變電設(shè)備智能物聯(lián)超聲局部放電微型化測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

陳澤奇,張一鋒,陳非凡

(清華大學(xué),精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

0 引言

超聲局部放電監(jiān)測(cè)法是變電設(shè)備絕緣狀態(tài)監(jiān)測(cè)的重要手段之一,目前變電現(xiàn)場(chǎng)對(duì)超聲局部放電的測(cè)量方法主要有人工巡檢法和在線監(jiān)測(cè)法[1]。人工巡檢法通常是由人力使用便攜式檢測(cè)儀器定期對(duì)各變電設(shè)備進(jìn)行帶電檢測(cè),該方法的人力和時(shí)間成本較高,且檢測(cè)時(shí)效性較差[2-4]。在線監(jiān)測(cè)法通常是將各超聲局部放電傳感器固定安裝在變壓器等設(shè)備上,并分別連入一個(gè)集中部署的數(shù)據(jù)采集機(jī)箱以實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)的實(shí)時(shí)集中監(jiān)測(cè)[5-6]。以上集中式的系統(tǒng)集成方法不僅存在需要部署大型機(jī)柜、系統(tǒng)接線復(fù)雜和占用現(xiàn)場(chǎng)空間大等現(xiàn)象,而且會(huì)由于數(shù)據(jù)共享困難而導(dǎo)致無(wú)法進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)全站感知和智慧變電。

本文研制了一種微型化的新型超聲局部放電測(cè)量轉(zhuǎn)換電路,可同時(shí)進(jìn)行雙路超聲局部放電信號(hào)的測(cè)量轉(zhuǎn)換,其尺寸為83 mm×50 mm×15.5 mm。通過(guò)各方面的性能測(cè)試,驗(yàn)證了其功能的有效性和實(shí)用性,并給出了該電路在變電設(shè)備智能物聯(lián)在線監(jiān)測(cè)場(chǎng)景的具體應(yīng)用方法。

1 原理設(shè)計(jì)

超聲局部放電傳感器能將變電設(shè)備可能存在的局部放電故障所產(chǎn)生的超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)[7],常通過(guò)運(yùn)算放大器進(jìn)行測(cè)量轉(zhuǎn)換處理[8]。圖1給出了超聲局部放電傳感器接入測(cè)量轉(zhuǎn)換電路輸入端的等效電路示意圖。圖1中傳感器的等效電路一般可描述為1個(gè)電壓源U與1個(gè)電容Cs串聯(lián)后再與1個(gè)電阻Rs并聯(lián)。其中電容Cs一般為120～1 800 pF,電阻Rs一般為109～1014Ω[9-12]。測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的輸入端阻抗一般可等效為一個(gè)接地電阻Rin。在超聲局部放電的有效信號(hào)頻段在20～300 kHz內(nèi),電容Cs的等效阻抗ZC為

(1)

式中:ωmin為20 kHz對(duì)應(yīng)的角頻率;Cmin為120 pF。

由于ZC,max的絕對(duì)值遠(yuǎn)小于Rs,因此傳感器的輸出阻抗可近似為電容Cs的交流阻抗ZC。

如圖1所示,當(dāng)傳感器接入測(cè)量轉(zhuǎn)換電路時(shí),電路輸入端電壓Uin為輸入阻抗Rin與ZC對(duì)U的分壓。為了使傳感器的輸出信號(hào)幅值最大化,Rin需遠(yuǎn)大于ZC的電抗值。在傳感器輸出阻抗為ZC,max的條件下,傳感器輸出電壓分壓比δ與Rin的理論關(guān)系如圖2所示。

由圖2中可以看出,當(dāng)后續(xù)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的輸入阻抗達(dá)到8.6 MΩ時(shí),傳感器輸出電壓的理論分壓比已達(dá)到99.997%。當(dāng)輸入阻抗繼續(xù)增加時(shí),分壓比的增速已逐漸緩慢。綜合考慮傳感器輸出電壓的分壓比和測(cè)量轉(zhuǎn)換電路輸入阻抗的實(shí)現(xiàn)難易程度,電路的輸入阻抗至少需要達(dá)到10 MΩ。

