一种高压电晕检测系统的设计*

段绿茵,苏寒松,李昌禄

(天津大学电子信息工程学院,天津 300072)



一种高压电晕检测系统的设计*

段绿茵,苏寒松,李昌禄*

(天津大学电子信息工程学院,天津 300072)

在当今电晕放电现象检测研究领域中,多数检测方法对检测环境有严苛要求且检测过程中易产生较大误差。针对这一问题,设计了一种高压电晕检测系统,该系统通过对电晕放电产生的电磁波进行检测,由观测波形来判断电晕放电是否发生。重点设计了低噪声放大器和差分放大器等前端硬件部分,另外简单介绍了系统中信号采集和数字信号处理等后端部分,最后检测平台经现场测试具有误差小且能够实现200 m以内电晕放电检测的目标。

电路设计;电晕放电检测;低噪声放大器;差分放大器

当架空高压输电线路表面的电场强度达到足以电离空气分子的程度,其就会被电离,这种情况下就会发生放电现象,会发出臭氧的气味并伴有“刺刺”的声音,如果在夜间发生还会有蓝紫色荧光,这种就是电晕放电现象[1-3]。电晕放电时会伴随着各种物理效应,不仅浪费电能,而且会侵蚀高压设备和输电线路[4],因此寻找能够准确检测电晕放电的方法逐渐成为了当今研究的热点。

1 系统总体架构

当有电晕放电现象发生时,其就会激发电磁场产生空间电磁波信号。螺旋天线会对其方向图范围内的信号进行接收;天线将接收到的信号送入后端的无源模拟滤波器进行滤波,随后由于信号本身就很微弱又经过无源滤波,会对信号幅度造成一定的衰减,所以这时需要进入低噪放大器进行相应的幅度放大,然后利用一对相差λ/2的同轴电缆对其中一路天线接收信号进行相应的延时反相(以250 MHz为中心频率),之后信号进入差分放大器输出,示波器对信号经行采集、存储,经过数字滤波,最终可以判断出螺旋天线方向图范围内是否有电晕放电现象产生。系统总体架构如图1所示。

经调研,选定220 MHz～280 MHz为特征频带进行电晕放电电磁辐射信号的检测,这个频带在无线电频谱规划中是相对空闲的,少有无线电信号的干扰,并且要求检测天线有一定的选择性且带宽至少为100 MHz左右。

图1 系统总体架构

2 设计实现

2.1 螺旋天线

系统采用螺旋天线作为前端检测天线,选择螺旋天线的主要原因主要有两个方面:一是螺旋天线方向性好和还具有频率选择性,二是其极化方式非常适合检测电晕放电辐射信号。最后确定螺旋天线中心频率为250 MHz,带宽为200 MHz～325 MHz,轴向最大增益为11 dB。

2.2 硬件电路设计

2.2.1 无源模拟滤波器

由于前端检测天线的带宽是200 MHz～325 MHz,因此,需要一个带通滤波器来进一步提取出特征频带(220 MHz～280 MHz)的信号,抑制带外干扰信号,提高天线接收信号的信噪比。

为了使螺旋天线与高频电缆和高频放大器进行阻抗匹配,该滤波器的特性阻抗为50 Ω。

其电路原理图如图2所示,该滤波器由保护电路、低通部分、高通部分和两个高频陷波器4部分组成的。D1、D2、L1为输入保护电路,其并接在天线输入端;接下来的L2、L3、C1构成T型低通滤波器;在接下来的网络中的L5、L6、C3构成T型高通滤波器;L4、C2与L7、C4分别构成两个陷波器。其中L1=0.068 μH,C1=22.75 pF,L2=L3=0.057 μH,C3=7.08 pF,L4=0.07 μH,C2=C4=8 pF,L5=L6=0.0177 μF,L7=0.06 μH。

图2 模拟滤波器原理图

2.2.2 低噪放大器

为了提高所接收信号的信噪比,因此信号放大环节采用低噪放大器进行信号的放大,以补偿信号经过模拟滤波器的衰减和使信号达到后端信号采集设备的采集分辨范围,以使所接收的信号能够精确被采集,该放大器各级输入输出阻抗皆为50 Ω。

利用甚高频2SC3356晶体管构成的深度负反馈放大电路具有工作稳定且带宽较宽的特点,将其三级级联,构成多级宽带放大电路,其输入端连接前述的模拟滤波器,即构成了集中滤波加宽带放大的后端模拟电路,多级放大电路原理图如图3所示。

图3 多级级联放大器电路图

由晶体管Q1、Q2、Q3为有源器件组成的宽带放大器是3个完全相同的基本单元,以Q1的单元为例分析,此电路是采用负反馈保持放大电路稳定性的,反馈网络由R1、R2和C2构成。其中,R2是用来设置晶体管的静态工作点,C2跨接在其两端,对高频交流信号可视为短路,因而在做交流分析时,可视R2和C2均处于短路状态,此时电阻R1即是跨接在晶体管Q1的基极和集电极间的反馈电阻,构成电压并联负反馈。电阻R3串联在晶体管的发射极形成电流串联负反馈。通过以上方式构成闭环电路,可有效的防止放大电路的自激的产生,进一步增强电路的稳定性。经实际制作及调试,R1阻值不同,电路可获得得到不同的放大倍数。

