒng)需要。

表1為電阻取值不同時(shí)所對(duì)應(yīng)的增益。

表1 差分放大器的增益與相應(yīng)電阻值關(guān)系

圖4中高頻變壓器T1是一個(gè)寬帶變壓器,它的作用是將雙端平衡輸出的信號(hào)變成單端的信號(hào)輸出。圖中R7、R8、R9和變壓器的初級(jí)構(gòu)成雙端平衡輸入端,而變壓器的次級(jí)構(gòu)成則為單端輸出信號(hào)。由圖4中可看到R7、R8、R9構(gòu)成匹配網(wǎng)絡(luò),并起到了分壓的作用,高頻變壓器的初次級(jí)變比為1:1,由圖4中的高頻變壓器初級(jí)輸入電路的電阻參數(shù)可知,由于電阻分壓的作用,通過(guò)該部分電路的信號(hào)變?yōu)榱嗽瓉?lái)的1/3,但其信噪比是不受影響的。

圖5 差分放大器部分的組成

2.2.3.1 差分放大器頻率特性分析

差分放大器的組成可以抽象成如圖5(a)所示。它是由長(zhǎng)度分別為A和A+λ/2兩者相差λ/2的兩根電纜與差動(dòng)放大器組成的,故其頻率特性可運(yùn)用數(shù)學(xué)工具分析。

(1)高頻電纜的頻率特性

首先描述電纜的頻率傳輸特性,為分析簡(jiǎn)單,將兩根電纜的長(zhǎng)度同時(shí)減去A,則可將其轉(zhuǎn)化為圖5(b)所示的電路,這樣不會(huì)影響分析結(jié)果。這時(shí)只需分析差分放大器“-”端的電纜特性即可。

設(shè)電纜的衰減為0,只關(guān)心它的相頻特性,這里可用式(1)來(lái)表達(dá)。

φτ(ω)=(ω-ω0)τg+φ0

(1)

式中:

φτ(ω)表示電纜的相頻特性;

ω0對(duì)應(yīng)于250MHz的角頻率;

ω為210MHz至290MHz通帶內(nèi)的任意角頻率;

τg電暈信號(hào)在電纜中傳輸?shù)娜貉訒r(shí)(包絡(luò)延時(shí));

φ0為π,它表示對(duì)應(yīng)250MHz的角頻率時(shí)的相移。

由式(1)可以看出,電纜的相頻特性為一條斜直線,并且其延長(zhǎng)線通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)。值得關(guān)注的是τg,其為電暈電磁信號(hào)在同軸電纜中傳輸?shù)娜貉訒r(shí)(包絡(luò)延時(shí)),τg顯然在這里是:

(2)

而高頻信號(hào)對(duì)應(yīng)的相位延時(shí)時(shí)間可以表示為:

(3)

由于高頻信號(hào)在同軸電纜中是一種非色散性傳播,因而其群延時(shí)和相延時(shí)的數(shù)值相同。

2.2.3.2 差分放大器的頻率特性

=e-j(ω-ω0)τg/2[ej(ω-ω0)τg/2+e-j(ω-ω0)τg/2]

(4)

對(duì)上式進(jìn)行變換,得到差分放大器的幅頻特性的最終表達(dá)式:

k_(f)=2|cosπ(f-f0)τg|

(5)

根據(jù)上式可畫出差分放大器的幅頻特性曲線,如圖6所示。

圖6 差分放大器的幅頻特性

由圖6可見,差分放大器的幅頻特性曲線呈梳齒狀,最大增益為2。如果將所需要的頻譜設(shè)置在余弦曲線覆蓋的范圍內(nèi),而將不需要的頻譜設(shè)置在余弦曲線覆蓋的范圍外,則該幅頻特性具有良好的選頻作用,并且該幅頻特性對(duì)噪聲也具有一定的抑制作用。例如:如果輸入噪聲波功率譜沿頻率軸均勻分布,則通過(guò)幅頻特性曲線可得出其信噪比如式(6)所示:

(6)

