基于電纜局放試驗的無線同步信號發(fā)生器的研制

唐琪，李國偉

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東佛山528000）

基于電纜局放試驗的無線同步信號發(fā)生器的研制

唐琪，李國偉

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東佛山528000）

針對新投運(yùn)電纜因為中間接頭無法獲取同步電壓信號而導(dǎo)致局部放電測量難以進(jìn)行的現(xiàn)狀，研制了一種基于電纜局放試驗的無線同步信號發(fā)生器。能通過GPRS無線通訊的方式獲取電纜加壓處電壓的相位和頻率信息，并由此信息發(fā)出相同相位和頻率的同步電壓信號，從而使測量電纜中間接頭處的局部放電試驗?zāi)茼樌M(jìn)行。設(shè)計了一種針對該無線同步信號發(fā)生器的相頻校核方法，并在實測中得到驗證。

局部放電；同步信號；相頻校核；無線通訊

局部放電試驗具有較高的靈敏度。對于新設(shè)計和制造的高壓電氣設(shè)備，通過局部放電測量可以及時發(fā)現(xiàn)絕緣中的薄弱環(huán)節(jié)，防止設(shè)計與制造工藝上的差錯及材料的使用不當(dāng)，是鑒別產(chǎn)品絕緣或設(shè)備運(yùn)行可靠性的一種重要方法，它能發(fā)現(xiàn)耐壓試驗無法發(fā)現(xiàn)的設(shè)備缺陷。局部放電測試是當(dāng)前電力設(shè)備預(yù)防性試驗的重要項目之一。而對電纜來說試驗人員常關(guān)心的是其絕緣介質(zhì)的內(nèi)部局放。這種局放脈沖出現(xiàn)在同步電壓波形的一三相位。因此在測量此類型局放時，獲得同步電壓對于判斷是否產(chǎn)生局放非常重要［1］。

圖1　電纜加壓處的局放測量示意圖

1　現(xiàn)實需求分析

當(dāng)新電纜投產(chǎn)時，新電纜做耐壓試驗的同時測量它是否有局放，從而判斷電纜的內(nèi)部介質(zhì)中是否有缺陷。圖1為測量電纜加壓處局放的示意圖。通過串聯(lián)諧振的原理產(chǎn)生電纜耐壓所需的高電壓，然后通過電容分壓桿獲取測量局放所需要的同步電壓信號，從而對是否有局放做出判斷。此時的同步信號由電容分壓桿來獲取，電壓一般為不小于5伏即可，頻率一般為20～300 Hz之間［2］。

同時，試驗人員希望能對電纜的各個接頭進(jìn)行局部放電測試，以便能發(fā)現(xiàn)電纜內(nèi)部的絕緣缺陷。而電纜的局部放電試驗需要對每個電纜的中間接頭都進(jìn)行測試。局放測試儀是放在接頭處，距離加壓的地方較遠(yuǎn)。因此要想取得同步電壓信號無法通過電容分壓桿來獲得。另外，在新電纜投運(yùn)前的耐壓試驗都是空載進(jìn)行的，此時通過電纜的電流可以忽略，也無法通過電流互感器（CT）感應(yīng)空載試驗的電流來取。因此，局放測試儀難以取到同步信號，導(dǎo)致局放測試難以順利進(jìn)行。如果將測試儀放在電纜的加壓處來獲取同步信號，那么相應(yīng)的測試接頭則需用硬接線的方式將信號引到測試儀處，這樣接線復(fù)雜，代價高昂，也增加了人力和時間成本［3-5］。

因此研制一種基于電纜局放測試的同步信號發(fā)生器，可以不通過硬接線就在電纜每個接頭處給予局放測試儀同步電壓信號，是很有必要的。

2　系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)上述目的，文中設(shè)計了一種無線同步信號發(fā)生器裝置。整個裝置主要分為兩大部分，分別為同步信號相頻獲取單元和同步信號發(fā)生單元，兩個單元采用無線的方式進(jìn)行通訊?？紤]到電纜長度可達(dá)數(shù)公里以上，裝置采用GPRS模式進(jìn)行通訊。

