適用于局部放電模擬的校正信號發(fā)生電路研究*

岳克，馬鈺文，李晨，王磊，陳炯

（1.上海電力學(xué)院，上海200090；2.國網(wǎng)山西省電力公司陽泉供電公司，山西陽泉045000）

0 引 言

電力設(shè)備絕緣中的某些薄弱部位在強電場的作用下發(fā)生局部放電是高壓絕緣中普遍存在的問題。雖然局部放電一般不會引起絕緣的穿透性擊穿，但可以導(dǎo)致電介質(zhì)（特別是有機電介質(zhì)）的局部損壞。若局部放電長期存在，在一定條件下會導(dǎo)致絕緣劣化甚至擊穿。因此，對電力設(shè)備進行局部放電測試是電力設(shè)備制造和運行中的一項重要預(yù)防性試驗［1－5］。

針對基于脈沖電流檢測法的局部放電檢測設(shè)備在使用過程中的放電量校準環(huán)節(jié)，作者設(shè)計了一種脈沖相位、幅值和個數(shù)均可調(diào)節(jié)的脈沖發(fā)生電路，作為局部放電模擬信號。該模擬源主要由方波發(fā)生電路和信號控制發(fā)生電路兩部分構(gòu)成，能夠滿足GB/T 7354-2003/IEC 60270：2000中關(guān)于電量校準 的要求［6］。

校正系統(tǒng)作為局部放電檢測系統(tǒng)標定分度系數(shù)的信號源，直接關(guān)系到局部放電檢測的準確性，是局部放電檢測系統(tǒng)的重要組成部分［5］。傳統(tǒng)脈沖發(fā)生儀作為應(yīng)用在校正環(huán)節(jié)的信號源，只能針對放電量進行調(diào)節(jié)，不能有效模擬局部放電信號，功能單一。而文中設(shè)計的電路所發(fā)出的脈沖信號可以調(diào)整脈沖發(fā)生的相位、幅值及個數(shù)，作用不局限于對放電量的校正，亦可以作為局部放電檢測裝置功能測試的信號源，與正弦交流信號疊加，模擬多種情況下的局部放電信號［7－10］。

該局部放電信號模擬單元主要由方波發(fā)生電路和控制信號產(chǎn)生電路兩部分構(gòu)成。其中脈沖發(fā)生電路采用鎖相環(huán)芯片HEF4046BP產(chǎn)生脈沖信號；通過控制電路輸出的相位、占空比可調(diào)方波信號作用于HEF4046BP禁止端，對脈沖發(fā)生的相位、個數(shù)進行控制。控制信號電路主要由移相電路、方波變換電路和方波占空比調(diào)節(jié)電路三個部分組成。并為驗證電路可行性，對整個模擬源進行了搭建。

1 局部放電的模擬基本原理

通過二階微分電路模型，設(shè)計了一個可調(diào)脈沖發(fā)生裝置來模擬局部放電信號。其放電量控制基本原理電路如圖1所示。

圖1中C0為方波信號輸入端，其幅值為U0。為計算方便，將Ca與Cb等效為C1，其中Ca為分度電容，Cb為被測試品電容。將調(diào)節(jié)電阻R1′、R2′、R3′、R4′的阻值統(tǒng)稱為Rx。等效電容C1的初始電壓U1為0。

圖1 局部放電信號模擬原理圖Fig.1 Partial discharge signal simulation diagram

分析該電路模型：

將U1＝Aest代入該二階常微分系數(shù)微分方程，得其特征方程為：

其判別式：

又有 C0?C1、R1?Rx，則 Δ可以近似為：

則：

由上式可知，兩個指數(shù)函數(shù)構(gòu)成了電容C1兩端的電壓U1，由于S1的絕對值遠大于S2，電容C1兩端的電壓峰值接近于：

此時電容C1的充電電量為：

因此，調(diào)整R1、Rx的參數(shù)，即可實現(xiàn)對輸出電量大小的控制，通過后續(xù)分壓電路的設(shè)計可以實現(xiàn)多種電量大小輸出。

2 局部放電信號模擬電路設(shè)計方案

文中電路主要由方波發(fā)生電路和控制信號電路兩部分組成。如圖2所示，利用控制信號電路實現(xiàn)對方波發(fā)生電路產(chǎn)生的脈沖相位、個數(shù)的控制。

圖2 模擬電路系統(tǒng)框圖Fig.2 System block diagram of simulation circuit

2.1 脈沖發(fā)生電路

采用基于鎖相環(huán)芯片HEF4046BP的RC壓控振蕩器作為方波脈沖發(fā)生電路，外接定時電容和電阻作為充放電原件，以實現(xiàn)振蕩方波輸出。

當鎖相環(huán)芯片接入固定電源（本設(shè)計以9 V疊層電池對芯片進行供電）時，芯片起方波振蕩電路的作用。振蕩器的振蕩頻率與控制電壓成正比，即當VCO控制端的控制電壓為0時，輸出頻率處于最小值；當輸入控制電壓等于電源電壓VDD時，輸出頻率則幾乎以線性增長方式增大到最大頻率輸出。對于固定的供電電源，當外接壓控振蕩器的充放電電容確定時，只需調(diào)節(jié)電阻R28阻值即可調(diào)整振蕩器振蕩頻率，振蕩方波信號從芯片4腳輸出，通過電位器及電阻分壓模塊進行分壓，實現(xiàn)脈沖方波不同幅值輸出，即多檔放點量控制。按圖3所示接外圍元件值可得輸出理論頻率在50 Hz～500 Hz方波信號。

