唐琪，李國(guó)偉

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東佛山528000）

基于電纜局放試驗(yàn)的無(wú)線同步信號(hào)發(fā)生器的研制

唐琪，李國(guó)偉

（廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司佛山供電局，廣東佛山528000）

針對(duì)新投運(yùn)電纜因?yàn)橹虚g接頭無(wú)法獲取同步電壓信號(hào)而導(dǎo)致局部放電測(cè)量難以進(jìn)行的現(xiàn)狀，研制了一種基于電纜局放試驗(yàn)的無(wú)線同步信號(hào)發(fā)生器。能通過(guò)GPRS無(wú)線通訊的方式獲取電纜加壓處電壓的相位和頻率信息，并由此信息發(fā)出相同相位和頻率的同步電壓信號(hào)，從而使測(cè)量電纜中間接頭處的局部放電試驗(yàn)?zāi)茼樌M(jìn)行。設(shè)計(jì)了一種針對(duì)該無(wú)線同步信號(hào)發(fā)生器的相頻校核方法，并在實(shí)測(cè)中得到驗(yàn)證。

局部放電；同步信號(hào)；相頻校核；無(wú)線通訊

局部放電試驗(yàn)具有較高的靈敏度。對(duì)于新設(shè)計(jì)和制造的高壓電氣設(shè)備，通過(guò)局部放電測(cè)量可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)絕緣中的薄弱環(huán)節(jié)，防止設(shè)計(jì)與制造工藝上的差錯(cuò)及材料的使用不當(dāng)，是鑒別產(chǎn)品絕緣或設(shè)備運(yùn)行可靠性的一種重要方法，它能發(fā)現(xiàn)耐壓試驗(yàn)無(wú)法發(fā)現(xiàn)的設(shè)備缺陷。局部放電測(cè)試是當(dāng)前電力設(shè)備預(yù)防性試驗(yàn)的重要項(xiàng)目之一。而對(duì)電纜來(lái)說(shuō)試驗(yàn)人員常關(guān)心的是其絕緣介質(zhì)的內(nèi)部局放。這種局放脈沖出現(xiàn)在同步電壓波形的一三相位。因此在測(cè)量此類型局放時(shí)，獲得同步電壓對(duì)于判斷是否產(chǎn)生局放非常重要［1］。

圖1　電纜加壓處的局放測(cè)量示意圖

1　現(xiàn)實(shí)需求分析

當(dāng)新電纜投產(chǎn)時(shí)，新電纜做耐壓試驗(yàn)的同時(shí)測(cè)量它是否有局放，從而判斷電纜的內(nèi)部介質(zhì)中是否有缺陷。圖1為測(cè)量電纜加壓處局放的示意圖。通過(guò)串聯(lián)諧振的原理產(chǎn)生電纜耐壓所需的高電壓，然后通過(guò)電容分壓桿獲取測(cè)量局放所需要的同步電壓信號(hào)，從而對(duì)是否有局放做出判斷。此時(shí)的同步信號(hào)由電容分壓桿來(lái)獲取，電壓一般為不小于5伏即可，頻率一般為20～300 Hz之間［2］。

同時(shí)，試驗(yàn)人員希望能對(duì)電纜的各個(gè)接頭進(jìn)行局部放電測(cè)試，以便能發(fā)現(xiàn)電纜內(nèi)部的絕緣缺陷。而電纜的局部放電試驗(yàn)需要對(duì)每個(gè)電纜的中間接頭都進(jìn)行測(cè)試。局放測(cè)試儀是放在接頭處，距離加壓的地方較遠(yuǎn)。因此要想取得同步電壓信號(hào)無(wú)法通過(guò)電容分壓桿來(lái)獲得。另外，在新電纜投運(yùn)前的耐壓試驗(yàn)都是空載進(jìn)行的，此時(shí)通過(guò)電纜的電流可以忽略，也無(wú)法通過(guò)電流互感器（CT）感應(yīng)空載試驗(yàn)的電流來(lái)取。因此，局放測(cè)試儀難以取到同步信號(hào)，導(dǎo)致局放測(cè)試難以順利進(jìn)行。如果將測(cè)試儀放在電纜的加壓處來(lái)獲取同步信號(hào)，那么相應(yīng)的測(cè)試接頭則需用硬接線的方式將信號(hào)引到測(cè)試儀處，這樣接線復(fù)雜，代價(jià)高昂，也增加了人力和時(shí)間成本［3-5］。

