地鐵電纜放電信號采集系統的設計摘 要 牽引變電站直流1500V饋出電纜是地鐵供電的重要部件。局部放電或火花放電是造成該電纜絕緣老化的主要原因。在分析地鐵直流電纜放電信號特征的基礎上,筒述了所設計的放電檢測傳感器的特性,設計了對多根地鐵直流電纜放電信號采集的系統,并巳付之實施。關鍵詞 地鐵,電纜放電,數據采集系統 牽引變電站直流1500V饋出電纜是地鐵供電的重要部件。上海軌道交通1號線自投入運營以來,已發生多起因直流電纜故障造成地鐵牽引供電系統的停電。當前國內外對交流電纜的在線監測方法都做了很多研究,如直流分量法、直流疊加法、局部放電檢測法以及接地電流法和低頻分量法等[1],但在直流電纜方面的研究還相對較少。傳統的采用搖表離線檢測的方法存在很大不足,屬于“安慰性”試驗。雖然由于絕緣材料在交流和直流情況下表現出的特征不一致,但將交流電纜的在線監測方法用在直流電纜的在線監測上,理論上仍然是可行的,故被本設計采用。 電纜局部放電是造成絕緣老化的主要原因,也是絕緣劣化的重要征兆和表現形式[2],與絕緣材料的劣化擊穿過程密切相關,能夠有效地反映直流電纜絕緣的故障。由于地鐵牽引變電站所使用的電纜無鎧裝、直埋,故將檢測地鐵電纜放電信號作為一個主要的研究方法。 牽引變電站直流1500V饋出電纜一般是5根電纜為一組并聯運行,給地鐵機車供電。理論上講,并聯在一起的5根電纜中有1根發生放電,其它電纜上也會有相應的放電信號出現。對5根電纜的同步信號采集除可以確認信號的真實性外,另外還可以通過差分等方法來消除環境噪聲,提高信噪比。一般—個牽引變電站有4組電纜,因此,采集系統設計成能對最多20個通道放電信號實現同步采集。1 地鐵電纜放電信號采集系統的設計1.1 地鐵直流電纜放電信號的特征 圖1所示為實驗室觀測得到的直流電纜放電信號波形。該信號在輸入到示波器之前進行了25倍的放大。由圖可知,放電信號的頻譜在4MHz左右,電壓幅值大概為±20mV。
1.2 放電檢測傳感器的特性 為縮小傳感器尺寸,放電檢測傳感器以高磁導率的超微晶磁性材料作為磁芯,在圓形磁心上均勻繞制高強度漆包線,構成典型的羅戈夫斯基線圈型電流傳感器。傳感器的內徑大小設計成與地鐵電纜外護套尺寸相當,保證很好的磁耦合;傳感器線圈是套在電纜外護套上的,因此測量裝置與1500V直流電在電氣上是絕緣的,為非接觸式測量。超微晶磁性材料具有高磁導率、低損耗、矯頑力小、高飽和磁感應、高穩定性等特點;由此設計的傳感器具有高帶寬、帶內幅值增益平坦等特性,能有效地檢測出電纜火花放電產生的微弱高頻信號。 傳感器線圈的輸出信號幅值在20mV以內,必須進行前置放大再傳輸。放電檢測傳感器對頻率為1~9MHz之間的信號具有良好的傳輸特性。但從現場運行數據分析,現場存在較強的、頻率在0.6~1.5MHz之間的周期性窄帶干擾,必須在傳感器信號放大之前將其濾除,否則會導致信號飽和。放電信號頻率在4MHz左右(見圖2),因此,前置放大濾波器的設計目標為中心頻率4MHz,頻帶寬度4MHz,即通頻帶為2~6MHz,放大倍數設計為64倍。 綜合考慮前置放大器放大倍數和濾波的要求將放大器設計為三級,即放大———濾波———放大其中第一、第二級放大器的放大倍數都為8倍,這樣兩級放大器可以使用相同的運算放大器AD8042AD8042為帶寬160MHz的滿電源輸入、輸出運算放大器。濾波器為四階巴特沃斯型高通濾波器。 為進一步減小環境噪聲和其它干擾對傳感器信號的影響,將傳感器線圈和前置放大濾波器封裝在同一個金屬屏蔽盒內(為表述方便,稱其為放電檢測傳感器),通過屏蔽電纜實現傳感器、放大器的供電和信號傳輸。圖2為實測的放電檢測傳感器的頻幅特性。