【正文】 S, 6SF 斷路器）和交流聚乙烯電纜（ XLPE 電纜）的應(yīng)用越來越廣泛，并逐步成為新建電力設(shè)施的首選設(shè)備。 6SF 絕緣電氣設(shè)備和 XLPE 電纜由于生產(chǎn)、安裝及長時間的運行過程中都可能造成絕緣缺陷并進而發(fā)生局部放電，本文所設(shè)計的超 聲局部放電檢測儀主要是針對這兩類設(shè)備的局放檢測而設(shè)計的。 雖然 6SF 絕緣電氣設(shè)備具有故障率低，免維護等優(yōu)點，但是這類設(shè)備一旦出現(xiàn)缺陷則不易查找，本文所設(shè)計的超聲局部放電檢測儀的功能之一是專門針對6SF 絕緣電氣設(shè)備的絕緣診斷和局放故障定位所設(shè)計。所設(shè)計的超聲局放檢測儀應(yīng)當能有效地尋找 6SF 絕緣電氣設(shè)備內(nèi)的自由顆粒缺陷和局部放電缺陷。 而高壓電纜中間接頭發(fā)生局部放電故障的概率 較高。對于運行中的高中壓電纜，如何幾十發(fā)現(xiàn)接頭中存在的局部放電，可以及時有效地避免事故發(fā)生。本文所設(shè)計的超聲局部放電檢測儀的功能之二是專門為電纜中間接頭盒終端頭局部放電的在線測量而設(shè)計的。所設(shè)計的儀器應(yīng)當可以在不停電的狀態(tài)下檢查電纜附件的運行狀態(tài)，適用于高中壓電纜中間接頭和終端的狀態(tài)診斷和放電故障的檢上海交通大學碩士論文 第三章 超聲局部放電檢測儀的系統(tǒng)方案設(shè)計 第 19 頁 測，使其適用于新施工的電纜附件的驗收試驗和運行中的電纜接頭的狀態(tài)檢測。 系統(tǒng)的功能特點 在總結(jié)了國內(nèi)外各種超聲局部放電測試儀的功能指標之后，并參考國際標準IEC60270，給出了本文設(shè)計超聲局部放電檢測儀的功能 特點如下所示。 (1) 便攜式，適用于單人移動測量； (2) 在線測量，可帶電檢測，使用方便； (3) 高檢測靈敏度，能檢測微弱放電信號，如 1pC（或 1mV）； (4) 噪聲抑制，能消除背景噪聲干擾，具有背景測量功能； (5) 數(shù)據(jù)存儲功能，能以記事本的形式保存診斷結(jié)果和檢測數(shù)據(jù)； (6) 觸摸屏顯示，采用 ，方便結(jié)果顯示； (7) 可外接計算機，計算機可通過 USB等方式與檢測儀互聯(lián)； (8) 具有專家診斷系統(tǒng)，對檢測到的故障進行報警，自動判斷故障類型并尋找故障源位置； (9) 一體化設(shè)計，采用鋰電池供電，內(nèi)置前置放大器，內(nèi)置可充電電路，無需外接電源； (10) 同步功能，具有光學同步、工頻同步和內(nèi)部模擬同步三種同步模式； (11) 具有多種測量方式，連續(xù)測量、脈沖測量、相位測量三種測量方式。 系統(tǒng)的性能指標 綜合考慮局放檢測需要和設(shè)計成本等多方面因素之后，確定了超聲局放檢測儀的性能指標 ，如表 31 所示。 表 31 系統(tǒng)的性能指標 指標 參數(shù) 通道數(shù)目 1~3 通道 檢測頻帶 20~300KHz，可任意設(shè)置帶寬與頻段 檢測靈敏度 （或 ） 采樣頻率 100KHz~10MHz 逐級可調(diào) AD 位數(shù) 12 采樣周期 2~12 個工頻周期 同步信號 工頻交 流同步、日光燈信號同步和內(nèi)部工頻信號發(fā)生器同步 上海交通大學碩士論文 第三章 超聲局部放電檢測儀的系統(tǒng)方案設(shè)計 第 20 頁 檢測方式 連續(xù)檢測、脈沖檢測、相位檢測 存儲介質(zhì) SD 卡 顯示界面 inch, 640x480, 帶觸摸屏 重量 ≦ 3Kg 信號輸出方式 揚聲器，檢波輸出 傳感器 美國 PAC 公司 AE 傳感器 濾波器上限頻率 50KHz， 100KHz， 150KHz， 200KHz， 300KHz 濾波器下限頻率 10KHz， 20KHz， 50KHz， 100KHz， 200KHz 放大器增益 1x, 3x, 10x, 30x, 100x, 300x, 1000x, 3000x， 系統(tǒng)默認是 100x 平滑濾波時間常數(shù) , 1us, 3us, 10us, 30us, 100us 包絡(luò)線發(fā)生器時間常數(shù) 1us, , 10us, 33us, 100us, 330us, 1ms, 輸入方式 簡單鍵盤，觸摸屏 電源 內(nèi)置鋰離子電池供電 ，帶充電電路 通訊方式 USB通訊和網(wǎng)絡(luò)通訊 工作時間 5～ 6小時 其他 1）有充電、充滿、欠電、報警等指示； 2）有液晶亮度 /對比度調(diào)節(jié)功能，有背光功能 3）有脈沖回波消除功能 系統(tǒng) 設(shè)計方案 系統(tǒng)總體 結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)以 ARM 作為主控制器， FPGA作為協(xié)控制器的形式構(gòu)建系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)。