圖3 脈沖方波發(fā)生電路設(shè)計圖Fig.3 Design diagram of pulse square wave generating circuit

2.2 控制信號電路

鎖相環(huán)芯片HEF4046BP的RC型壓控振蕩器能穩(wěn)定輸出不同幅值的脈沖方波信號，通過對分壓電路的設(shè)計，可以實現(xiàn)多檔位放電量調(diào)節(jié)。但要進一步對放電脈沖的相位和個數(shù)進行控制，需要設(shè)計一個控制信號電路接入HEF4046BP的禁止端，通過該控制信號實現(xiàn)對放電脈沖相位、個數(shù)的控制。該控制信號電路主要由移相、方波變換、占空比調(diào)節(jié)三個主要模塊組成。

2.2.1 移相電路設(shè)計

設(shè)計了一個帶運放的級聯(lián)移相電路以實現(xiàn)連續(xù)相位調(diào)節(jié)原理圖如圖4所示，通過級聯(lián)移相電路，對函數(shù)信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦信號進行移相。

圖4 級聯(lián)移相原理圖Fig.4 Cascade phase shift circuit

取適當參數(shù)，調(diào)節(jié)電阻即能實現(xiàn)對輸入正弦信號相位的連續(xù)調(diào)節(jié)。當兩級反饋電阻相等，即R1＝R2時，該級聯(lián)移相電路的輸出電壓和輸入電壓大小相等。當回路電容值固定時，調(diào)節(jié)可變電阻可實現(xiàn)等幅移相。本文級聯(lián)移相電路運放芯片選用LM324，其高度四運放集成能有效減小硬件電路設(shè)計體積，且無需設(shè)計相應(yīng)外部偏置元件。以100 kΩ電位器代替可變電阻作為移相角度調(diào)節(jié)開關(guān)，實現(xiàn)較高的調(diào)節(jié)分度。經(jīng)實測，最大移相角度為218°。

2.2.2 方波變換電路設(shè)計

因HEF4046BP的控制需要高低電平來實現(xiàn)，故需將經(jīng)過移相的正弦信號變換為方波信號。文中選用NE555，通過施密特觸發(fā)器方式來實現(xiàn)穩(wěn)定正向方波輸出，將正弦信號變換為方波信號。方波變換電路設(shè)計如圖5所示。

其中 C12和 C1為耦合電容，R3、R29和 R9、R30起直流偏置作用，使NE555的2、6腳的偏置電壓在VDD/2，介于兩個閾值電平之間。

2.2.3 占空比調(diào)節(jié)電路設(shè)計

由于脈沖發(fā)生的個數(shù)主要由該控制信號的占空比決定，當輸入禁止端的控制信號為電平時，HEF4046BP發(fā)出脈沖。因此為實現(xiàn)對脈沖個數(shù)的控制，必須對控制信號的占空比進行調(diào)節(jié)。

如圖6所示，占空比可調(diào)電路由積分電路和電壓比較器電路組合實現(xiàn)。積分電路將變換得到方波信號轉(zhuǎn)換成三角波信號并輸入電壓比較器同相輸入端，然后調(diào)節(jié)電壓比較端。當輸入的三角波信號大于電壓比較器反相端電壓時，比較器的輸出端信號處于高電平VCC，當輸入信號小于其反相端電壓時，該比較器的輸出處于低電平，進而可以實現(xiàn)可調(diào)占空比正向高低電平矩形脈沖。

圖5 方波變換電路V ccFig.5 Square wave transformation circuit

圖6 占空比調(diào)節(jié)電路Fig.6 Duty ratio adjustment circuit

3 試驗結(jié)果

為了驗證電路設(shè)計的正確性，制作了PCB板并搭建了完整電路，電路實物如圖7所示，對電路設(shè)計進行了試驗驗證。

圖7 電路實物Fig.7 Circuit object

試驗使用Agilent-33522A型函數(shù)信號發(fā)生器作為輸入正弦信號，在未加裝屏蔽盒的情況下進行了電路的總體測試。試驗結(jié)果表明電路可以很好的模擬局部放電脈沖，并能對脈沖發(fā)生的個數(shù)、相位進行調(diào)節(jié)。

圖8 試驗波形（單次脈沖）Fig.8 Test waveform（single pulse）

圖9 試驗波形（多次脈沖）Fig.9 Test waveform（multiple pulse）

如圖8～圖9所示，圖8為發(fā)生在45°左右的單個放電脈沖模擬信號波形、圖9為發(fā)生在45°～90°時的多個放電脈沖波形。（最上方波形為疊加了放電脈沖的正弦信號；中間波形為控制信號；下方波形為脈沖信號）

4 結(jié)束語

根據(jù)局部放電測量標準 GB/T 7354-2003/IEC 60270：2000，針對局放儀在使用過程中的放電量校準環(huán)節(jié)，設(shè)計了一種脈沖相位、幅值和個數(shù)均可調(diào)節(jié)的裝置，作為局部放電模擬信號。該電路由方波發(fā)生電路和信號控制發(fā)生電路構(gòu)成。

依照設(shè)計搭建了電路進行驗證，測試結(jié)果顯示電路可以很好的模擬電纜局部放電信號，能在標定電量的基礎(chǔ)上對脈沖發(fā)生的個數(shù)、相位進行調(diào)節(jié)。對電路進一步完善之后可以作為檢測、標定電纜局部放電測量系統(tǒng)的完整裝置。