1.3 地鐵電纜放電信號采集系統總體設計 圖3所示為地鐵電纜放電信號采集系統的總體結構原理,多達20路放電檢測傳感器信號通過屏蔽電纜引入到多通道同步數據采集模塊,實現同步高速數字量化。通信接口模塊用于將數據采集模塊與監測中心計算機連接起來,上傳采樣數據和獲取采樣參數設定。1.4 多通道同步數據采集模塊的設計 最多20通道的放電信號經過等長的5m電纜并行送人多通道同步高速數據采集板,在采集板內實現同步模/數轉換。采集板由并行的20個通道構成,每個通道包括輸入程控放大器、抗混疊濾波器、模/數轉換器(A/D)和存儲器(SRAM)。程控放大器的放大倍數可由軟件設置為1、2、4和8倍;抗混疊濾波器為四階巴特沃斯型低通濾波器,其截止頻率設定在7.5MHz;模/數轉換芯片采用AD公司的12bit、最高轉換速率為25MS/s的AD9225;存儲芯片為高速SRAM,存儲容量為4M×16,即在采樣率為20MHz時最多可以實現20ms的連續采樣。 如圖4所示,用一片CPLD(復雜可編程邏輯控制器件)來同時控制20個通道的A/D)和存儲器,即實現A/D到SRAM之間的直接數據存儲(DMA模式)。AD9225的控制極為簡單,只需用CPLD向其輸入采樣時鐘,并使能數據輸出;CPLD同時產生SRAM的地址和寫信號,采樣數據即從AD9225存人SRAM。 實際應用中除使用定時方式采集電纜放電信號外,為減小數據量,可能會采用信號觸發的方式,即20個通道中有一路模擬信號的幅值超過設定閥值便自動開始采樣,直到設定的采樣長度信號觸發的基本原理是將20路信號分別與閥值比較的結果相“或”,然后用作采樣的觸發。 數據采集板的另一個功能是預采樣,即將信號觸發前一段時間的波形也記錄下來,這樣可得到放電信號的完整波形,便于對數據進行分析研究。在預采樣模式下,A/D一直以設定的采樣率運行,在CPLD控制下,數據循環存入SRAM,即SRAM被A/D采樣數據循環寫入,直到有一個觸發條件出現。當觸發條件出現后,CPLD控制A/D繼續采樣“采樣長度—預采樣長度”個樣點,CPLD記憶觸發時刻輸出給SRAM的地址值,通過讀出此地址值,向前預采樣長度個樣點即為本次采樣數據的起始位置。 要保證20個通道數據采集的完全同步,除了使用同一個CPLD邏輯來控制所有20路A/D同時工作外,還需要使用同樣材料的輸人信號線且線長相同,要求精確調整放大器和濾波器的參數以達到幾乎相同的信號延遲,重要的是所有傳感器要有很好的一致性。為防止通道之間的信號串擾,設計中主要采取印制電路板物理隔離、大面積接地屏蔽和使用屏蔽電纜作為輸入信號線等。2 采集系統測試 通過對系統輸入確知信號(如正弦波信號),以及對采集信號的時域和頻域分析,可以評估數據采集系統的性能,如系統增益、通頻帶和信噪比等。對本系統的測試包含了前端的放電檢測傳感器,測試時將信號源接1kΩ電阻,從放電檢測傳感器的線圈中穿過。圖5和圖6分別為信號源頻率為4MHz時其中一個信號采集通道所測得的時域波形及其頻域變換波形。3 結語 根據上海地鐵牽引變電站直流1500V饋出電纜的特點和安裝方式等,設計了用于檢測火花放電信號的高頻傳感器、放大器、濾波器和多通道同步數據采集板,實現了對多達20根運行電纜的在線監測,已于2005年在上海軌道交通1號線付之實施。本文所實現的同步信號檢測系統具有較高的靈敏度和多通道同步性能,可以應用于其它需要進行多通道甚至多通道同步信號提取的場合。參考文獻[1] 嚴蟑.電氣絕緣在線檢測技術[M].北京:水利電力出版社,2002.[2] 楊莉.高壓直流設備中局部放電的識別[J].高壓電器,1998,34(3):48.