其中主控制器主要負責數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計、人機交互和通訊等。為了具有更好的穩(wěn)定性和可擴展性，采用 linux系統(tǒng) +QTE圖形庫的方式實現(xiàn)。協(xié)處理器主要負責具體的信號采集、存儲和信號處理 ，并且作為主控制器和信號調(diào)理部分等外電路的連接紐帶，負責主控制器控制命令的功能實現(xiàn)，是整個系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵。 系統(tǒng)的板級結(jié)構(gòu)如圖 31所示。整個系統(tǒng)主要由信號調(diào)理板、 FPGA 數(shù)據(jù)采集處理板和 ARM主控板三部分組成。 上海交通大學碩士論文 第三章 超聲局部放電檢測儀的系統(tǒng)方案設(shè)計 第 21 頁 A R M 傳 傳 傳A R M 傳 傳 傳 傳 傳F P G A 傳 傳傳 傳 傳 傳 傳F P G A 傳 傳傳 傳 傳 傳 傳F P G A 傳 傳傳 傳 傳 傳 傳G P M C傳 傳傳傳傳 傳傳 傳傳 傳G P M C傳 傳傳傳傳 傳傳 傳傳 傳G P M C傳 傳傳傳傳 傳傳 傳傳 傳傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳傳 傳 傳 傳 傳傳 傳 T F T L C DS D 傳傳 傳U S B傳 傳傳 傳S D A S C L傳 傳傳 傳S D A S C L傳 傳傳 傳S D A S C L傳 傳傳 傳 圖 31 系統(tǒng)板級結(jié)構(gòu)圖 Boardlevel structure of the system 各部分功能定義 在圖 31中，信號調(diào)理板主要接收傳感器端過來的局放信號，并對其進行濾波、放大及包絡(luò)檢波等處理，并將調(diào)理后的信號輸出給 FPGA數(shù)據(jù)采集處理板。FPGA數(shù)據(jù)采集處理板主要完成局放信號的采樣、處理、存儲，并通過 I2C接口控制信號調(diào)理參數(shù)，同時通過 ARM主控板 的 通用存儲器接口（ Generalpurpose memory controller, GPMC）接收 ARM主 控板的控制信號等； ARM主控板主要完成專家診斷系統(tǒng)的實現(xiàn)、電源、工頻同步、通道控制及人機交互等功能 。 方案中各部分的功能及相互間的交互信息如圖 32所示。 上海交通大學碩士論文 第三章 超聲局部放電檢測儀的系統(tǒng)方案設(shè)計 第 22 頁 傳 傳 傳 傳 傳F P G A 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳D D R S D R A M 傳 傳 傳 傳A R M 傳 傳 傳F I F O 傳 傳 傳 傳I 2 C 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 G P M C 傳 傳 傳 傳傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳傳 傳 傳 傳 傳 傳 F I R 傳 D S P 傳 傳傳 傳 傳 傳 傳 傳 G U I 傳 傳 傳 傳U S B 傳 傳 傳 傳 S D 傳 傳 傳 傳 傳傳 傳 傳 傳傳 傳 傳 傳 傳 傳傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳傳 傳 傳 傳 傳 傳傳 傳 傳 傳 傳 傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳傳 傳 傳 傳傳 傳 傳 傳 傳傳 傳 傳 傳 傳傳 傳 傳 傳傳 傳 傳 傳傳 傳 傳傳 傳 傳 傳傳 傳 傳 傳 傳 傳傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 傳 圖 32 系統(tǒng)各部分功能定義 本章小結(jié) 本章主要介紹了系統(tǒng)的功能定義，包括系統(tǒng)的應(yīng)用目標、功能特點和具體的性能指標。并根據(jù)功能定義給出了具體的實現(xiàn)方案：系統(tǒng)主要由三部分組成，即信號調(diào)理板、 FPGA 數(shù)據(jù)采集處理板和 ARM 主控板，其中信號調(diào)理板主要完成局放信號的濾波、放大及包絡(luò)檢波等模擬信號處理， FPGA數(shù)據(jù)采集處理板主要負責局放信號的采集、存儲、處理，并且作為 ARM主控板和信號調(diào)理板等外電路的連接紐帶，負責 ARM 主控板的控制命令的功能實現(xiàn)；而 ARM主控板主要完成專家診斷系統(tǒng)的實現(xiàn)、電源、工頻同步、通道控制及人機交互等功能。