高压电机定子绕组绝缘薄弱点信号调理电路设计

史宏俊++莫岳平++雍才富++崔顺++朱肖陈

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.042

摘 要：该文根据高压电机定子绕组的特点，针对现有方法只能判断一相定子绕组的局部放电量，无法具体定位绝缘薄弱点这一问题，设计了声电复合信号处理电路，配合已有的脉冲电流法来判断局部放电位置，从而实现脉冲电流法进行定相、声电复合传感器定位的目的。

关键词：定子绕组 绝缘薄弱点定位 信号调理

中图分类号：TP13 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（b）-0042-03

高压电机作为现代工业生产的核心部分，其可靠性对工业生产的正常运作起着重要作用。高压电机运行过程中出现故障的因素是很多的，但是其定子绕组的绝缘问题是其主要因素之一。由于电机的长期运转，其定子绕组开始慢慢老化，久而久之出现绝缘薄弱点。因此，分析高压电机定子绕组老化过程、研究定子绕组局部放电的物理化学现象和研制定子绕组绝缘薄弱定位装置对高压电机的可靠运行和减少维修成本起着重要的作用。

该课题的主要研究内容是利用局部放电下绝缘薄弱点产生的电磁信号和超声信号，设计一种具有抗干扰的前段声电信号调理电路和数据采集系统，配合上位机软件显示绕组绝缘薄弱点局部放电下的电磁信号和超声信号。

1 声电信号调理电路结构框图

声电传感器所接受到的两路电信号存在信号强度小、噪声大等问题，所以首先需要信号处理电路对这两条路电信号进行放大和滤波处理。如图1所示，前段声电信号调理电路包括：阻抗匹配电路、前置放大电路、积分电路、电磁信号传感器的积分电路、带通滤波电路、后级放大电路和电源模块组成。因为电磁信号探头所输出的电信号是原信号的微分形式，通过积分电路可以还原成原始信号，提高信号采集的准确度。

2 阻抗匹配电路与共模干扰抑制

2.1 阻抗匹配电路

该课题采用Burr-Brown公司的OPA2132UA运算放大器。OPA2132UA运放内部有两个放大单元，采用双电源供电，具体特性如以下几点。

（1）带宽范围：8 MHz。

（2）高转换率：20 V/μs。

（3）输入电压：±2.5～±18 V。

（4）低噪声：（1 kHz）。

（5）低失真率：0.00008%。

超声信号传感器的通带范围为40～100 kHz，电磁信号传感器的通带范围为100kHz～1 MHz。图3为OPA2132UA运放的幅频响应和相频响应，所以选用的运算放大器在上述两个通带内具有低噪声、高灵敏度、相位变化平稳的特点。

2.2 双芯屏蔽线共模干扰信号的抑制

图2为双芯屏蔽线传输信号的原理图。其中，电阻R1、R2，电容C1、C2以及与放大器C相连的屏蔽线组成的电路是双芯屏蔽线的等效电路，Uc为共模干扰信号，放大器A、B、C是用OPA2132UA构成阻抗匹配电路，放大器D为前置差分放大芯片。

当共模干扰信号是直流信号作用在传输线上时，Uc1=Uc2，经过电压跟随器A与B后可得，UA=UB，因为放大器C是差分放大，所以U0无电压输出，由此可见前置放大电路具有初步的抗共模干扰的作用。

当共模干扰信号是交流信号时，UC1与UC2的电压为式1与式2。当R1C1=R2C2时，UA=UB，UO无电压信号输出；当R1C1≠R2C2时，UA≠UB，而Ug=（UA +UB）/2，Uc3=Ug，所以Ug=（UA +UB）/2。此时，屏蔽线上等电位势为Uc3，电容C1与C2上就会形成电势差，UC1和UC2会分别趋向于UC3，即UC1与UC2的差距越来越小，UA≈UB，U0无明显电压信号输出。

综上所述，双芯屏蔽线能有效抑制传输线上的共模干扰信号。

3 电磁信号传感器的积分电路

3.1 确定时间常数τ

积分电路的积分速度由时间常数τ所决定，其中τ=RCf。电磁信号传感器所接受到的局部放电信号是一系列的脉冲信号，放电间隙短，信号频率高，因此，在τ值的确定上选择较小的值就行。同时τ值也不能小于放电间隙时间，导致积分电路饱和。这里取τ=1。由于积分电路的输入电阻为R，所以往往希望R的值大一些，这里取R=10 kΩ，因此，Cf=0.1μF。

