地铁电缆放电信号采集系统的设计摘 要 牵引变电站直流1500V馈出电缆是地铁供电的重要部件。局部放电或火花放电是造成该电缆绝缘老化的主要原因。在分析地铁直流电缆放电信号特征的基础上,筒述了所设计的放电检测传感器的特性,设计了对多根地铁直流电缆放电信号采集的系统,并巳付之实施。关键词 地铁,电缆放电,数据采集系统 牵引变电站直流1500V馈出电缆是地铁供电的重要部件。上海轨道交通1号线自投入运营以来,已发生多起因直流电缆故障造成地铁牵引供电系统的停电。当前国内外对交流电缆的在线监测方法都做了很多研究,如直流分量法、直流叠加法、局部放电检测法以及接地电流法和低频分量法等[1],但在直流电缆方面的研究还相对较少。传统的采用摇表离线检测的方法存在很大不足,属于“安慰性”试验。虽然由于绝缘材料在交流和直流情况下表现出的特征不一致,但将交流电缆的在线监测方法用在直流电缆的在线监测上,理论上仍然是可行的,故被本设计采用。 电缆局部放电是造成绝缘老化的主要原因,也是绝缘劣化的重要征兆和表现形式[2],与绝缘材料的劣化击穿过程密切相关,能够有效地反映直流电缆绝缘的故障。由于地铁牵引变电站所使用的电缆无铠装、直埋,故将检测地铁电缆放电信号作为一个主要的研究方法。 牵引变电站直流1500V馈出电缆一般是5根电缆为一组并联运行,给地铁机车供电。理论上讲,并联在一起的5根电缆中有1根发生放电,其它电缆上也会有相应的放电信号出现。对5根电缆的同步信号采集除可以确认信号的真实性外,另外还可以通过差分等方法来消除环境噪声,提高信噪比。一般—个牵引变电站有4组电缆,因此,采集系统设计成能对最多20个通道放电信号实现同步采集。1 地铁电缆放电信号采集系统的设计1.1 地铁直流电缆放电信号的特征 图1所示为实验室观测得到的直流电缆放电信号波形。该信号在输入到示波器之前进行了25倍的放大。由图可知,放电信号的频谱在4MHz左右,电压幅值大概为±20mV。
1.2 放电检测传感器的特性 为缩小传感器尺寸,放电检测传感器以高磁导率的超微晶磁性材料作为磁芯,在圆形磁心上均匀绕制高强度漆包线,构成典型的罗戈夫斯基线圈型电流传感器。传感器的内径大小设计成与地铁电缆外护套尺寸相当,保证很好的磁耦合;传感器线圈是套在电缆外护套上的,因此测量装置与1500V直流电在电气上是绝缘的,为非接触式测量。超微晶磁性材料具有高磁导率、低损耗、矫顽力小、高饱和磁感应、高稳定性等特点;由此设计的传感器具有高带宽、带内幅值增益平坦等特性,能有效地检测出电缆火花放电产生的微弱高频信号。 传感器线圈的输出信号幅值在20mV以内,必须进行前置放大再传输。放电检测传感器对频率为1~9MHz之间的信号具有良好的传输特性。但从现场运行数据分析,现场存在较强的、频率在0.6~1.5MHz之间的周期性窄带干扰,必须在传感器信号放大之前将其滤除,否则会导致信号饱和。放电信号频率在4MHz左右(见图2),因此,前置放大滤波器的设计目标为中心频率4MHz,频带宽度4MHz,即通频带为2~6MHz,放大倍数设计为64倍。 综合考虑前置放大器放大倍数和滤波的要求将放大器设计为三级,即放大———滤波———放大其中第一、第二级放大器的放大倍数都为8倍,这样两级放大器可以使用相同的运算放大器AD8042AD8042为带宽160MHz的满电源输入、输出运算放大器。滤波器为四阶巴特沃斯型高通滤波器。 为进一步减小环境噪声和其它干扰对传感器信号的影响,将传感器线圈和前置放大滤波器封装在同一个金属屏蔽盒内(为表述方便,称其为放电检测传感器),通过屏蔽电缆实现传感器、放大器的供电和信号传输。图2为实测的放电检测传感器的频幅特性。