因此研制一種基于電纜局放測(cè)試的同步信號(hào)發(fā)生器，可以不通過(guò)硬接線就在電纜每個(gè)接頭處給予局放測(cè)試儀同步電壓信號(hào)，是很有必要的。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)上述目的，文中設(shè)計(jì)了一種無(wú)線同步信號(hào)發(fā)生器裝置。整個(gè)裝置主要分為兩大部分，分別為同步信號(hào)相頻獲取單元和同步信號(hào)發(fā)生單元，兩個(gè)單元采用無(wú)線的方式進(jìn)行通訊?？紤]到電纜長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)公里以上，裝置采用GPRS模式進(jìn)行通訊。

同步信號(hào)相頻獲取單元需要從電纜加壓處獲取與所加電壓同頻率、同相位的正弦電壓信號(hào)，并且將這些信息發(fā)送給同步信號(hào)發(fā)生單元［6］。首先按圖1所示在電纜加壓處通過(guò)電容分壓桿來(lái)獲取電壓。為了后續(xù)處理方便，可以進(jìn)行簡(jiǎn)單處理使該電壓幅值為2.5 V。然后通過(guò)低通濾波器，濾去高頻干擾。再通過(guò)AD轉(zhuǎn)換將模擬的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。然后通過(guò)單片機(jī)和RTC（Real-Time Clock）相配合來(lái)識(shí)別該信號(hào)的過(guò)0點(diǎn)和信號(hào)的頻率。此處單片機(jī)采用TI公司的MSP430F149芯片，該芯片主頻最高可達(dá)8 MHz，功耗極低，并且內(nèi)置有AD轉(zhuǎn)換模塊，可以非常方便的將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并加以分析。然后單片機(jī)將電壓的頻率和過(guò)0點(diǎn)時(shí)間信息通過(guò)UART轉(zhuǎn)GPRS模塊發(fā)送出去，再由同步信號(hào)發(fā)生單元的UART轉(zhuǎn)GPRS模塊接收這些信息。再通過(guò)同步信號(hào)發(fā)生單元中的單片機(jī)和RTC配合，并結(jié)合接收到的頻率和過(guò)0時(shí)間點(diǎn)的信息來(lái)發(fā)出與加壓處同頻率同相位的電壓。

同步信號(hào)發(fā)生單元也采用MSP430F149芯片，該芯片內(nèi)置有DA轉(zhuǎn)換模塊可以將方波轉(zhuǎn)換成正弦波，從而形成與實(shí)際同步電壓相同的波形。其幅值可設(shè)置為0～2.5 V。同時(shí)可MCU也可控制LCD顯示當(dāng)前信號(hào)的幅值和頻率?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所取同步信號(hào)幅值一般為不小于5 V，所以需要將MCU輸出的正弦波進(jìn)行放大。本裝置采用三極管放大電路，將電壓幅值從0～2.5 V放大到0～12 V。

由于本裝置所使用的MCU為MSP430，該芯片功耗低，同時(shí)又可通過(guò)編程使芯片長(zhǎng)時(shí)間處于休眠狀態(tài)，使得裝置的功耗更低，因此一片3.3 V 100 mAh的鋰電池就可滿足裝置長(zhǎng)時(shí)間工作。從而大大縮小了裝置的體積。

將上述各模塊集成到到一起，通過(guò)MCU的有序控制，研制成功了專門針對(duì)電纜局放試驗(yàn)的同步信號(hào)發(fā)生器。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　同步信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)圖

3　相頻校核的實(shí)現(xiàn)

在研制基于電纜局放試驗(yàn)的同步信號(hào)發(fā)生器裝置時(shí)，如何使該裝置發(fā)出和電纜加壓處同頻率、同相位的同步電壓信號(hào)非常重要。因此裝置必須具備同步電壓信號(hào)的相頻校核功能。為實(shí)現(xiàn)該功能，裝置將在相頻獲取和信號(hào)發(fā)生兩個(gè)單元通過(guò)單片機(jī)和RTC相配合來(lái)進(jìn)行相頻校核設(shè)計(jì)。首先在相頻獲取單元中通過(guò)單片機(jī)和RTC相配合來(lái)確定信號(hào)的初相位。相頻獲取流程如圖3所示，單片機(jī)上電后對(duì)各模塊進(jìn)行初始化，然后使能AD接收同步電壓，并通過(guò)編程轉(zhuǎn)換為同頻率的方波信號(hào)。然后使能RTC開始計(jì)時(shí)，由于RTC最高所用晶振為32 k所以，最小的計(jì)時(shí)點(diǎn)為0.03 ms，而同步信號(hào)的最高頻率為300 Hz，實(shí)際所取頻率多為幾十赫茲，所以RTC計(jì)時(shí)誤差換算到相位上只有不到10度，這個(gè)誤差在局部放電測(cè)試中是可以忍受的。同時(shí)由單片機(jī)來(lái)判斷同步方波信號(hào)是否到達(dá)0相位，到達(dá)后將記錄當(dāng)前的RTC的時(shí)間T1（精確到最小計(jì)時(shí)點(diǎn)），然后判斷第二個(gè)0相位點(diǎn)，記錄T2。那么T2-T1就是同步信號(hào)的周期T。此時(shí)便可以通過(guò)UART轉(zhuǎn)GPRS模塊將T2時(shí)刻和T信息發(fā)送出去。

