導(dǎo)語(yǔ)：局部放電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)研究一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：局部放電相位統(tǒng)計(jì)法是當(dāng)前廣泛應(yīng)用的局部放電檢測(cè)與分析方法，二維和三維圖譜分析的關(guān)鍵參數(shù)之一是局放脈沖所對(duì)應(yīng)的相位信息。本文提出一種局放脈沖的工頻相位檢測(cè)電路，適用于外觸發(fā)局部放電便攜式帶電檢測(cè)設(shè)備和在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，并對(duì)電路進(jìn)行了仿真模擬和試驗(yàn)驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞：局部放電；相位檢測(cè)；鎖相環(huán)；計(jì)數(shù)器；濾波用

不同的檢測(cè)方法可以得到不同的局部放電特征［1－4］。如今用于分析和評(píng)估局部放電的兩種最常用的檢測(cè)方法是基于相位分辨數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)檢測(cè)法［5－6］和基于時(shí)間分辨數(shù)據(jù)的波形檢測(cè)法［7－8］。當(dāng)今大部分商業(yè)應(yīng)用的PD檢測(cè)器均采用相位分辨檢測(cè)方法，也稱相位統(tǒng)計(jì)法。局部放電相位統(tǒng)計(jì)檢測(cè)與識(shí)別方法需要事先獲得局部放電脈沖所對(duì)應(yīng)的工頻電源的具體相位，每個(gè)局部放電脈沖總是發(fā)生于工頻正弦波的某一個(gè)相位窗口，該相位窗口在局部放電測(cè)量過(guò)程中需要通過(guò)一定技術(shù)或手段獲得。局部放電測(cè)量設(shè)備中局放脈沖相位的獲得通常有兩種方法，即內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)。內(nèi)觸發(fā)通常用于手持式帶電檢測(cè)設(shè)備，一般由于電池供電而沒有連接外接電源，而無(wú)法采用外觸發(fā)。外觸發(fā)用于便攜式測(cè)量設(shè)備以及在線監(jiān)測(cè)設(shè)備，一般連接有低壓工頻電源，從而可利用該正弦電源。內(nèi)觸發(fā)是為了相位統(tǒng)計(jì)法的需要而不得已采用的方法，一般通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)，獲得的相位值也不是真正的局放脈沖所對(duì)應(yīng)相位值，但從統(tǒng)計(jì)概率角度來(lái)說(shuō)可以幫助實(shí)現(xiàn)統(tǒng)計(jì)分析。外觸發(fā)所獲得的相位值要真實(shí)許多，一般通過(guò)硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文針對(duì)局部放電測(cè)量中局部放電脈沖所對(duì)應(yīng)的相位提出一種外觸發(fā)檢測(cè)電路，集成到局部放電測(cè)量設(shè)備的硬件中，在通過(guò)設(shè)備檢測(cè)到局部放電脈沖幅值和個(gè)數(shù)的同時(shí)，也檢測(cè)到該脈沖所對(duì)應(yīng)的工頻電源相位值。該檢測(cè)電路通過(guò)整形把工頻波形轉(zhuǎn)換為矩形脈沖波形，并通過(guò)鎖相環(huán)技術(shù)和脈沖計(jì)數(shù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)要求精度的最小相位窗，從而提高了相位值獲取的精度。

1相位測(cè)量系統(tǒng)架構(gòu)及功能研究

工頻相位檢測(cè)電路包括依次連接的電源電壓分壓、二階低通濾波器、波形整形與轉(zhuǎn)換、鎖相環(huán)、倍頻器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器以及二進(jìn)制計(jì)數(shù)器等模塊，如圖1所示。首先設(shè)計(jì)一種電壓變換器將工頻電源電壓降壓為低電壓信號(hào)，用于后續(xù)的信號(hào)輸入。再設(shè)計(jì)一款低通濾波電路消除高頻干擾，截止頻率為300Hz，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形與轉(zhuǎn)換，即利用一個(gè)比較器（或者一般的放大器的開環(huán)應(yīng)用）對(duì)輸入的正弦信號(hào)進(jìn)行整形，將其轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)。接下來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行一個(gè)鎖相倍頻的過(guò)程，即將一個(gè)頻率為f1的輸入信號(hào)，倍頻N倍后，使得鎖相環(huán)的輸出頻率f0＝N•f1。例如N＝3600，則對(duì)應(yīng)的輸入信號(hào)相位為0．1°。最后再利用二進(jìn)制計(jì)數(shù)器對(duì)倍頻器的輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)（可以利用其復(fù)位端控制實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器與正弦輸入信號(hào)正向過(guò)零點(diǎn)的同步，該復(fù)位信號(hào)來(lái)自于基波信號(hào)整形后的上升沿啟動(dòng)的單穩(wěn)態(tài)脈沖）。對(duì)局部放電脈沖所對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)值進(jìn)行處理就可以得到相位值。1．1LM358有源濾波器由于電源電壓信號(hào)中不可避免串入有高頻干擾信號(hào)，而局放脈沖對(duì)應(yīng)相位的獲取需要盡可能沒有受干擾污染的工頻信號(hào)，因此有必要在工頻信號(hào)輸入處設(shè)計(jì)濾波器抑制甚至消除高頻干擾。有源二階低通Butterworth濾波器原理如圖2所示，其中放大器芯片采用LM358。該濾波器的通帶增益為k＝1＋R1／R2，品質(zhì)因素為Q＝1／（3－k），按照3dB衰減，濾波器的截止頻率為f＝1／2πRC。圖2基于LM358的二階低通濾波器原理Fig．2TheprincipleofsecondorderlowpassfilterbasedonLM3581．