3.2 确定Rp

电阻RP为运放的平衡电阻，用于平衡运放的偏置电流，一般取Rp=R=10 kΩ。

3.3 确定Rf

通常在积分电路的输入输出端并联电阻Rf，其目的是避免积分电路漂移导致信号的失真。为了减小误差，取Rf≥10R=100 kΩ。

3.4 选择运算放大器

為了弱化运放放大器对积分电路的影响，选择宽带范围广，低噪声和低失真率的运算放大器。该课题选用和阻抗匹配电路相同的运算芯片OPA2132UA。

OPA2132UA运算放大器带宽范围：8 MHz；转换率：20 V/μs；低噪声：（1 kHz）；低失真率：0.00008%，符合上述要求。

4 带通滤波器的电路设计

如图3所示为带通滤波器的基本结构，其中低通部分的截止频率为f1，高通部分的截止频率为f2，在设计时应f1>f2，此时带通滤波器的通带为f=f1-f2[1]。

该课题选用Linear（凌力尔特）公司的滤波芯片LTC1560-1和LT1364CS8。其中，LTC1560-1为低通芯片，LT1364CS8为高通芯片。

LTC1560-1具有如下特点：

（1）信噪比（SNR）：75 dB。

（2）通带纹波（fCUTOFF）：±0.3 dB。

（3）阻带衰减大于60 dB。

（4）截止频率可调为500 kHz和1 MHz。

图4为电磁信号通道的带通滤波滤波器原理图。低通滤波器LTC1560-1芯片的5号引脚接-5 V电源时截止频率为1 MHz，高通滤波器LT1364CS8截止频率为30 kHz。

超声信号通道的带通滤波滤波器原理图。低通滤波器LTC1560-1芯片的5号引脚接5 V电源时截止频率为500 kHz，高通滤波器LT1364CS8截止频率为30 kHz。

5 前置放大和后级放大电路

电磁信号通道的带宽为30 kHz～1 MHz，所以選择仪器放大器INA217。INA217是一种低噪声、低失真的仪器放大器，采用电流反馈的INA217有着较宽的通带和在通带范围内有着良好的动态响应。具体参数如下：

（1）低噪声：1.3 nV（在1 Hz处）。

（2）宽通带：800 kHz，G=100。

（3）高的共模抑制：>100 dB。

放大器INA217的放大倍数为：

这里取RG=1 kΩ，G=11。此时，电磁信号通道的前置运算放大器和后级运算放大器相同。

超声信号通道的带宽为30～500 kHz，选择低漂移、低功耗仪表放大器AD620AR。AD620AR是一款低成本，高精度仪表放大器，仅需要一个外部电阻来设置增益，增益范围为1～10 000。此外，该课题采用的是8引脚SOIC封装，尺寸小，功耗低，非常适合做放大电路使用。主要的特性如以下几点。

（1）高增益：G=1～10 000。

（2）输入电压噪声：9 nV（1 kHz）。

（3）带宽：120 kHz（G=100）。

（4）共模抑制比：100 dB（最小值，G=10）。

放大器AD620AR的放大倍数为：

取RG=4.94 kΩ，G=11。此时，超声信号通道的前置放大器和后级放大器相同。

6 结语

该文主要讲述了前段声电信号调理电路的构成，前段声电信号调理电路分为两个通道，分别为电磁信号传感器通道和超声波传感器通道。

这两个通道所用的电路基本相同，电磁信号传感器通道多了一个积分电路。由于电磁信号和超声信号的频率不同，所以在芯片的选型和电路的设计中两通道存在一些差异。该文中的每种电路不仅介绍了怎样选择芯片型号，而且还给出了计算电阻电容方法。经该系统处理后的两路信号再传输到第四章的数据采集处理系统，对这两路信号进行程控放大和AD转换等数据处理。

为了减小共模信号的干扰，在传感器和信号处理电路之间采用了双芯屏蔽传输线，并在信号处理电路中增加一组运放电路，在共模干扰通过信号处理电路时可以很好地消除干扰信号。

参考文献

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