雖然普通運(yùn)算放大器的輸入阻抗有可能達(dá)到10 MΩ以上,但往往需要多級(jí)放大,且增益誤差較大,不利于測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的微型化,本文選用AD8421儀表放大器對(duì)傳感器的測(cè)量信號(hào)進(jìn)行阻抗變換,同時(shí)獲得一定增益。該芯片在增益≤100倍時(shí)的帶寬≥2 MHz,且偏置電流僅為0.5 nA。其輸入阻抗高達(dá)30 GΩ,能直接應(yīng)用于高輸出阻抗傳感器信號(hào)的測(cè)量轉(zhuǎn)換。對(duì)超聲局部放電傳感器,其內(nèi)部電容Cs和極高阻值的電阻Rs均相當(dāng)于直流斷路,若將傳感器直接接入儀表放大器的輸入端,由于偏置電流缺乏直流通路,該電流將對(duì)電容Cs持續(xù)充電或放電,儀表放大器的輸出電壓會(huì)迅速漂移到電源電壓或地電位,導(dǎo)致電路無(wú)法正常工作。因此需要將儀表放大器的同相輸入端通過(guò)一個(gè)電阻Rin接地,并將反相輸入端直接接地,為各輸入端的偏置電流提供放電路徑,該部分的電路原理示意圖如圖3中第1部分所示。當(dāng)取Rin為10 MΩ時(shí),不到0.5 nA的偏置電流在Rin產(chǎn)生的直流偏置電壓僅為mV量級(jí),能夠很容易被后續(xù)的濾波電路直接濾除。考慮到濾波電路對(duì)輸入信號(hào)的需求,該部分電路的增益被設(shè)計(jì)為固定的20倍。

圖3 測(cè)量轉(zhuǎn)換電路原理示意圖

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的研究成果,超聲局部放電能量主要集中在20～300 kHz頻段[13],其中高壓開(kāi)關(guān)柜的檢測(cè)頻率多為20～100 kHz,GIS檢測(cè)頻率多在25 kHz左右,變壓器諧振頻率多在150 kHz左右[14]。而變電現(xiàn)場(chǎng)常見(jiàn)的噪聲主要有機(jī)械振動(dòng)和電氣噪聲等,其中前者頻率一般低于4 kHz,后者頻率一般高于9 MHz[15],因此需要通過(guò)一個(gè)通帶為20～300 kHz的高質(zhì)量濾波器對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行處理。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)四階的切比雪夫型濾波器,可保證整個(gè)通帶的平穩(wěn)特性。為使濾波電路對(duì)上述主要噪聲的理論衰減均不小于-25 dB,其通帶需要允許0.5 dB的波紋。設(shè)計(jì)的濾波電路原理示意圖如圖3中第2部分所示,其中的有源芯片選用AD823運(yùn)算放大芯片。

考慮到現(xiàn)場(chǎng)超聲局部放電傳感器靈敏度等特性的差異性和后續(xù)數(shù)據(jù)采集處理電路的標(biāo)準(zhǔn)化,在測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的末端設(shè)計(jì)了一個(gè)增益調(diào)節(jié)電路以適應(yīng)不同靈敏度的傳感器,如圖3中第3部分所示,其中的儀表放大器仍使用AD8421芯片。由于傳感器輸出峰值一般小于80 mV,考慮到儀表放大芯片的輸出擺幅,整個(gè)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的增益配置設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 不同輸入峰值的電路增益配置表

出于現(xiàn)場(chǎng)可能布置的傳感器數(shù)量和節(jié)點(diǎn)密度的綜合平衡考慮,對(duì)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路采用了雙通道設(shè)計(jì),可同時(shí)實(shí)現(xiàn)2路超聲局部放電傳感器的直接接入和處理。圖4給出了根據(jù)圖3所示電路原理圖實(shí)現(xiàn)的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路框圖和實(shí)物圖,其整體尺寸為83 mm×50 mm×15.5 mm。