上海交通大學碩士論文 第四章 信號調(diào)理電路的設(shè)計 第 23 頁 第四章 信號調(diào)理電路的設(shè)計 從超聲傳感器上獲得的局放信號一般數(shù)值很小，且混合有數(shù)值可能高的多的工頻電壓或諧波分量。為了得到高信噪比的局部放電信號，必須對傳感器檢測到的信號進行調(diào)理，在實際應(yīng)用中，信號調(diào)理電路一般由前置放大器和主放大器組成， 且 兩級放大器中均有特定頻帶的濾波電路。 前置 放大器 前置放大器按章在傳感器附件， 可以在第一時間對檢測到的局部放電信號進行初級放大、濾波、保護等功能。 本系統(tǒng)所設(shè)計的前置放大器根據(jù)使用場合的不同具有兩種不同的實現(xiàn)形式： 近距離測量時， 傳感器直接接在檢測儀面板上，信號經(jīng)檢測儀內(nèi)部的前置放大器放大 100 倍。 遠距離 測量時 ，傳感器經(jīng)外置前置放大器后經(jīng) 通過 七芯電纜連 接到檢測儀上，檢測儀內(nèi)部的（ 100x）前置放大器旁路。 無論是遠距離測量還是近距離測量，都是要求前置放大器盡可能靠近超聲傳感器，使局放信號在進入主放大器前不至于衰減過于嚴重。 由于 前置 放大器 是整個系統(tǒng)的第一級輸入電路，所以必須設(shè)置必要的保護裝置，以免輸入信號過電壓或瞬態(tài)脈沖對電路造成損壞，引起元器件燒毀等后果。 前置放大器 的結(jié)構(gòu)框圖如圖 31 所示 ，圖中虛線框內(nèi)的部分僅在外置前置放大器中才使用，在檢測儀內(nèi)部的前置放大器中，濾波部分的輸出直接輸入到主放大器中。 。 系 統(tǒng) 保 護部 分放 大 部 分 濾 波 部 分差 分 轉(zhuǎn) 換部 分輸 出局 放 信 號 圖 31 前置信號調(diào)理電路結(jié)構(gòu)框圖 Block Diagram of PreSignal Processing Circuit 前置信號調(diào)理電路的前級保護和 放大部分電路結(jié)構(gòu)如圖 32 所示。 上海交通大學碩士論文 第四章 信號調(diào)理電路的設(shè)計 第 24 頁 前置 放大器 的輸入部分采用了易于插拔的 BNC 接頭， 連接超聲傳感器 。接下來的保護電路由貼片保護二極管 D1，瞬態(tài)抑制二極管 D2 以及氣體放電管 D3 組成。其中 D1 用于確保系統(tǒng)輸入信號的電壓范圍在安全范圍內(nèi)，如果設(shè)定 D1 的二極管管壓降為 ，則經(jīng) D1 限制后的輸入信號電壓范圍為~+；瞬態(tài)抑制二極管 D2 和氣體放電管 D3 可以抑制瞬態(tài)的過電壓脈沖，在出現(xiàn)高能量的大脈沖時，能夠 在極短的內(nèi)由原來的高阻抗狀態(tài)變?yōu)榈妥杩?，并把電壓箝制到特定的水平，從而有效的保護用戶的設(shè)備和元器件 不受損壞。 系統(tǒng)前級放大倍數(shù)定為 100 倍反相放大，放大器芯片采用美國 TI 公司的一款低噪聲運算放大器，它具有高增益和高共模抑制比，適用于精密交流放大電路設(shè)計。由于信號調(diào)理電路中前級電路的信號噪聲會經(jīng)過后面的電路逐級放大，因此 就要求 將輸入級噪聲做到最小， 該放大器芯片 的高精低噪的特點，則正好滿足了設(shè)計需求。 圖 32 前置信號調(diào)理電路的前級保護及放大部分 Protecting and Amplifying Block of the PreSignal Processing Circuit 輸 入信號經(jīng)前級放大后，接下來需要對其進行濾波處理，濾除電磁干擾信號和噪聲信號。前置信號調(diào)理電路的濾波環(huán)節(jié)采用的方式為高 通濾波環(huán)節(jié)與低通濾波環(huán)節(jié)串聯(lián)以實現(xiàn)帶通濾波效果。根據(jù) 前文所述 ，高通及低通濾波環(huán)節(jié)均采用了上海交通大學碩士論文 第四章 信號調(diào)理電路的設(shè)計 第 25 頁 有源濾波方案，濾波結(jié)構(gòu)選取四階巴特沃茲濾波器結(jié)構(gòu)，設(shè)計參數(shù)分別為高通10kHz，低通 300kHz。高通濾波環(huán)節(jié)與低通濾波環(huán)節(jié)的基本電路結(jié)構(gòu)如圖 33 和圖 34 所示。 圖 33 前置信號調(diào)理電路的高通濾波模塊 Filter Block of the PreSignal Processing Circuit 圖 34 前置信號調(diào)理電路的低通濾波模塊 Lowpass Filter Block of the PreSignal Processing Circuit 前置放大器輸出的信號需要接入后端主放大器對信號進行進一步處理。當用于遠距離測量時 為了使信號在傳輸?shù)倪^程中受干擾的程度最小，在前置信號調(diào)理電路和程控信號調(diào)理電路之間，系統(tǒng)采用七芯電纜線進