其中,f′=f-f0從上式中可以看出,由于差分放大器的幅頻特性曲線呈梳齒狀,它使噪聲波功率下降了1/2,即使信噪比得到了3dB的改善。

圖7 所采用差分放大器的實(shí)際頻率特性

2.2.3.3 實(shí)際電路分析

在實(shí)際電路中,對(duì)應(yīng)250 MHz的電暈輻射信號(hào)譜線,同軸電纜中傳輸λ/2波長(zhǎng)且相位移相π的長(zhǎng)度定為56 cm。這一數(shù)值是經(jīng)過(guò)測(cè)量得到的近似值。由于高頻電磁波在電纜中的傳播速度約為(195～198)×103km/s,為簡(jiǎn)化運(yùn)算,這里取整數(shù)值為2×105km/s,從而得出其群延時(shí)為τg=2.8 ns,轉(zhuǎn)換成圖6中的頻率軸上的頻率值為1/τg=357 MHz。由此可推斷,坐標(biāo)中心f0=250 MHz的左右兩側(cè)的第1個(gè)零點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)的頻率為±357 MHz/2=±178.5 MHz,此時(shí)的差分放大器的頻率特性如圖7所示。系統(tǒng)研究的特征頻帶為220 MHz～280 MHz,圖7中用陰影覆蓋的范圍即表示此區(qū)域。由此可見,在電暈檢測(cè)前端硬件的通帶內(nèi),其幅頻特性僅是一個(gè)梳齒中的一部分,該差分放不僅起到了一定的余弦狀的選通作用,而且發(fā)揮了出梳齒狀的選頻作用。假如電暈放電輻射信號(hào)的頻譜僅局限在250 MHz周圍的狹小范圍內(nèi),這種頻率特性是有效的;假如電暈頻譜均勻分布在220 MHz至280 MHz的通帶內(nèi),則該頻率特性也能較好的選通出電暈信號(hào)的頻譜。

為了在電暈輻射信號(hào)檢測(cè)前端的220 MHz至280 MHz的通帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)有數(shù)個(gè)梳齒狀的幅頻特性,應(yīng)加大群延時(shí),使其梳齒尖銳,可通過(guò)加長(zhǎng)同軸電纜線長(zhǎng)度的方式實(shí)現(xiàn)。具體的采用長(zhǎng)度應(yīng)視需要而定。

綜上所述,本系統(tǒng)中所采用的差分放大器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電暈放電電磁輻射信號(hào)的選通,并可以在一定程度上提高信噪比。

2.3 信號(hào)采集和數(shù)字信號(hào)處理

為了能夠有比較形象化的界面和滿足工程要求的采樣率,系統(tǒng)采用最高采樣率為4 Gsample/s,帶寬為500 MHz的示波器進(jìn)行信號(hào)采集,這樣在信號(hào)采集時(shí)既具有形象化的波形顯示,而且還可以向上位機(jī)PC導(dǎo)出屏幕顯示波形的采樣數(shù)據(jù),從而上位機(jī)可以進(jìn)一步對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理[5-6]。這里采用帶通濾波的方式來(lái)使采集信號(hào)的信噪比獲得提高。

3 系統(tǒng)測(cè)試及分析

對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)試,電暈源放置在距離天線200 m的位置,調(diào)整螺旋天線正對(duì)電暈發(fā)生裝置,之后電暈發(fā)生源加壓25 kV充電檢測(cè)放電輻射信號(hào)。

螺旋天線對(duì)通過(guò)20 dB低噪放大器,接6 dB差分放大器后輸出測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 采用20 dB放大器200 m正對(duì)情況的檢測(cè)結(jié)果

由圖8可以觀察到在200 m的位置,檢測(cè)平臺(tái)可以很好的檢測(cè)到電暈放電輻射信號(hào),并且效果很明顯。此檢測(cè)方法與已有的檢測(cè)方法相比有很大優(yōu)勢(shì),已有的電暈放電檢測(cè)方法主要有遠(yuǎn)紅外望遠(yuǎn)鏡、超聲電暈探測(cè)器及紫外光譜檢測(cè)技術(shù)。

紅外熱成像技術(shù)是利用目標(biāo)內(nèi)有較大的溫度梯度或背景與目標(biāo)有較大熱對(duì)比度,使低可視目標(biāo)很容易在紅外圖像中看到。但不同的目標(biāo)有不同的光譜特性,目標(biāo)和探測(cè)器之間的環(huán)境和距離影響探測(cè)系統(tǒng)的性能;大氣對(duì)目標(biāo)紅外輻射能量的傳輸有極大的影響;大氣中水汽、二氧化碳等各種氣體分子導(dǎo)致各個(gè)大氣窗口中傳輸?shù)募t外輻射也有相當(dāng)大的衰減。