(a)電路原理框圖

2 性能測(cè)試

為了測(cè)試變電設(shè)備智能物聯(lián)超聲局部放電微型化測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的增益、濾波和噪聲等性能,本文構(gòu)建了如圖5所示的實(shí)驗(yàn)裝置。使用信號(hào)發(fā)生器Agilent 33220A產(chǎn)生的不同頻率正弦波來(lái)測(cè)試增益和濾波電路的特性曲線,使用電子脈沖點(diǎn)火器來(lái)模擬局部放電,并通過(guò)其放置距離模擬局部放電信號(hào)的強(qiáng)弱變化。實(shí)驗(yàn)裝置中設(shè)置了開(kāi)關(guān)K1～K3,其中K1用于選擇輸入電路的信號(hào)源,K2用于選擇信號(hào)接入電路的CH1或CH2通道輸入端,K3用于選擇是否對(duì)信號(hào)發(fā)生器的輸出進(jìn)行衰減。Tektronix TBS1154示波器用于測(cè)試測(cè)量轉(zhuǎn)換電路中A～H各點(diǎn)的信號(hào)波形。

圖5 超聲局部放電測(cè)量轉(zhuǎn)換電路實(shí)驗(yàn)裝置

首先對(duì)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的增益特性進(jìn)行測(cè)試。將圖5中的K1連接點(diǎn)2,K2連接點(diǎn)3,K3連接點(diǎn)5,示波器表筆接入A、B兩點(diǎn),測(cè)量二者峰峰值并計(jì)算實(shí)測(cè)增益,與理論增益進(jìn)行比較得到通道1第1級(jí)增益的誤差曲線;再將示波器表筆接入C、D兩點(diǎn),調(diào)節(jié)該通道的第2級(jí)增益,得到增益為2和10時(shí)的誤差曲線。當(dāng)對(duì)50倍增益進(jìn)行測(cè)試時(shí),由于總增益過(guò)大,需將K3連接點(diǎn)6,對(duì)信號(hào)發(fā)生器的輸出進(jìn)行分壓后再接入電路。對(duì)各增益分別進(jìn)行5次測(cè)試實(shí)驗(yàn),得到平均增益誤差曲線及部分誤差棒如圖6所示。

圖6 儀表放大電路增益誤差曲線

以圖6中10倍增益曲線在300 kHz處的增益誤差最低點(diǎn)①為例,C點(diǎn)的峰峰值為0.54 V,D點(diǎn)的峰峰值為5.36 V,因此誤差曲線上該點(diǎn)數(shù)值為

(2)

由圖6可知,在20～300 kHz的超聲局部放電有效頻段內(nèi),各級(jí)增益大體呈下降趨勢(shì),但其相對(duì)誤差低于1%。由此可見(jiàn),測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的增益性能與原理設(shè)計(jì)相符,增益特性良好。

為了測(cè)試測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的濾波特性,將圖5中的K1連接點(diǎn)2,K2連接點(diǎn)3,K3連接點(diǎn)5,示波器表筆接入B、C兩點(diǎn),測(cè)量二者峰峰值和峰值時(shí)差,計(jì)算得到通道1濾波電路的實(shí)測(cè)幅頻和相頻特性。同時(shí),使用Multisim軟件對(duì)濾波器的特性進(jìn)行了仿真計(jì)算。圖7(a)給出了濾波電路在較寬頻段內(nèi)的幅頻特性,箭頭所指的示波器波形圖分別為低頻阻帶、通帶和高頻阻帶對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)的原始信號(hào)波形;圖7(b)給出了濾波器通帶附近的幅頻和相頻特性。

由圖7(b)可以看出,在20～300 kHz的超聲局部放電有效頻段內(nèi),濾波電路的實(shí)測(cè)波紋在0.7 dB之間,與仿真特性基本相符。當(dāng)頻段逐漸靠近阻帶時(shí),信號(hào)幅度能得到大幅衰減。濾波電路上下截止頻率的理論仿真結(jié)果分別為418.1 kHz和14.0 kHz,而實(shí)測(cè)結(jié)果分別為455.8 kHz和14.6 kHz,實(shí)驗(yàn)與理論結(jié)果基本相符。如圖7(b)所示,濾波電路的相頻特性在整個(gè)通帶內(nèi)均在±90°之間,實(shí)測(cè)與仿真特性也非常吻合。由此可見(jiàn),濾波電路實(shí)際性能符合預(yù)期的理論設(shè)計(jì)結(jié)果。

