基于电缆局放试验的无线同步信号发生器的研制

唐琪，李国伟

（广东电网有限责任公司佛山供电局，广东佛山528000）

基于电缆局放试验的无线同步信号发生器的研制

唐琪，李国伟

（广东电网有限责任公司佛山供电局，广东佛山528000）

针对新投运电缆因为中间接头无法获取同步电压信号而导致局部放电测量难以进行的现状，研制了一种基于电缆局放试验的无线同步信号发生器。能通过GPRS无线通讯的方式获取电缆加压处电压的相位和频率信息，并由此信息发出相同相位和频率的同步电压信号，从而使测量电缆中间接头处的局部放电试验能顺利进行。设计了一种针对该无线同步信号发生器的相频校核方法，并在实测中得到验证。

局部放电；同步信号；相频校核；无线通讯

局部放电试验具有较高的灵敏度。对于新设计和制造的高压电气设备，通过局部放电测量可以及时发现绝缘中的薄弱环节，防止设计与制造工艺上的差错及材料的使用不当，是鉴别产品绝缘或设备运行可靠性的一种重要方法，它能发现耐压试验无法发现的设备缺陷。局部放电测试是当前电力设备预防性试验的重要项目之一。而对电缆来说试验人员常关心的是其绝缘介质的内部局放。这种局放脉冲出现在同步电压波形的一三相位。因此在测量此类型局放时，获得同步电压对于判断是否产生局放非常重要［1］。

图1　电缆加压处的局放测量示意图

1　现实需求分析

当新电缆投产时，新电缆做耐压试验的同时测量它是否有局放，从而判断电缆的内部介质中是否有缺陷。图1为测量电缆加压处局放的示意图。通过串联谐振的原理产生电缆耐压所需的高电压，然后通过电容分压杆获取测量局放所需要的同步电压信号，从而对是否有局放做出判断。此时的同步信号由电容分压杆来获取，电压一般为不小于5伏即可，频率一般为20～300 Hz之间［2］。

同时，试验人员希望能对电缆的各个接头进行局部放电测试，以便能发现电缆内部的绝缘缺陷。而电缆的局部放电试验需要对每个电缆的中间接头都进行测试。局放测试仪是放在接头处，距离加压的地方较远。因此要想取得同步电压信号无法通过电容分压杆来获得。另外，在新电缆投运前的耐压试验都是空载进行的，此时通过电缆的电流可以忽略，也无法通过电流互感器（CT）感应空载试验的电流来取。因此，局放测试仪难以取到同步信号，导致局放测试难以顺利进行。如果将测试仪放在电缆的加压处来获取同步信号，那么相应的测试接头则需用硬接线的方式将信号引到测试仪处，这样接线复杂，代价高昂，也增加了人力和时间成本［3-5］。

因此研制一种基于电缆局放测试的同步信号发生器，可以不通过硬接线就在电缆每个接头处给予局放测试仪同步电压信号，是很有必要的。

2　系统设计

为实现上述目的，文中设计了一种无线同步信号发生器装置。整个装置主要分为两大部分，分别为同步信号相频获取单元和同步信号发生单元，两个单元采用无线的方式进行通讯。考虑到电缆长度可达数公里以上，装置采用GPRS模式进行通讯。

同步信号相频获取单元需要从电缆加压处获取与所加电压同频率、同相位的正弦电压信号，并且将这些信息发送给同步信号发生单元［6］。首先按图1所示在电缆加压处通过电容分压杆来获取电压。为了后续处理方便，可以进行简单处理使该电压幅值为2.5 V。然后通过低通滤波器，滤去高频干扰。再通过AD转换将模拟的正弦信号转化为数字信号。然后通过单片机和RTC（Real-Time Clock）相配合来识别该信号的过0点和信号的频率。此处单片机采用TI公司的MSP430F149芯片，该芯片主频最高可达8 MHz，功耗极低，并且内置有AD转换模块，可以非常方便的将模拟信号转换为数字信号，并加以分析。然后单片机将电压的频率和过0点时间信息通过UART转GPRS模块发送出去，再由同步信号发生单元的UART转GPRS模块接收这些信息。再通过同步信号发生单元中的单片机和RTC配合，并结合接收到的频率和过0时间点的信息来发出与加压处同频率同相位的电压。

同步信号发生单元也采用MSP430F149芯片，该芯片内置有DA转换模块可以将方波转换成正弦波，从而形成与实际同步电压相同的波形。其幅值可设置为0～2.5 V。同时可MCU也可控制LCD显示当前信号的幅值和频率。现场试验所取同步信号幅值一般为不小于5 V，所以需要将MCU输出的正弦波进行放大。本装置采用三极管放大电路，将电压幅值从0～2.5 V放大到0～12 V。