2.2.3 差分放大器

从螺旋天线对得到的两路信号经过模拟滤波器和低噪放大器后,对其中一路信号以250 MHz为中心频率点,针对这个频率点进行反向,之后两路信号再进入差分放大器,如图4所示。

图4 差分放大器电路原理图

这里的差分放大器采用的是TI生产的THS4520芯片,是一个双端输入双端输出的高频宽带运算放大器,其性能稳定,高频特性良好,增益可以通过外围电阻来调整,带宽也满足系统需要。

表1为电阻取值不同时所对应的增益。

表1 差分放大器的增益与相应电阻值关系

图4中高频变压器T1是一个宽带变压器,它的作用是将双端平衡输出的信号变成单端的信号输出。图中R7、R8、R9和变压器的初级构成双端平衡输入端,而变压器的次级构成则为单端输出信号。由图4中可看到R7、R8、R9构成匹配网络,并起到了分压的作用,高频变压器的初次级变比为1:1,由图4中的高频变压器初级输入电路的电阻参数可知,由于电阻分压的作用,通过该部分电路的信号变为了原来的1/3,但其信噪比是不受影响的。

图5 差分放大器部分的组成

2.2.3.1 差分放大器频率特性分析

差分放大器的组成可以抽象成如图5(a)所示。它是由长度分别为A和A+λ/2两者相差λ/2的两根电缆与差动放大器组成的,故其频率特性可运用数学工具分析。

(1)高频电缆的频率特性

首先描述电缆的频率传输特性,为分析简单,将两根电缆的长度同时减去A,则可将其转化为图5(b)所示的电路,这样不会影响分析结果。这时只需分析差分放大器“-”端的电缆特性即可。

设电缆的衰减为0,只关心它的相频特性,这里可用式(1)来表达。

φτ(ω)=(ω-ω0)τg+φ0

(1)

式中:

φτ(ω)表示电缆的相频特性;

ω0对应于250MHz的角频率;

ω为210MHz至290MHz通带内的任意角频率;

τg电晕信号在电缆中传输的群延时(包络延时);

φ0为π,它表示对应250MHz的角频率时的相移。

由式(1)可以看出,电缆的相频特性为一条斜直线,并且其延长线通过坐标原点。值得关注的是τg,其为电晕电磁信号在同轴电缆中传输的群延时(包络延时),τg显然在这里是:

(2)

而高频信号对应的相位延时时间可以表示为:

(3)

由于高频信号在同轴电缆中是一种非色散性传播,因而其群延时和相延时的数值相同。

2.2.3.2 差分放大器的频率特性

=e-j(ω-ω0)τg/2[ej(ω-ω0)τg/2+e-j(ω-ω0)τg/2]

(4)

对上式进行变换,得到差分放大器的幅频特性的最终表达式:

k_(f)=2|cosπ(f-f0)τg|

(5)

根据上式可画出差分放大器的幅频特性曲线,如图6所示。

图6 差分放大器的幅频特性

由图6可见,差分放大器的幅频特性曲线呈梳齿状,最大增益为2。如果将所需要的频谱设置在余弦曲线覆盖的范围内,而将不需要的频谱设置在余弦曲线覆盖的范围外,则该幅频特性具有良好的选频作用,并且该幅频特性对噪声也具有一定的抑制作用。例如:如果输入噪声波功率谱沿频率轴均匀分布,则通过幅频特性曲线可得出其信噪比如式(6)所示:

(6)

其中,f′=f-f0从上式中可以看出,由于差分放大器的幅频特性曲线呈梳齿状,它使噪声波功率下降了1/2,即使信噪比得到了3dB的改善。

图7 所采用差分放大器的实际频率特性

2.2.3.3 实际电路分析

在实际电路中,对应250 MHz的电晕辐射信号谱线,同轴电缆中传输λ/2波长且相位移相π的长度定为56 cm。这一数值是经过测量得到的近似值。由于高频电磁波在电缆中的传播速度约为(195～198)×103km/s,为简化运算,这里取整数值为2×105km/s,从而得出其群延时为τg=2.8 ns,转换成图6中的频率轴上的频率值为1/τg=357 MHz。由此可推断,坐标中心f0=250 MHz的左右两侧的第1个零点位置对应的频率为±357 MHz/2=±178.5 MHz,此时的差分放大器的频率特性如图7所示。系统研究的特征频带为220 MHz～280 MHz,图7中用阴影覆盖的范围即表示此区域。由此可见,在电晕检测前端硬件的通带内,其幅频特性仅是一个梳齿中的一部分,该差分放不仅起到了一定的余弦状的选通作用,而且发挥了出梳齿状的选频作用。假如电晕放电辐射信号的频谱仅局限在250 MHz周围的狭小范围内,这种频率特性是有效的;假如电晕频谱均匀分布在220 MHz至280 MHz的通带内,则该频率特性也能较好的选通出电晕信号的频谱。