為了驗(yàn)證濾波電路的實(shí)際應(yīng)用效果,將圖5中的K1連接點(diǎn)2,K2連接點(diǎn)3,K3連接點(diǎn)5,設(shè)置信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為293 kHz、峰值為100 mV的方波,示波器采樣率為100 MHz。測(cè)量B、C兩點(diǎn)的電壓并分別使用2 048個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行快速傅里葉變換。濾波前后的時(shí)域和頻域信息如圖8所示。

(a)時(shí)域圖

從8(a)可以看出,濾波前為毛刺較多的方波,且包含較大的直流分量,而濾波后波形已接近正弦波,且直流分量也已被消除。從圖8(b)中也可以看出,濾波前的各頻率實(shí)測(cè)幅度與理論基本相符,而濾波之后僅有293 kHz的基頻被完整保留,三倍頻分量約為濾波前的1/4,即衰減為-12 dB,其余分量則幾乎被全部衰減,通帶和阻帶特性均符合預(yù)期效果。

本文進(jìn)一步使用放電模擬器所產(chǎn)生的局部放電信號(hào)對(duì)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路濾波性能進(jìn)行了測(cè)試。將圖5中的K1連接點(diǎn)1,K2連接點(diǎn)3,放電模擬器置于距傳感器10 cm處。綜合考慮局部放電信號(hào)頻率、信號(hào)持續(xù)時(shí)間以及示波器的存儲(chǔ)深度,設(shè)置示波器采樣率為1 MHz。測(cè)量B、C兩點(diǎn)的電壓波形并分別使用2 048個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行快速傅里葉變換。濾波前后的時(shí)域波形圖分別如圖9(a)和圖9(b)所示,圖9(c)給出了相對(duì)應(yīng)的頻域信息,其中右側(cè)兩幅小圖分別為左下角和右下角虛線區(qū)域的放大圖。

(a)濾波前時(shí)域圖

對(duì)比濾波前后的時(shí)域波形,濾波前的信號(hào)約有-0.1 V的直流偏置,這是由于電路輸入端的接地電阻較大,前端儀表放大器的偏置電流導(dǎo)致其輸入端有約-5 mV的偏置電壓,但經(jīng)濾波后則基本消除。這一點(diǎn)也能從頻域特性中體現(xiàn),濾波前的直流和低頻分量較大,在0 Hz和488 Hz處分別為0.228 V和0.012 V,而經(jīng)濾波后則均小于0.001 V。信號(hào)在15 kHz以下的頻段具有明顯的衰減;而在20～300 kHz的通帶內(nèi),濾波前后的頻率特性則基本沒(méi)有變化,如濾波前后的2個(gè)超聲局部放電主頻均在155 kHz和170 kHz處,其幅值也僅有細(xì)微增大,與圖7的濾波幅頻特性對(duì)應(yīng)相符。由于300 kHz以上的頻段接近通帶且濾波前的頻率分量較低,效果相對(duì)不太明顯。上述實(shí)驗(yàn)表明,電路的實(shí)際濾波效果較好,能有效降低噪聲并保留有效的超聲局部放電信號(hào)。

為了對(duì)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的可變?cè)鲆嫣匦赃M(jìn)行測(cè)試,將圖5中的K1連接點(diǎn)1,K2連接點(diǎn)3,示波器表筆接入C、D兩點(diǎn)。調(diào)節(jié)放電模擬器與傳感器的距離L分別為5、10、20 cm以模擬局部放電信號(hào)的強(qiáng)弱變化。在各條件下分別進(jìn)行10次模擬放電,測(cè)量C點(diǎn)的輸出幅值,并根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)節(jié)電路的第2級(jí)增益,得到第2級(jí)增益與C、D點(diǎn)的峰值范圍關(guān)系如表2所示。