1.3 地铁电缆放电信号采集系统总体设计 图3所示为地铁电缆放电信号采集系统的总体结构原理,多达20路放电检测传感器信号通过屏蔽电缆引入到多通道同步数据采集模块,实现同步高速数字量化。通信接口模块用于将数据采集模块与监测中心计算机连接起来,上传采样数据和获取采样参数设定。1.4 多通道同步数据采集模块的设计 最多20通道的放电信号经过等长的5m电缆并行送人多通道同步高速数据采集板,在采集板内实现同步模/数转换。采集板由并行的20个通道构成,每个通道包括输入程控放大器、抗混叠滤波器、模/数转换器(A/D)和存储器(SRAM)。程控放大器的放大倍数可由软件设置为1、2、4和8倍;抗混叠滤波器为四阶巴特沃斯型低通滤波器,其截止频率设定在7.5MHz;模/数转换芯片采用AD公司的12bit、最高转换速率为25MS/s的AD9225;存储芯片为高速SRAM,存储容量为4M×16,即在采样率为20MHz时最多可以实现20ms的连续采样。 如图4所示,用一片CPLD(复杂可编程逻辑控制器件)来同时控制20个通道的A/D)和存储器,即实现A/D到SRAM之间的直接数据存储(DMA模式)。AD9225的控制极为简单,只需用CPLD向其输入采样时钟,并使能数据输出;CPLD同时产生SRAM的地址和写信号,采样数据即从AD9225存人SRAM。 实际应用中除使用定时方式采集电缆放电信号外,为减小数据量,可能会采用信号触发的方式,即20个通道中有一路模拟信号的幅值超过设定阀值便自动开始采样,直到设定的采样长度信号触发的基本原理是将20路信号分别与阀值比较的结果相“或”,然后用作采样的触发。 数据采集板的另一个功能是预采样,即将信号触发前一段时间的波形也记录下来,这样可得到放电信号的完整波形,便于对数据进行分析研究。在预采样模式下,A/D一直以设定的采样率运行,在CPLD控制下,数据循环存入SRAM,即SRAM被A/D采样数据循环写入,直到有一个触发条件出现。当触发条件出现后,CPLD控制A/D继续采样“采样长度—预采样长度”个样点,CPLD记忆触发时刻输出给SRAM的地址值,通过读出此地址值,向前预采样长度个样点即为本次采样数据的起始位置。 要保证20个通道数据采集的完全同步,除了使用同一个CPLD逻辑来控制所有20路A/D同时工作外,还需要使用同样材料的输人信号线且线长相同,要求精确调整放大器和滤波器的参数以达到几乎相同的信号延迟,重要的是所有传感器要有很好的一致性。为防止通道之间的信号串扰,设计中主要采取印制电路板物理隔离、大面积接地屏蔽和使用屏蔽电缆作为输入信号线等。2 采集系统测试 通过对系统输入确知信号(如正弦波信号),以及对采集信号的时域和频域分析,可以评估数据采集系统的性能,如系统增益、通频带和信噪比等。对本系统的测试包含了前端的放电检测传感器,测试时将信号源接1kΩ电阻,从放电检测传感器的线圈中穿过。图5和图6分别为信号源频率为4MHz时其中一个信号采集通道所测得的时域波形及其频域变换波形。3 结语 根据上海地铁牵引变电站直流1500V馈出电缆的特点和安装方式等,设计了用于检测火花放电信号的高频传感器、放大器、滤波器和多通道同步数据采集板,实现了对多达20根运行电缆的在线监测,已于2005年在上海轨道交通1号线付之实施。本文所实现的同步信号检测系统具有较高的灵敏度和多通道同步性能,可以应用于其它需要进行多通道甚至多通道同步信号提取的场合。参考文献[1] 严蟑.电气绝缘在线检测技术[M].北京:水利电力出版社,2002.[2] 杨莉.高压直流设备中局部放电的识别[J].高压电器,1998,34(3):48.