为了在电晕辐射信号检测前端的220 MHz至280 MHz的通带内实现有数个梳齿状的幅频特性,应加大群延时,使其梳齿尖锐,可通过加长同轴电缆线长度的方式实现。具体的采用长度应视需要而定。

综上所述,本系统中所采用的差分放大器可以实现对电晕放电电磁辐射信号的选通,并可以在一定程度上提高信噪比。

2.3 信号采集和数字信号处理

为了能够有比较形象化的界面和满足工程要求的采样率,系统采用最高采样率为4 Gsample/s,带宽为500 MHz的示波器进行信号采集,这样在信号采集时既具有形象化的波形显示,而且还可以向上位机PC导出屏幕显示波形的采样数据,从而上位机可以进一步对采集的信号进行数字信号处理[5-6]。这里采用带通滤波的方式来使采集信号的信噪比获得提高。

3 系统测试及分析

对于整个系统的测试,电晕源放置在距离天线200 m的位置,调整螺旋天线正对电晕发生装置,之后电晕发生源加压25 kV充电检测放电辐射信号。

螺旋天线对通过20 dB低噪放大器,接6 dB差分放大器后输出测试结果如图8所示。

图8 采用20 dB放大器200 m正对情况的检测结果

由图8可以观察到在200 m的位置,检测平台可以很好的检测到电晕放电辐射信号,并且效果很明显。此检测方法与已有的检测方法相比有很大优势,已有的电晕放电检测方法主要有远红外望远镜、超声电晕探测器及紫外光谱检测技术。

红外热成像技术是利用目标内有较大的温度梯度或背景与目标有较大热对比度,使低可视目标很容易在红外图像中看到。但不同的目标有不同的光谱特性,目标和探测器之间的环境和距离影响探测系统的性能;大气对目标红外辐射能量的传输有极大的影响;大气中水汽、二氧化碳等各种气体分子导致各个大气窗口中传输的红外辐射也有相当大的衰减。

超声波探测器可以用来帮助查找暴露在大气中的电晕放电点,将带有抛物面反射镜的超声波探测器,经放大、转换到耳机监听和表计指示。在发现最强的接收指示时,其正前方就是超声波源,但此检测方法易受干扰。

紫外光谱检测技术是利用特殊仪器接收电晕放电产生的紫外线信号,经处理后成像并与可见光图像叠加,达到确定电晕的位置和强度的目的。但电晕放电受环境影响较大,如温度、湿度、海拔高度等;在检测过程中,环境因素的作用反应在电晕检测中就表现为通过紫外成像仪观察到的电晕放电变化很大,导致不能根据电晕放电直接确定是否存在故障[7-9]。

与以上检测方法相比,该系统从电路设计入手,采用低噪声放大器与差分放大器,通过观测波形判断电晕放电是否发生。此检测方法有很大优点:电路设计简单、成本低、可靠性强,电晕放电检测受环境影响不大,检测距离也进一步提高,能够做到实时检测,具有良好的实用性。

4 结束语

该系统经现场测试在200 m以内,能够准确检测到电晕放电现象且易于观察。检测结果不必进行后续滤波处理,在时域波形中就可以很好的分辨出是否产生电晕放电现象,由此可见使用低噪声放大电路、差分放大电路的有效性。准确检测电晕现象的实现可以帮助电力工作人员判断放电位置及放电程度,并对放电设施进一步的维护整修,从而达到降低能量流失和避免更大的经济损失的目的。

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[9]程正,崔金灵,万军彪,等. 高压外部电晕放电及其检测[J]. 江西电力,2010,34(1):7-9.

段绿茵(1989-),女,汉族,河南省,天津大学电子信息工程学院,硕士研究生,主要研究方向为电子技术和可编程逻辑器件应用,duanlvyin123@126.com;

苏寒松(1960-),男,汉,河南省,天津大学电子工程学院教授、博士、硕士生导师,天津大学电子电气实验教学中心副主任,中国通信学会会员,天津大学无人机联合研究室主任。主要研究方向为光通信技术及光纤传感技术、移动通信关键技术、无线通信技术,shs@tju.edu.cn;

李昌禄(1975-),男,,汉族,天津,天津大学电子工程学院,工程师,主要研究方向为电子技术开发和应用工作,changlu@tju.edu.cn。

ADesignoftheHighVoltageCoronaDetectionSystem*

DUANLüyin,SUHansong,LIChanglu*

(School of Electronic and Information Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

In the current research field of the corona discharge detection,Most detection methods need strict conditions and make error prone. To this question,a high voltage corona detection system has be designed. The system detects the corona discharge phenomenon through electromagnetic wave and by observing the waveforms to judge whether corona discharge happened. The design emphasis on the design of low noise amplifier and differential amplifier. In addition,it also introduces signal acquisition and digital signal processing of the platform simply. Through the filed test,this detection platform possesses low error and can achieve about 200 meters corona discharge detection.

circuit design;corona discharge detection;low noise amplifier;differential amplifier

项目来源:协作科研项目

2014-01-06修改日期:2014-01-23

TM835.4

:A

:1005-9490(2014)06-1233-06

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.044