【正文】 圖 33 前置信號(hào)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(hào)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(hào)需要接入后端主放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理。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(xué)碩士論文 第四章 信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì) 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(jì)參數(shù)分別為高通10kHz，低通 300kHz。 圖 32 前置信號(hào)調(diào)理電路的前級(jí)保護(hù)及放大部分 Protecting and Amplifying Block of the PreSignal Processing Circuit 輸 入信號(hào)經(jīng)前級(jí)放大后，接下來需要對(duì)其進(jìn)行濾波處理，濾除電磁干擾信號(hào)和噪聲信號(hào)。 系統(tǒng)前級(jí)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(yùn)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(jì)。接下來的保護(hù)電路由貼片保護(hù)二極管 D1，瞬態(tài)抑制二極管 D2 以及氣體放電管 D3 組成。 系 統(tǒng) 保 護(hù)部 分放 大 部 分 濾 波 部 分差 分 轉(zhuǎn) 換部 分輸 出局 放 信 號(hào) 圖 31 前置信號(hào)調(diào)理電路結(jié)構(gòu)框圖 Block Diagram of PreSignal Processing Circuit 前置信號(hào)調(diào)理電路的前級(jí)保護(hù)和 放大部分電路結(jié)構(gòu)如圖 32 所示。 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(cè)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。 無論是遠(yuǎn)距離測(cè)量還是近距離測(cè)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(hào)在進(jìn)入主放大器前不至于衰減過于嚴(yán)重。 本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的前置放大器根據(jù)使用場(chǎng)合的不同具有兩種不同的實(shí)現(xiàn)形式： 近距離測(cè)量時(shí)， 傳感器直接接在檢測(cè)儀面板上，信號(hào)經(jīng)檢測(cè)儀內(nèi)部的前置放大器放大 100 倍。為了得到高信噪比的局部放電信號(hào)，必須對(duì)傳感器檢測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，在實(shí)際應(yīng)用中，信號(hào)調(diào)理電路一般由前置放大器和主放大器組成， 且 兩級(jí)放大器中均有特定頻帶的濾波電路。并根據(jù)功能定義給出了具體的實(shí)現(xiàn)方案：系統(tǒng)主要由三部分組成，即信號(hào)調(diào)理板、 FPGA 數(shù)據(jù)采集處理板和 ARM 主控板，其中信號(hào)調(diào)理板主要完成局放信號(hào)的濾波、放大及包絡(luò)檢波等模擬信號(hào)處理， FPGA數(shù)據(jù)采集處理板主要負(fù)責(zé)局放信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、處理，并且作為 ARM主控板和信號(hào)調(diào)理板等外電路的連接紐帶，負(fù)責(zé) ARM 主控板的控制命令的功能實(shí)現(xiàn)；而 ARM主控板主要完成專家診斷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)、電源、工頻同步、通道控制及人機(jī)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(xué)碩士論文 第三章 超聲局部放電檢測(cè)儀的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 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(jí)結(jié)構(gòu)圖 Boardlevel structure of the system 各部分功能定義 在圖 31中，信號(hào)調(diào)理板主要接收傳感器端過來的局放信號(hào)，并對(duì)其進(jìn)行濾波、放大及包絡(luò)檢波等處理，并將調(diào)理后的信號(hào)輸出給 FPGA數(shù)據(jù)采集處理板。 系統(tǒng)的板級(jí)結(jié)構(gòu)如圖 31所示。