由于本装置所使用的MCU为MSP430，该芯片功耗低，同时又可通过编程使芯片长时间处于休眠状态，使得装置的功耗更低，因此一片3.3 V 100 mAh的锂电池就可满足装置长时间工作。从而大大缩小了装置的体积。

将上述各模块集成到到一起，通过MCU的有序控制，研制成功了专门针对电缆局放试验的同步信号发生器。系统结构如图2所示。

图2　同步信号发生器系统图

3　相频校核的实现

在研制基于电缆局放试验的同步信号发生器装置时，如何使该装置发出和电缆加压处同频率、同相位的同步电压信号非常重要。因此装置必须具备同步电压信号的相频校核功能。为实现该功能，装置将在相频获取和信号发生两个单元通过单片机和RTC相配合来进行相频校核设计。首先在相频获取单元中通过单片机和RTC相配合来确定信号的初相位。相频获取流程如图3所示，单片机上电后对各模块进行初始化，然后使能AD接收同步电压，并通过编程转换为同频率的方波信号。然后使能RTC开始计时，由于RTC最高所用晶振为32 k所以，最小的计时点为0.03 ms，而同步信号的最高频率为300 Hz，实际所取频率多为几十赫兹，所以RTC计时误差换算到相位上只有不到10度，这个误差在局部放电测试中是可以忍受的。同时由单片机来判断同步方波信号是否到达0相位，到达后将记录当前的RTC的时间T1（精确到最小计时点），然后判断第二个0相位点，记录T2。那么T2-T1就是同步信号的周期T。此时便可以通过UART转GPRS模块将T2时刻和T信息发送出去。

图3　相频获取流程

相频校核流程如图4所示。相频校核模块同样需要单片机和RTC配合工作。单片机初始化后，通过UART转GPRS模块接收来自采集模块的周期T和0相位时间T2。然后使能RTC开始计时。在这里只需要将T2顺延整数倍个周期T，就可以以此矫正为0相位时刻，发出不同信号。为了尽量减小传输途中的时延等误差，将整数倍定为10（100倍）倍，然后可以利用RTC单元自带的报警功能设置，当计时时间到了T2+10T即可发出脉冲，使能单片机IO中断，然后单片机便可在此时发出周期为T的方波信号，这样便达到了同步信号相位和频率校核的目的。

该装置在程序设计中因为单片机语句延时所造成的误差，可以通过测量程序本身的延时来加以修正。

图4　相频校核流程

4　装置实测效果

完成对装置软硬件的设计，对装置进行功能测试。如图5所示，首先从相频获取单元取得一个50 Hz的电压信号，然后在相频获取单元通过程序运行获取该电压的相位和频率信息。然后通过UART转GPRS传送给信号发生单元。信号发生单元获取相频信号后通过EMC口发出，同时可以通过LCD来显示当前的频率。将该装置运用到电缆局放测试中，记录下实际的局放波形如图6所示，同步信号能够很好的试用于电缆局放的测试。

图5　同步信号发生器功能板

图6　同步信号发生器局放实测波形

5　结论

文章首先介绍了电缆局部放电试验中同步信号对局部放电诊断的重要性。针对电缆投运前，中间接头处同步信号难以获取而导致局部放电试验无法进行的现状，提出了研制基于电缆局放的同步信号发生器的重要性。接着从硬件上设计了整个同步信号发生器的系统结构和各个组成模块，该装置分成同步信号相频获取单元和同步信号发生单元，两部分都是基于嵌入式设计，且通过UART转GPRS两者可以进行通讯。然后基于此硬件构成，提出了一种专门针对电缆局放测试的同步信号的相位、频率校核的方法。最后通过硬件和软件两方面的研究设计出了基于电缆局放试验的同步信号发生器，并且通过实测验证了装置的有效性和实用价值。

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【相关参考文献链接】

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Design of wireless synchronous signal generator based on cable partial discharge test

TANG Qi，LI Guo-wei
（Foshan Power Supply Bureau of Guangdong Power Grid Corporation，Foshan 528000，China）

According to the present situation that it is difficult for the new operation for cable intermediate joint to obtain the synchronous voltage signal and it dues that it is difficult to partial discharge measurement，we developed a wireless synchronous signal generator to cable partial discharge test.The phase and frequency information of cable pressure voltage can be obtained through GPRS wireless communication，and the cable partial discharge test can be carried out smoothly.It designs a phase and frequency calibration method for the wireless synchronous signal generator，and it is verified in the actual.

partial discharge；synchronous signal；phase frequency calibration；wireless communication

TN99

A

1674－6236（2016）12-0135-03

2015-06-19稿件编号：201506196

唐琪（1983—），男，四川南充人，硕士，工程师。研究方向：高压试验和状态监测。