同步信號相頻獲取單元需要從電纜加壓處獲取與所加電壓同頻率、同相位的正弦電壓信號，并且將這些信息發(fā)送給同步信號發(fā)生單元［6］。首先按圖1所示在電纜加壓處通過電容分壓桿來獲取電壓。為了后續(xù)處理方便，可以進(jìn)行簡單處理使該電壓幅值為2.5 V。然后通過低通濾波器，濾去高頻干擾。再通過AD轉(zhuǎn)換將模擬的正弦信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。然后通過單片機(jī)和RTC（Real-Time Clock）相配合來識別該信號的過0點和信號的頻率。此處單片機(jī)采用TI公司的MSP430F149芯片，該芯片主頻最高可達(dá)8 MHz，功耗極低，并且內(nèi)置有AD轉(zhuǎn)換模塊，可以非常方便的將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并加以分析。然后單片機(jī)將電壓的頻率和過0點時間信息通過UART轉(zhuǎn)GPRS模塊發(fā)送出去，再由同步信號發(fā)生單元的UART轉(zhuǎn)GPRS模塊接收這些信息。再通過同步信號發(fā)生單元中的單片機(jī)和RTC配合，并結(jié)合接收到的頻率和過0時間點的信息來發(fā)出與加壓處同頻率同相位的電壓。

同步信號發(fā)生單元也采用MSP430F149芯片，該芯片內(nèi)置有DA轉(zhuǎn)換模塊可以將方波轉(zhuǎn)換成正弦波，從而形成與實際同步電壓相同的波形。其幅值可設(shè)置為0～2.5 V。同時可MCU也可控制LCD顯示當(dāng)前信號的幅值和頻率?，F(xiàn)場試驗所取同步信號幅值一般為不小于5 V，所以需要將MCU輸出的正弦波進(jìn)行放大。本裝置采用三極管放大電路，將電壓幅值從0～2.5 V放大到0～12 V。

由于本裝置所使用的MCU為MSP430，該芯片功耗低，同時又可通過編程使芯片長時間處于休眠狀態(tài)，使得裝置的功耗更低，因此一片3.3 V 100 mAh的鋰電池就可滿足裝置長時間工作。從而大大縮小了裝置的體積。

將上述各模塊集成到到一起，通過MCU的有序控制，研制成功了專門針對電纜局放試驗的同步信號發(fā)生器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　同步信號發(fā)生器系統(tǒng)圖

3　相頻校核的實現(xiàn)

在研制基于電纜局放試驗的同步信號發(fā)生器裝置時，如何使該裝置發(fā)出和電纜加壓處同頻率、同相位的同步電壓信號非常重要。因此裝置必須具備同步電壓信號的相頻校核功能。為實現(xiàn)該功能，裝置將在相頻獲取和信號發(fā)生兩個單元通過單片機(jī)和RTC相配合來進(jìn)行相頻校核設(shè)計。首先在相頻獲取單元中通過單片機(jī)和RTC相配合來確定信號的初相位。相頻獲取流程如圖3所示，單片機(jī)上電后對各模塊進(jìn)行初始化，然后使能AD接收同步電壓，并通過編程轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號。然后使能RTC開始計時，由于RTC最高所用晶振為32 k所以，最小的計時點為0.03 ms，而同步信號的最高頻率為300 Hz，實際所取頻率多為幾十赫茲，所以RTC計時誤差換算到相位上只有不到10度，這個誤差在局部放電測試中是可以忍受的。同時由單片機(jī)來判斷同步方波信號是否到達(dá)0相位，到達(dá)后將記錄當(dāng)前的RTC的時間T1（精確到最小計時點），然后判斷第二個0相位點，記錄T2。那么T2-T1就是同步信號的周期T。此時便可以通過UART轉(zhuǎn)GPRS模塊將T2時刻和T信息發(fā)送出去。