2基于LM339比較器的整形轉(zhuǎn)換電路

波形整形與轉(zhuǎn)換電路將正弦交流信號(hào)整形為規(guī)則的方波信號(hào)，用于積分電路的控制，利用后續(xù)的積分電路將相位信息轉(zhuǎn)換為連續(xù)的模擬電壓，以供后續(xù)電路的采樣和處理，為了避免后續(xù)電路對(duì)積分電路的影響，配備緩沖電路。本文采用LM339比較器得到雙極性電壓然后經(jīng)積分電路得到積分電壓波形。LM339集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器，芯片管腳分布如圖3所示。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。LM339用在弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。圖3LM339比較器管腳圖Fig．3PinningdiagramofLM339Comparator1．3基于74HC4046和74HC4040的鎖相倍頻電路鎖相倍頻電路用于將整形與轉(zhuǎn)換電路輸出的頻率為f1的輸入信號(hào)，倍頻N倍，使得鎖相環(huán)的輸出頻率為Nf1，用于后續(xù)計(jì)算器電路的輸入。鎖相倍頻電路由鎖相環(huán)芯片74HC4046、二進(jìn)制累加計(jì)數(shù)器／分頻器74HC4040以及低通濾波器組成，如圖4所示。經(jīng)過(guò)整形轉(zhuǎn)換電路后的50Hz方波信號(hào)作為鎖相倍頻電路的輸入信號(hào)進(jìn)入鎖相環(huán)芯片，內(nèi)部壓控振蕩器輸出輸入到累加計(jì)數(shù)器進(jìn)行倍頻，倍頻信號(hào)反過(guò)來(lái)進(jìn)入到鎖相環(huán)的比較器輸入端，內(nèi)部相位比較器對(duì)兩個(gè)信號(hào)比較后輸出，并經(jīng)過(guò)低通濾波器濾除高頻噪聲，形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。不斷地調(diào)節(jié)，使輸出信號(hào)頻率為輸入信號(hào)頻率的256倍，并且使輸入信號(hào)與比較信號(hào)的頻差為零。4基于74HC123和74HC4040的計(jì)數(shù)器電路計(jì)數(shù)器電路利用二進(jìn)制計(jì)數(shù)器對(duì)倍頻器的輸出進(jìn)行計(jì)數(shù)，對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)值進(jìn)行處理即可得到相位值。本文采用74HC4040二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，利用其復(fù)位端控制實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器與正弦輸入信號(hào)正向過(guò)零點(diǎn)的同步。復(fù)位信號(hào)來(lái)自于基波信號(hào)整形后的上升沿啟動(dòng)的單穩(wěn)態(tài)脈沖，利用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器74HC123實(shí)現(xiàn)。2相位測(cè)量電路仿真模擬低通濾波器的功能為抑制高頻噪聲及高頻干擾，設(shè)計(jì)的低通濾波器幅頻特性和相頻特性如圖5所示，截止頻率為132．6Hz。設(shè)計(jì)的波形整形與轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)電源正弦波到方波的轉(zhuǎn)換，其原理本質(zhì)上為正弦信號(hào)過(guò)零檢測(cè)器，正向過(guò)零時(shí)對(duì)應(yīng)方波信號(hào)的下降沿，反相過(guò)零時(shí)對(duì)應(yīng)方波信號(hào)的上升沿。正弦輸入和方波輸出波形如圖6所示。鎖相倍頻與計(jì)數(shù)部分電路實(shí)現(xiàn)功能如圖7所示，仿真波形從上往下依次對(duì)應(yīng)示波器的通道A、B、C和D。其中，通道A為50Hz方波（占空比為0．5）信號(hào)；通道B為經(jīng)過(guò)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器后整形成為上升沿檢測(cè)周期觸發(fā)脈沖（對(duì)應(yīng)正弦波信號(hào)的負(fù)向過(guò)零點(diǎn)），用來(lái)對(duì)計(jì)數(shù)器復(fù)位；通道C為計(jì)數(shù)器的輸入信號(hào)；通道D為計(jì)數(shù)器失效參考信號(hào)。從信號(hào)B和C可看出，在單穩(wěn)態(tài)的一個(gè)周期內(nèi)計(jì)數(shù)器可計(jì)數(shù)10個(gè)脈沖。另外，由于單穩(wěn)態(tài)的輸出脈沖具有很小的占空比，計(jì)數(shù)器失效的時(shí)間非常短，而且正脈沖寬度小于計(jì)數(shù)器信號(hào)的脈沖寬度，故不影響計(jì)數(shù)。

3相位測(cè)量電路試驗(yàn)測(cè)試

研制相位測(cè)量電路并進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，正弦波轉(zhuǎn)方波再轉(zhuǎn)鋸齒波的測(cè)試波形如圖8所示，計(jì)數(shù)器復(fù)位觸發(fā)脈沖波形如圖9所示。通過(guò)測(cè)量鋸齒波信號(hào)的采樣值也可以計(jì)算出相位信息，正弦波信號(hào)在0～180°變化時(shí)，鋸齒波信號(hào)從Vmin到Vmax線性遞增；正弦波信號(hào)在180°～360°變化時(shí)，鋸齒波信號(hào)從Vmax到Vmin線性遞減。

4結(jié)語(yǔ)

結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的檢測(cè)電路通過(guò)將工頻正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波甚至鋸齒波，設(shè)計(jì)鎖相倍頻電路和計(jì)數(shù)器電路，通過(guò)計(jì)數(shù)器對(duì)倍頻脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)的方法能夠準(zhǔn)確地對(duì)局部放電相位信息進(jìn)行檢測(cè)。

作者:鄭能 單位:重慶大唐國(guó)際武隆水電開發(fā)有限公司