1.2 放電檢測傳感器的特性 為縮小傳感器尺寸,放電檢測傳感器以高磁導率的超微晶磁性材料作為磁芯,在圓形磁心上均勻繞制高強度漆包線,構成典型的羅戈夫斯基線圈型電流傳感器。傳感器的內徑大小設計成與地鐵電纜外護套尺寸相當,保證很好的磁耦合;傳感器線圈是套在電纜外護套上的,因此測量裝置與1500V直流電在電氣上是絕緣的,為非接觸式測量。超微晶磁性材料具有高磁導率、低損耗、矯頑力小、高飽和磁感應、高穩定性等特點;由此設計的傳感器具有高帶寬、帶內幅值增益平坦等特性,能有效地檢測出電纜火花放電產生的微弱高頻信號。 傳感器線圈的輸出信號幅值在20mV以內,必須進行前置放大再傳輸。放電檢測傳感器對頻率為1~9MHz之間的信號具有良好的傳輸特性。但從現場運行數據分析,現場存在較強的、頻率在0.6~1.5MHz之間的周期性窄帶干擾,必須在傳感器信號放大之前將其濾除,否則會導致信號飽和。放電信號頻率在4MHz左右(見圖2),因此,前置放大濾波器的設計目標為中心頻率4MHz,頻帶寬度4MHz,即通頻帶為2~6MHz,放大倍數設計為64倍。 綜合考慮前置放大器放大倍數和濾波的要求將放大器設計為三級,即放大———濾波———放大其中第一、第二級放大器的放大倍數都為8倍,這樣兩級放大器可以使用相同的運算放大器AD8042AD8042為帶寬160MHz的滿電源輸入、輸出運算放大器。濾波器為四階巴特沃斯型高通濾波器。 為進一步減小環境噪聲和其它干擾對傳感器信號的影響,將傳感器線圈和前置放大濾波器封裝在同一個金屬屏蔽盒內(為表述方便,稱其為放電檢測傳感器),通過屏蔽電纜實現傳感器、放大器的供電和信號傳輸。圖2為實測的放電檢測傳感器的頻幅特性。1.3 地鐵電纜放電信號采集系統總體設計 圖3所示為地鐵電纜放電信號采集系統的總體結構原理,多達20路放電檢測傳感器信號通過屏蔽電纜引入到多通道同步數據采集模塊,實現同步高速數字量化。通信接口模塊用于將數據采集模塊與監測中心計算機連接起來,上傳采樣數據和獲取采樣參數設定。1.4 多通道同步數據采集模塊的設計 最多20通道的放電信號經過等長的5m電纜并行送人多通道同步高速數據采集板,在采集板內實現同步模/數轉換。采集板由并行的20個通道構成,每個通道包括輸入程控放大器、抗混疊濾波器、模/數轉換器(A/D)和存儲器(SRAM)。程控放大器的放大倍數可由軟件設置為1、2、4和8倍;抗混疊濾波器為四階巴特沃斯型低通濾波器,其截止頻率設定在7.5MHz;模/數轉換芯片采用AD公司的12bit、最高轉換速率為25MS/s的AD9225;存儲芯片為高速SRAM,存儲容量為4M×16,即在采樣率為20MHz時最多可以實現20ms的連續采樣。 如圖4所示,用一片CPLD(復雜可編程邏輯控制器件)來同時控制20個通道的A/D)和存儲器,即實現A/D到SRAM之間的直接數據存儲(DMA模式)。AD9225的控制極為簡單,只需用CPLD向其輸入采樣時鐘,并使能數據輸出;CPLD同時產生SRAM的地址和寫信號,采樣數據即從AD9225存人SRAM。 實際應用中除使用定時方式采集電纜放電信號外,為減小數據量,可能會采用信號觸發的方式,即20個通道中有一路模擬信號的幅值超過設定閥值便自動開始采樣,直到設定的采樣長度信號觸發的基本原理是將20路信號分別與閥值比較的結果相“或”,然后用作采樣的觸發。 數據采集板的另一個功能是預采樣,即將信號觸發前一段時間的波形也記錄下來,這樣可得到放電信號的完整波形,便于對數據進行分析研究。在預采樣模式下,A/D一直以設定的采樣率運行,在CPLD控制下,數據循環存入SRAM,即SRAM被A/D采樣數據循環寫入,直到有一個觸發條件出現。當觸發條件出現后,CPLD控制A/D繼續采樣“采樣長度—預采樣長度”個樣點,CPLD記憶觸發時刻輸出給SRAM的地址值,通過讀出此地址值,向前預采樣長度個樣點即為本次采樣數據的起始位置。 要保證20個通道數據采集的完全同步,除了使用同一個CPLD邏輯來控制所有20路A/D同時工作外,還需要使用同樣材料的輸人信號線且線長相同,要求精確調整放大器和濾波器的參數以達到幾乎相同的信號延遲,重要的是所有傳感器要有很好的一致性。為防止通道之間的信號串擾,設計中主要采取印制電路板物理隔離、大面積接地屏蔽和使用屏蔽電纜作為輸入信號線等。2 采集系統測試 通過對系統輸入確知信號(如正弦波信號),以及對采集信號的時域和頻域分析,可以評估數據采集系統的性能,如系統增益、通頻帶和信噪比等。對本系統的測試包含了前端的放電檢測傳感器,測試時將信號源接1kΩ電阻,從放電檢測傳感器的線圈中穿過。圖5和圖6分別為信號源頻率為4MHz時其中一個信號采集通道所測得的時域波形及其頻域變換波形。3 結語 根據上海地鐵牽引變電站直流1500V饋出電纜的特點和安裝方式等,設計了用于檢測火花放電信號的高頻傳感器、放大器、濾波器和多通道同步數據采集板,實現了對多達20根運行電纜的在線監測,已于2005年在上海軌道交通1號線付之實施。本文所實現的同步信號檢測系統具有較高的靈敏度和多通道同步性能,可以應用于其它需要進行多通道甚至多通道同步信號提取的場合。參考文獻[1] 嚴蟑.電氣絕緣在線檢測技術[M].北京:水利電力出版社,2002.[2] 楊莉.高壓直流設備中局部放電的識別[J].高壓電器,1998,34(3):48.
