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| 牽引變電站直流1500V饋出電纜是地鐵供電的重要部件。上海軌道交通1號線自投入運營以來,已發(fā)生多起因直流電纜故障造成地鐵牽引供電系統(tǒng)的停電。當前國內(nèi)外對交流電纜的在線監(jiān)測方法都做了很多研究,如直流分量法、直流疊加法、局部放電檢測法以及接地電流法和低頻分量法等[1],但在直流電纜方面的研究還相對較少。傳統(tǒng)的采用搖表離線檢測的方法存在很大不足,屬于“安慰性”試驗。雖然由于絕緣材料在交流和直流情況下表現(xiàn)出的特征不一致,但將交流電纜的在線監(jiān)測方法用在直流電纜的在線監(jiān)測上,理論上仍然是可行的,故被本設計采用。 電纜局部放電是造成絕緣老化的主要原因,也是絕緣劣化的重要征兆和表現(xiàn)形式[2],與絕緣材料的劣化擊穿過程密切相關,能夠有效地反映直流電纜絕緣的故障。由于地鐵牽引變電站所使用的電纜無鎧裝、直埋,故將檢測地鐵電纜放電信號作為一個主要的研究方法。 牽引變電站直流1500V饋出電纜一般是5根電纜為一組并聯(lián)運行,給地鐵機車供電。理論上講,并聯(lián)在一起的5根電纜中有1根發(fā)生放電,其它電纜上也會有相應的放電信號出現(xiàn)。對5根電纜的同步信號采集除可以確認信號的真實性外,另外還可以通過差分等方法來消除環(huán)境噪聲,提高信噪比。一般—個牽引變電站有4組電纜,因此,采集系統(tǒng)設計成能對zui多20個通道放電信號實現(xiàn)同步采集。 1 地鐵電纜放電信號采集系統(tǒng)的設計 1.1 地鐵直流電纜放電信號的特征 圖1所示為實驗室觀測得到的直流電纜放電信號波形。該信號在輸入到示波器之前進行了25倍的放大。由圖可知,放電信號的頻譜在4MHz左右,電壓幅值大概為±20mV。 1.2 放電檢測傳感器的特性 為縮小傳感器尺寸,放電檢測傳感器以高磁導率的超微晶磁性材料作為磁芯,在圓形磁心上均勻繞制高強度漆包線,構成典型的羅戈夫斯基線圈型電流傳感器。傳感器的內(nèi)徑大小設計成與地鐵電纜外護套尺寸相當,保證很好的磁耦合;傳感器線圈是套在電纜外護套上的,因此測量裝置與1500V直流電在電氣上是絕緣的,為非接觸式測量。超微晶磁性材料具有高磁導率、低損耗、矯頑力小、高飽和磁感應、高穩(wěn)定性等特點;由此設計的傳感器具有高帶寬、帶內(nèi)幅值增益平坦等特性,能有效地檢測出電纜火花放電產(chǎn)生的微弱高頻信號。 傳感器線圈的輸出信號幅值在20mV以內(nèi),必須進行前置放大再傳輸。放電檢測傳感器對頻率為1~9MHz之間的信號具有良好的傳輸特性。但從現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)分析,現(xiàn)場存在較強的、頻率在0.6~1.5MHz之間的周期性窄帶干擾,必須在傳感器信號放大之前將其濾除,否則會導致信號飽和。放電信號頻率在4MHz左右（見圖2）,因此,前置放大濾波器的設計目標為中心頻率4MHz,頻帶寬度4MHz,即通頻帶為2~6MHz,放大倍數(shù)設計為64倍。 綜合考慮前置放大器放大倍數(shù)和濾波的要求將放大器設計為三級,即放大———濾波———放大其中*、第二級放大器的放大倍數(shù)都為8倍,這樣兩級放大器可以使用相同的運算放大器AD8042AD8042為帶寬160MHz的滿電源輸入、輸出運算放大器。濾波器為四階巴特沃斯型高通濾波器。 為進一步減小環(huán)境噪聲和其它干擾對傳感器信號的影響,將傳感器線圈和前置放大濾波器封裝在同一個金屬屏蔽盒內(nèi)（為表述方便,稱其為放電檢測傳感器）,通過屏蔽電纜實現(xiàn)傳感器、放大器的供電和信號傳輸。圖2為實測的放電檢測傳感器的頻幅特性。 1.3 地鐵電纜放電信號采集系統(tǒng)總體設計 圖3所示為地鐵電纜放電信號采集系統(tǒng)的總體結構原理,多達20路放電檢測傳感器信號通過屏蔽電纜引入到多通道同步數(shù)據(jù)采集模塊,實現(xiàn)同步高速數(shù)字量化。通信接口模塊用于將數(shù)據(jù)采集模塊與監(jiān)測中心計算機連接起來,上傳采樣數(shù)據(jù)和獲取采樣參數(shù)設定。 