圖3　相頻獲取流程

相頻校核流程如圖4所示。相頻校核模塊同樣需要單片機(jī)和RTC配合工作。單片機(jī)初始化后，通過(guò)UART轉(zhuǎn)GPRS模塊接收來(lái)自采集模塊的周期T和0相位時(shí)間T2。然后使能RTC開始計(jì)時(shí)。在這里只需要將T2順延整數(shù)倍個(gè)周期T，就可以以此矯正為0相位時(shí)刻，發(fā)出不同信號(hào)。為了盡量減小傳輸途中的時(shí)延等誤差，將整數(shù)倍定為10（100倍）倍，然后可以利用RTC單元自帶的報(bào)警功能設(shè)置，當(dāng)計(jì)時(shí)時(shí)間到了T2+10T即可發(fā)出脈沖，使能單片機(jī)IO中斷，然后單片機(jī)便可在此時(shí)發(fā)出周期為T的方波信號(hào)，這樣便達(dá)到了同步信號(hào)相位和頻率校核的目的。

該裝置在程序設(shè)計(jì)中因?yàn)閱纹瑱C(jī)語(yǔ)句延時(shí)所造成的誤差，可以通過(guò)測(cè)量程序本身的延時(shí)來(lái)加以修正。

圖4　相頻校核流程

4　裝置實(shí)測(cè)效果

完成對(duì)裝置軟硬件的設(shè)計(jì)，對(duì)裝置進(jìn)行功能測(cè)試。如圖5所示，首先從相頻獲取單元取得一個(gè)50 Hz的電壓信號(hào)，然后在相頻獲取單元通過(guò)程序運(yùn)行獲取該電壓的相位和頻率信息。然后通過(guò)UART轉(zhuǎn)GPRS傳送給信號(hào)發(fā)生單元。信號(hào)發(fā)生單元獲取相頻信號(hào)后通過(guò)EMC口發(fā)出，同時(shí)可以通過(guò)LCD來(lái)顯示當(dāng)前的頻率。將該裝置運(yùn)用到電纜局放測(cè)試中，記錄下實(shí)際的局放波形如圖6所示，同步信號(hào)能夠很好的試用于電纜局放的測(cè)試。

圖5　同步信號(hào)發(fā)生器功能板

圖6　同步信號(hào)發(fā)生器局放實(shí)測(cè)波形

5　結(jié)論

文章首先介紹了電纜局部放電試驗(yàn)中同步信號(hào)對(duì)局部放電診斷的重要性。針對(duì)電纜投運(yùn)前，中間接頭處同步信號(hào)難以獲取而導(dǎo)致局部放電試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行的現(xiàn)狀，提出了研制基于電纜局放的同步信號(hào)發(fā)生器的重要性。接著從硬件上設(shè)計(jì)了整個(gè)同步信號(hào)發(fā)生器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和各個(gè)組成模塊，該裝置分成同步信號(hào)相頻獲取單元和同步信號(hào)發(fā)生單元，兩部分都是基于嵌入式設(shè)計(jì)，且通過(guò)UART轉(zhuǎn)GPRS兩者可以進(jìn)行通訊。然后基于此硬件構(gòu)成，提出了一種專門針對(duì)電纜局放測(cè)試的同步信號(hào)的相位、頻率校核的方法。最后通過(guò)硬件和軟件兩方面的研究設(shè)計(jì)出了基于電纜局放試驗(yàn)的同步信號(hào)發(fā)生器，并且通過(guò)實(shí)測(cè)驗(yàn)證了裝置的有效性和實(shí)用價(jià)值。

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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，F(xiàn)oshan 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稿件編號(hào)：201506196

唐琪（1983—），男，四川南充人，碩士，工程師。研究方向：高壓試驗(yàn)和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。