為了具有更好的穩(wěn)定性和可擴(kuò)展性，采用 linux系統(tǒng) +QTE圖形庫的方式實(shí)現(xiàn)。 表 31 系統(tǒng)的性能指標(biāo) 指標(biāo) 參數(shù) 通道數(shù)目 1~3 通道 檢測(cè)頻帶 20~300KHz，可任意設(shè)置帶寬與頻段 檢測(cè)靈敏度 （或 ） 采樣頻率 100KHz~10MHz 逐級(jí)可調(diào) AD 位數(shù) 12 采樣周期 2~12 個(gè)工頻周期 同步信號(hào) 工頻交 流同步、日光燈信號(hào)同步和內(nèi)部工頻信號(hào)發(fā)生器同步 上海交通大學(xué)碩士論文 第三章 超聲局部放電檢測(cè)儀的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 第 20 頁 檢測(cè)方式 連續(xù)檢測(cè)、脈沖檢測(cè)、相位檢測(cè) 存儲(chǔ)介質(zhì) SD 卡 顯示界面 inch, 640x480, 帶觸摸屏 重量 ≦ 3Kg 信號(hào)輸出方式 揚(yáng)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(rèn)是 100x 平滑濾波時(shí)間常數(shù) , 1us, 3us, 10us, 30us, 100us 包絡(luò)線發(fā)生器時(shí)間常數(shù) 1us, , 10us, 33us, 100us, 330us, 1ms, 輸入方式 簡(jiǎn)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(shí)間 5～ 6小時(shí) 其他 1）有充電、充滿、欠電、報(bào)警等指示； 2）有液晶亮度 /對(duì)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(jì)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)。 (1) 便攜式，適用于單人移動(dòng)測(cè)量； (2) 在線測(cè)量，可帶電檢測(cè)，使用方便； (3) 高檢測(cè)靈敏度，能檢測(cè)微弱放電信號(hào)，如 1pC（或 1mV）； (4) 噪聲抑制，能消除背景噪聲干擾，具有背景測(cè)量功能； (5) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，能以記事本的形式保存診斷結(jié)果和檢測(cè)數(shù)據(jù)； (6) 觸摸屏顯示，采用 ，方便結(jié)果顯示； (7) 可外接計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)可通過 USB等方式與檢測(cè)儀互聯(lián)； (8) 具有專家診斷系統(tǒng)，對(duì)檢測(cè)到的故障進(jìn)行報(bào)警，自動(dòng)判斷故障類型并尋找故障源位置； (9) 一體化設(shè)計(jì)，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(xué)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(cè)量方式，連續(xù)測(cè)量、脈沖測(cè)量、相位測(cè)量三種測(cè)量方式。所設(shè)計(jì)的儀器應(yīng)當(dāng)可以在不停電的狀態(tài)下檢查電纜附件的運(yùn)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(xué)碩士論文 第三章 超聲局部放電檢測(cè)儀的系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 第 19 頁 測(cè)，使其適用于新施工的電纜附件的驗(yàn)收試驗(yàn)和運(yùn)行中的電纜接頭的狀態(tài)檢測(cè)。對(duì)于運(yùn)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(shí)有效地避免事故發(fā)生。所設(shè)計(jì)的超聲局放檢測(cè)儀應(yīng)當(dāng)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。 6SF 絕緣電氣設(shè)備和 XLPE 電纜由于生產(chǎn)、安裝及長時(shí)間的運(yùn)行過程中都可能造成絕緣缺陷并進(jìn)而發(fā)生局部放電，本文所設(shè)計(jì)的超 聲局部放電檢測(cè)儀主要是針對(duì)這兩類設(shè)備的局放檢測(cè)而設(shè)計(jì)的。 本系統(tǒng)具有體積小、重量輕、檢測(cè)靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng) 、操作簡(jiǎn)易等優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于 GIS 開關(guān) 、電纜中間接頭 等設(shè)備的局部放電檢測(cè)。使整個(gè)局部放電檢測(cè)過程快速、簡(jiǎn)便。本章的內(nèi)容構(gòu)成超聲局放檢測(cè)的基礎(chǔ) 。 