1.2 放电检测传感器的特性 为缩小传感器尺寸,放电检测传感器以高磁导率的超微晶磁性材料作为磁芯,在圆形磁心上均匀绕制高强度漆包线,构成典型的罗戈夫斯基线圈型电流传感器。传感器的内径大小设计成与地铁电缆外护套尺寸相当,保证很好的磁耦合;传感器线圈是套在电缆外护套上的,因此测量装置与1500V直流电在电气上是绝缘的,为非接触式测量。超微晶磁性材料具有高磁导率、低损耗、矫顽力小、高饱和磁感应、高稳定性等特点;由此设计的传感器具有高带宽、带内幅值增益平坦等特性,能有效地检测出电缆火花放电产生的微弱高频信号。 传感器线圈的输出信号幅值在20mV以内,必须进行前置放大再传输。放电检测传感器对频率为1~9MHz之间的信号具有良好的传输特性。但从现场运行数据分析,现场存在较强的、频率在0.6~1.5MHz之间的周期性窄带干扰,必须在传感器信号放大之前将其滤除,否则会导致信号饱和。放电信号频率在4MHz左右(见图2),因此,前置放大滤波器的设计目标为中心频率4MHz,频带宽度4MHz,即通频带为2~6MHz,放大倍数设计为64倍。 综合考虑前置放大器放大倍数和滤波的要求将放大器设计为三级,即放大———滤波———放大其中第一、第二级放大器的放大倍数都为8倍,这样两级放大器可以使用相同的运算放大器AD8042AD8042为带宽160MHz的满电源输入、输出运算放大器。滤波器为四阶巴特沃斯型高通滤波器。 为进一步减小环境噪声和其它干扰对传感器信号的影响,将传感器线圈和前置放大滤波器封装在同一个金属屏蔽盒内(为表述方便,称其为放电检测传感器),通过屏蔽电缆实现传感器、放大器的供电和信号传输。图2为实测的放电检测传感器的频幅特性。1.3 地铁电缆放电信号采集系统总体设计 图3所示为地铁电缆放电信号采集系统的总体结构原理,多达20路放电检测传感器信号通过屏蔽电缆引入到多通道同步数据采集模块,实现同步高速数字量化。通信接口模块用于将数据采集模块与监测中心计算机连接起来,上传采样数据和获取采样参数设定。1.4 多通道同步数据采集模块的设计 最多20通道的放电信号经过等长的5m电缆并行送人多通道同步高速数据采集板,在采集板内实现同步模/数转换。采集板由并行的20个通道构成,每个通道包括输入程控放大器、抗混叠滤波器、模/数转换器(A/D)和存储器(SRAM)。程控放大器的放大倍数可由软件设置为1、2、4和8倍;抗混叠滤波器为四阶巴特沃斯型低通滤波器,其截止频率设定在7.5MHz;模/数转换芯片采用AD公司的12bit、最高转换速率为25MS/s的AD9225;存储芯片为高速SRAM,存储容量为4M×16,即在采样率为20MHz时最多可以实现20ms的连续采样。 如图4所示,用一片CPLD(复杂可编程逻辑控制器件)来同时控制20个通道的A/D)和存储器,即实现A/D到SRAM之间的直接数据存储(DMA模式)。AD9225的控制极为简单,只需用CPLD向其输入采样时钟,并使能数据输出;CPLD同时产生SRAM的地址和写信号,采样数据即从AD9225存人SRAM。 实际应用中除使用定时方式采集电缆放电信号外,为减小数据量,可能会采用信号触发的方式,即20个通道中有一路模拟信号的幅值超过设定阀值便自动开始采样,直到设定的采样长度信号触发的基本原理是将20路信号分别与阀值比较的结果相“或”,然后用作采样的触发。 数据采集板的另一个功能是预采样,即将信号触发前一段时间的波形也记录下来,这样可得到放电信号的完整波形,便于对数据进行分析研究。在预采样模式下,A/D一直以设定的采样率运行,在CPLD控制下,数据循环存入SRAM,即SRAM被A/D采样数据循环写入,直到有一个触发条件出现。当触发条件出现后,CPLD控制A/D继续采样“采样长度—预采样长度”个样点,CPLD记忆触发时刻输出给SRAM的地址值,通过读出此地址值,向前预采样长度个样点即为本次采样数据的起始位置。 要保证20个通道数据采集的完全同步,除了使用同一个CPLD逻辑来控制所有20路A/D同时工作外,还需要使用同样材料的输人信号线且线长相同,要求精确调整放大器和滤波器的参数以达到几乎相同的信号延迟,重要的是所有传感器要有很好的一致性。为防止通道之间的信号串扰,设计中主要采取印制电路板物理隔离、大面积接地屏蔽和使用屏蔽电缆作为输入信号线等。2 采集系统测试 通过对系统输入确知信号(如正弦波信号),以及对采集信号的时域和频域分析,可以评估数据采集系统的性能,如系统增益、通频带和信噪比等。对本系统的测试包含了前端的放电检测传感器,测试时将信号源接1kΩ电阻,从放电检测传感器的线圈中穿过。图5和图6分别为信号源频率为4MHz时其中一个信号采集通道所测得的时域波形及其频域变换波形。3 结语 根据上海地铁牵引变电站直流1500V馈出电缆的特点和安装方式等,设计了用于检测火花放电信号的高频传感器、放大器、滤波器和多通道同步数据采集板,实现了对多达20根运行电缆的在线监测,已于2005年在上海轨道交通1号线付之实施。本文所实现的同步信号检测系统具有较高的灵敏度和多通道同步性能,可以应用于其它需要进行多通道甚至多通道同步信号提取的场合。参考文献[1] 严蟑.电气绝缘在线检测技术[M].北京:水利电力出版社,2002.[2] 杨莉.高压直流设备中局部放电的识别[J].高压电器,1998,34(3):48.