1.4 多通道同步數(shù)據(jù)采集模塊的設計 zui多20通道的放電信號經(jīng)過等長的5m電纜并行送人多通道同步高速數(shù)據(jù)采集板,在采集板內(nèi)實現(xiàn)同步模/數(shù)轉(zhuǎn)換。采集板由并行的20個通道構成,每個通道包括輸入程控放大器、抗混疊濾波器、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D）和存儲器（SRAM）。程控放大器的放大倍數(shù)可由軟件設置為1、2、4和8倍;抗混疊濾波器為四階巴特沃斯型低通濾波器,其截止頻率設定在7.5MHz;模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用AD公司的12bit、zui高轉(zhuǎn)換速率為25MS/s的AD9225;存儲芯片為高速SRAM,存儲容量為4M×16,即在采樣率為20MHz時zui多可以實現(xiàn)20ms的連續(xù)采樣。 如圖4所示,用一片CPLD（復雜可編程邏輯控制器件）來同時控制20個通道的A/D）和存儲器,即實現(xiàn)A/D到SRAM之間的直接數(shù)據(jù)存儲（DMA模式）。AD9225的控制極為簡單,只需用CPLD向其輸入采樣時鐘,并使能數(shù)據(jù)輸出;CPLD同時產(chǎn)生SRAM的地址和寫信號,采樣數(shù)據(jù)即從AD9225存人SRAM。 實際應用中除使用定時方式采集電纜放電信號外,為減小數(shù)據(jù)量,可能會采用信號觸發(fā)的方式,即20個通道中有一路模擬信號的幅值超過設定閥值便自動開始采樣,直到設定的采樣長度信號觸發(fā)的基本原理是將20路信號分別與閥值比較的結果相“或”,然后用作采樣的觸發(fā)。 數(shù)據(jù)采集板的另一個功能是預采樣,即將信號觸發(fā)前一段時間的波形也記錄下來,這樣可得到放電信號的完整波形,便于對數(shù)據(jù)進行分析研究。在預采樣模式下,A/D一直以設定的采樣率運行,在CPLD控制下,數(shù)據(jù)循環(huán)存入SRAM,即SRAM被A/D采樣數(shù)據(jù)循環(huán)寫入,直到有一個觸發(fā)條件出現(xiàn)。當觸發(fā)條件出現(xiàn)后,CPLD控制A/D繼續(xù)采樣“采樣長度—預采樣長度”個樣點,CPLD記憶觸發(fā)時刻輸出給SRAM的地址值,通過讀出此地址值,向前預采樣長度個樣點即為本次采樣數(shù)據(jù)的起始位置。 要保證20個通道數(shù)據(jù)采集的*同步,除了使用同一個CPLD邏輯來控制所有20路A/D同時工作外,還需要使用同樣材料的輸人信號線且線長相同,要求調(diào)整放大器和濾波器的參數(shù)以達到幾乎相同的信號延遲,重要的是所有傳感器要有很好的一致性。為防止通道之間的信號串擾,設計中主要采取印制電路板物理隔離、大面積接地屏蔽和使用屏蔽電纜作為輸入信號線等。 2 采集系統(tǒng)測試 通過對系統(tǒng)輸入確知信號（如正弦波信號）,以及對采集信號的時域和頻域分析,可以評估數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的性能,如系統(tǒng)增益、通頻帶和信噪比等。對本系統(tǒng)的測試包含了前端的放電檢測傳感器,測試時將信號源接1kΩ電阻,從放電檢測傳感器的線圈中穿過。圖5和圖6分別為信號源頻率為4MHz時其中一個信號采集通道所測得的時域波形及其頻域變換波形。 3 結語 根據(jù)上海地鐵牽引變電站直流1500V饋出電纜的特點和安裝方式等,設計了用于檢測火花放電信號的高頻傳感器、放大器、濾波器和多通道同步數(shù)據(jù)采集板,實現(xiàn)了對多達20根運行電纜的在線監(jiān)測,已于2005年在上海軌道交通1號線付之實施。本文所實現(xiàn)的同步信號檢測系統(tǒng)具有較高的靈敏度和多通道同步性能,可以應用于其它需要進行多通道甚至多通道同步信號提取的場合。 |
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