超聲波探測(cè)器可以用來(lái)幫助查找暴露在大氣中的電暈放電點(diǎn),將帶有拋物面反射鏡的超聲波探測(cè)器,經(jīng)放大、轉(zhuǎn)換到耳機(jī)監(jiān)聽和表計(jì)指示。在發(fā)現(xiàn)最強(qiáng)的接收指示時(shí),其正前方就是超聲波源,但此檢測(cè)方法易受干擾。

紫外光譜檢測(cè)技術(shù)是利用特殊儀器接收電暈放電產(chǎn)生的紫外線信號(hào),經(jīng)處理后成像并與可見光圖像疊加,達(dá)到確定電暈的位置和強(qiáng)度的目的。但電暈放電受環(huán)境影響較大,如溫度、濕度、海拔高度等;在檢測(cè)過(guò)程中,環(huán)境因素的作用反應(yīng)在電暈檢測(cè)中就表現(xiàn)為通過(guò)紫外成像儀觀察到的電暈放電變化很大,導(dǎo)致不能根據(jù)電暈放電直接確定是否存在故障[7-9]。

與以上檢測(cè)方法相比,該系統(tǒng)從電路設(shè)計(jì)入手,采用低噪聲放大器與差分放大器,通過(guò)觀測(cè)波形判斷電暈放電是否發(fā)生。此檢測(cè)方法有很大優(yōu)點(diǎn):電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性強(qiáng),電暈放電檢測(cè)受環(huán)境影響不大,檢測(cè)距離也進(jìn)一步提高,能夠做到實(shí)時(shí)檢測(cè),具有良好的實(shí)用性。

4 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試在200 m以內(nèi),能夠準(zhǔn)確檢測(cè)到電暈放電現(xiàn)象且易于觀察。檢測(cè)結(jié)果不必進(jìn)行后續(xù)濾波處理,在時(shí)域波形中就可以很好的分辨出是否產(chǎn)生電暈放電現(xiàn)象,由此可見使用低噪聲放大電路、差分放大電路的有效性。準(zhǔn)確檢測(cè)電暈現(xiàn)象的實(shí)現(xiàn)可以幫助電力工作人員判斷放電位置及放電程度,并對(duì)放電設(shè)施進(jìn)一步的維護(hù)整修,從而達(dá)到降低能量流失和避免更大的經(jīng)濟(jì)損失的目的。

[1]劉云鵬,尤少華,萬(wàn)啟發(fā),等. 特高壓試驗(yàn)線段電暈損失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 高電壓技術(shù),2008,34(9):1797-1801.

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段綠茵(1989-),女,漢族,河南省,天津大學(xué)電子信息工程學(xué)院,碩士研究生,主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)和可編程邏輯器件應(yīng)用,duanlvyin123@126.com;

蘇寒松(1960-),男,漢,河南省,天津大學(xué)電子工程學(xué)院教授、博士、碩士生導(dǎo)師,天津大學(xué)電子電氣實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心副主任,中國(guó)通信學(xué)會(huì)會(huì)員,天津大學(xué)無(wú)人機(jī)聯(lián)合研究室主任。主要研究方向?yàn)楣馔ㄐ偶夹g(shù)及光纖傳感技術(shù)、移動(dòng)通信關(guān)鍵技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù),shs@tju.edu.cn;

李昌祿(1975-),男,,漢族,天津,天津大學(xué)電子工程學(xué)院,工程師,主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)開發(fā)和應(yīng)用工作,changlu@tju.edu.cn。

ADesignoftheHighVoltageCoronaDetectionSystem*

DUANLüyin,SUHansong,LIChanglu*

(School of Electronic and Information Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

In the current research field of the corona discharge detection,Most detection methods need strict conditions and make error prone. To this question,a high voltage corona detection system has be designed. The system detects the corona discharge phenomenon through electromagnetic wave and by observing the waveforms to judge whether corona discharge happened. The design emphasis on the design of low noise amplifier and differential amplifier. In addition,it also introduces signal acquisition and digital signal processing of the platform simply. Through the filed test,this detection platform possesses low error and can achieve about 200 meters corona discharge detection.

circuit design;corona discharge detection;low noise amplifier;differential amplifier

項(xiàng)目來(lái)源:協(xié)作科研項(xiàng)目

2014-01-06修改日期:2014-01-23

TM835.4

:A

:1005-9490(2014)06-1233-06

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.044