表2 各條件下電路第2級(jí)增益配置及峰值范圍關(guān)系表

表2中數(shù)據(jù)表明,通過(guò)調(diào)節(jié)第2級(jí)增益可將測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的輸出信號(hào)幅值調(diào)整到后續(xù)數(shù)據(jù)采集電路所需的±5.0 V范圍內(nèi),該電路可適用于不同靈敏度的超聲局部放電傳感器。

最后進(jìn)行了測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的噪聲特性測(cè)試,其典型噪聲波形如圖10所示。將圖5中的K1連接點(diǎn)1,K2連接點(diǎn)3,示波器時(shí)間刻度調(diào)為10 μs,表筆接入D點(diǎn),分別將第2級(jí)放大電路的增益設(shè)置為2、10和50,各測(cè)量10次電路輸出端的噪聲RMS值,實(shí)測(cè)結(jié)果如表3所示,其中的理論結(jié)果是采用LTspice軟件對(duì)電路噪聲進(jìn)行仿真計(jì)算的結(jié)果,誤差是實(shí)測(cè)噪聲與理論噪聲之間的差值。

表3 各條件下的噪聲RMS及誤差表

圖10 200倍增益條件下的噪聲波形

表3中結(jié)果表明:各增益條件下的整體實(shí)驗(yàn)噪聲均較仿真噪聲略大,這可能是由于示波器底噪的影響,實(shí)測(cè)示波器的底噪為0.5 mV左右。當(dāng)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的總增益為1 000時(shí),電路的實(shí)測(cè)噪聲RMS也在10 mV之內(nèi),相對(duì)于其±5.0 V的信號(hào)幅值,該噪聲對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響已很小。

此外,對(duì)多個(gè)電路板的各個(gè)通道均進(jìn)行了上述測(cè)試,結(jié)果表明,各通道之間的一致性很好。

3 智能物聯(lián)應(yīng)用方法

圖11給出了基于本文所研制的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路和課題組團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有的信息化電路構(gòu)成智能感知節(jié)點(diǎn)的方法示意圖。節(jié)點(diǎn)外部能夠直接連接1～2路超聲局部放電傳感器,經(jīng)測(cè)量轉(zhuǎn)換電路處理后的輸出信號(hào)接入信息化電路中的雙路高速數(shù)據(jù)采集電路中,并通過(guò)邊緣計(jì)算得到局部放電信號(hào)的特征參數(shù)信息,最終通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)信息交互。

基于智能感知節(jié)點(diǎn)和團(tuán)隊(duì)現(xiàn)有的其他節(jié)點(diǎn)可構(gòu)建如圖12所示的智能物聯(lián)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由1個(gè)供電節(jié)點(diǎn)、1個(gè)網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)和多個(gè)智能感知節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,其中供電節(jié)點(diǎn)用于為網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行總線供電,網(wǎng)橋節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)以太網(wǎng)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)相連,用以顯示感知節(jié)點(diǎn)處理得到的特征信息。通過(guò)一條線纜即可同時(shí)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的自供電和節(jié)點(diǎn)間的測(cè)控信息自動(dòng)交互[16]。

圖12 節(jié)點(diǎn)在智能物聯(lián)系統(tǒng)中的應(yīng)用方法示意圖

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)變電設(shè)備智能物聯(lián)監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的就近部署要求及其微型化需求,本文設(shè)計(jì)了一種新型的超聲局部放電測(cè)量轉(zhuǎn)換電路,通過(guò)儀表放大電路解決了高阻抗傳感器輸出信號(hào)的低阻抗變換問(wèn)題,通過(guò)四階切比雪夫?yàn)V波電路解決了不同帶寬的測(cè)量噪聲濾除問(wèn)題,并通過(guò)增益可調(diào)電路解決了不同靈敏度傳感器的測(cè)量轉(zhuǎn)換信號(hào)幅度范圍標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題。該電路具有雙通道超聲局部放電信號(hào)測(cè)量轉(zhuǎn)換能力,其尺寸為83 mm×50 mm×15.5 mm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該電路在整個(gè)通帶頻段內(nèi)的各級(jí)增益誤差低于1%,電路在1 000倍增益條件下的輸出噪聲RMS值不超過(guò)10 mV,可滿足各類變電設(shè)備的超聲局部放電智能物聯(lián)監(jiān)測(cè)需求。