圖3　相頻獲取流程

相頻校核流程如圖4所示。相頻校核模塊同樣需要單片機(jī)和RTC配合工作。單片機(jī)初始化后，通過UART轉(zhuǎn)GPRS模塊接收來自采集模塊的周期T和0相位時間T2。然后使能RTC開始計時。在這里只需要將T2順延整數(shù)倍個周期T，就可以以此矯正為0相位時刻，發(fā)出不同信號。為了盡量減小傳輸途中的時延等誤差，將整數(shù)倍定為10（100倍）倍，然后可以利用RTC單元自帶的報警功能設(shè)置，當(dāng)計時時間到了T2+10T即可發(fā)出脈沖，使能單片機(jī)IO中斷，然后單片機(jī)便可在此時發(fā)出周期為T的方波信號，這樣便達(dá)到了同步信號相位和頻率校核的目的。

該裝置在程序設(shè)計中因為單片機(jī)語句延時所造成的誤差，可以通過測量程序本身的延時來加以修正。

圖4　相頻校核流程

4　裝置實測效果

完成對裝置軟硬件的設(shè)計，對裝置進(jìn)行功能測試。如圖5所示，首先從相頻獲取單元取得一個50 Hz的電壓信號，然后在相頻獲取單元通過程序運(yùn)行獲取該電壓的相位和頻率信息。然后通過UART轉(zhuǎn)GPRS傳送給信號發(fā)生單元。信號發(fā)生單元獲取相頻信號后通過EMC口發(fā)出，同時可以通過LCD來顯示當(dāng)前的頻率。將該裝置運(yùn)用到電纜局放測試中，記錄下實際的局放波形如圖6所示，同步信號能夠很好的試用于電纜局放的測試。

圖5　同步信號發(fā)生器功能板

圖6　同步信號發(fā)生器局放實測波形

5　結(jié)論

文章首先介紹了電纜局部放電試驗中同步信號對局部放電診斷的重要性。針對電纜投運(yùn)前，中間接頭處同步信號難以獲取而導(dǎo)致局部放電試驗無法進(jìn)行的現(xiàn)狀，提出了研制基于電纜局放的同步信號發(fā)生器的重要性。接著從硬件上設(shè)計了整個同步信號發(fā)生器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各個組成模塊，該裝置分成同步信號相頻獲取單元和同步信號發(fā)生單元，兩部分都是基于嵌入式設(shè)計，且通過UART轉(zhuǎn)GPRS兩者可以進(jìn)行通訊。然后基于此硬件構(gòu)成，提出了一種專門針對電纜局放測試的同步信號的相位、頻率校核的方法。最后通過硬件和軟件兩方面的研究設(shè)計出了基于電纜局放試驗的同步信號發(fā)生器，并且通過實測驗證了裝置的有效性和實用價值。

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Design of wireless synchronous signal generator based on cable partial discharge test

TANG Qi，LI Guo-wei
（Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation，F(xiàn)oshan 528000，China）

According to the present situation that it is difficult for the new operation for cable intermediate joint to obtain the synchronous voltage signal and it dues that it is difficult to partial discharge measurement，we developed a wireless synchronous signal generator to cable partial discharge test.The phase and frequency information of cable pressure voltage can be obtained through GPRS wireless communication，and the cable partial discharge test can be carried out smoothly.It designs a phase and frequency calibration method for the wireless synchronous signal generator，and it is verified in the actual.

partial discharge；synchronous signal；phase frequency calibration；wireless communication

TN99

A

1674－6236（2016）12-0135-03

2015-06-19稿件編號：201506196

唐琪（1983—），男，四川南充人，碩士，工程師。研究方向：高壓試驗和狀態(tài)監(jiān)測。