上海交通大學(xué)碩士論文 第二章 超聲局放信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理和傳播特性 第 16 頁 a） b) 圖 25 相速度和波群速度與頻率的關(guān)系 圖中 : S0、 S S2—— 剪力波 。 此外，兩種媒介的聲阻抗是非常不同的，能夠穿過兩種媒介的很少。對(duì)于最重要的平面波而言，最低頻率成份以最傾斜角度入射到管壁，而高頻成份則以稍小的角度 ? 入射。 當(dāng)研究平板 中 的 局部放電 時(shí) ,搞清聲波在 SF6氣 體和殼體之間界面的傳播情況 是非常重要的 。 上海交通大學(xué)碩士論文 第二章 超聲局放信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理和傳播特性 第 15 頁 na :n階非對(duì)稱波 nb :n階對(duì)稱波 圖 24 平板內(nèi)的波形 Wave modes in plates 相速度 phC 決定波長 ? ,可用以下公式描述 : /phCf?? （ 226） 其中 f為頻率 。相速度和波群速度隨頻率變化的關(guān)系見圖 25所示。在管壁內(nèi)存在零次和一次兩種基本波 [30]，如 圖 24所示。一般情況下 ,每種形式都有其自己的相速度和波群速度 ,相速度和群速度都由頻率決定。大量的附加波摻雜在其中。它們的頻率可認(rèn)為是相互獨(dú)立的頻率 ,在氣體中只有壓力波存在 ,聲速在一個(gè)大氣壓 SF6氣體中的傳播速度為 156m/s[30]。所以 ,對(duì)于傳播中的聲波形狀特征要根據(jù)當(dāng)時(shí)的 GIS結(jié)構(gòu)特征而定 ,尤其用超聲定位 ,就更應(yīng)考慮聲的傳播路徑。另一方面 ,放電產(chǎn)生的聲信號(hào) ,同樣也是上海交通大學(xué)碩士論文 第二章 超聲局放信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理和傳播特性 第 14 頁 在到達(dá)傳感器之前通過 SF6氣體和金屬殼體。從圖中可以看到 ,對(duì)于兩個(gè)聲源的傳播路徑有很大的區(qū)別 [28]。這一聲信號(hào)有很寬的頻帶 ,且可達(dá)幾百千赫。以上關(guān)系在一個(gè)波長內(nèi)是無效的 [31]。對(duì)于柱形聲波強(qiáng)的衰減正比于距離。若聲能為 100dBm，在 40kHz 時(shí) SF6 吸收為 26dBm[30]。吸收是聲波在氣體介質(zhì)的損耗，而在金屬中的損耗較小 ,可在較短距離內(nèi)忽略不計(jì)。在氣體和液體中，波的擴(kuò)散是衰減的主要原因；在固體中衰減的主要原因是分子的撞擊，把聲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。?dāng)聲波在均勻且無限的介質(zhì)中傳播時(shí)，聲波的衰減與距發(fā)射源的距離的增加而減小。不同聲波的傳播速度也不相同，縱波比橫波要快約 1 倍，而表面波的速度大約是橫波的 90%。在礦物油中聲波傳播速度是隨溫度的升高而下降。表 22 列出了20 C? 時(shí)縱波在幾種不同媒質(zhì)中傳播的速度（ /ms）。 聲波的傳播速度 用聲測(cè)法測(cè)量局部放電的位置時(shí)，必須知道聲波傳播的速度。 超聲 局放 信號(hào)的傳播特性 電力設(shè)備中的局部放電，通常是發(fā)生在設(shè)備的內(nèi)部，而用于測(cè)量聲波的接收器一般都只能安裝在設(shè)備的外殼上，于是聲波要從放電源傳播到測(cè)量點(diǎn)才能被檢測(cè)到。則設(shè)氣泡上真實(shí)放電量為 q， 氣泡的擊穿電場(chǎng)為 E， 則力順 Cm 的初始值 U0 即等于擊穿前施加在氣泡上的電場(chǎng)力。 等效電路中的電壓 uc表示氣泡壁的的對(duì)外作用力 ,其值乘上氣泡的表面積即超聲波的 聲壓。其中氣泡的質(zhì)量 Mm等于氣泡的體積乘以氣泡的密度，力順 Cm、力阻 Rm與氣泡中的氣體成分有關(guān) [27]。從物理上看質(zhì)量 Mm、力順 Cm,、力阻 Rm 三個(gè)元件的速度都相同，因此其在阻抗型類比線路圖中應(yīng)當(dāng)是串聯(lián)的。當(dāng)發(fā)生局部放電時(shí)刻，氣泡所受的外在電場(chǎng)力突然消失，氣泡平衡狀態(tài)被打破，氣泡在彈性力的作用下，產(chǎn) 生振動(dòng)。 表 21 電 力 聲類比表 電學(xué) 力學(xué) 聲學(xué) 電壓 力 聲壓 上海交通大學(xué)碩士論文 第二章 超聲局放信號(hào)的產(chǎn)生機(jī)理和傳播特性 第 11 頁 電流 速度 體速度 電感 質(zhì)量 聲質(zhì)量 電容 力順 聲容 電阻 力阻 聲阻 局部放電產(chǎn)生超聲波機(jī)理 設(shè) GIS絕緣介質(zhì)中含有一半徑為 r的氣泡 q， 氣泡的質(zhì)量為 Mm，氣泡處于一定的電場(chǎng)中，由于局部放 電的原因，氣泡攜帶一定的電荷，因此氣泡收到一定的外加的電場(chǎng)力 Fe，氣泡內(nèi)部將有一定的彈性作用力 Fq，氣泡維持平衡狀態(tài)如圖 21a所示。同樣的道理，在聲學(xué)系統(tǒng)中，也存在類似的聲質(zhì)量、聲容以及聲阻。則稱 Cm 為該系統(tǒng)的力順。 質(zhì)量 Mm：一種描述問題慣性的量度，對(duì)于一個(gè)物體來講，由牛頓第二定律可知： m dvFMdt? （ 21） 其中 F 為作用在物體上的力， v 為物體的運(yùn)動(dòng)速度，