局部放电检测电路设计研究

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摘要：局部放电相位统计法是当前广泛应用的局部放电检测与分析方法，二维和三维图谱分析的关键参数之一是局放脉冲所对应的相位信息。本文提出一种局放脉冲的工频相位检测电路，适用于外触发局部放电便携式带电检测设备和在线监测设备，并对电路进行了仿真模拟和试验验证。

关键词：局部放电；相位检测；锁相环；计数器；滤波用

不同的检测方法可以得到不同的局部放电特征［1－4］。如今用于分析和评估局部放电的两种最常用的检测方法是基于相位分辨数据的统计检测法［5－6］和基于时间分辨数据的波形检测法［7－8］。当今大部分商业应用的PD检测器均采用相位分辨检测方法，也称相位统计法。局部放电相位统计检测与识别方法需要事先获得局部放电脉冲所对应的工频电源的具体相位，每个局部放电脉冲总是发生于工频正弦波的某一个相位窗口，该相位窗口在局部放电测量过程中需要通过一定技术或手段获得。局部放电测量设备中局放脉冲相位的获得通常有两种方法，即内触发和外触发。内触发通常用于手持式带电检测设备，一般由于电池供电而没有连接外接电源，而无法采用外触发。外触发用于便携式测量设备以及在线监测设备，一般连接有低压工频电源，从而可利用该正弦电源。内触发是为了相位统计法的需要而不得已采用的方法，一般通过软件实现，获得的相位值也不是真正的局放脉冲所对应相位值，但从统计概率角度来说可以帮助实现统计分析。外触发所获得的相位值要真实许多，一般通过硬件电路来实现。本文针对局部放电测量中局部放电脉冲所对应的相位提出一种外触发检测电路，集成到局部放电测量设备的硬件中，在通过设备检测到局部放电脉冲幅值和个数的同时，也检测到该脉冲所对应的工频电源相位值。该检测电路通过整形把工频波形转换为矩形脉冲波形，并通过锁相环技术和脉冲计数技术实现要求精度的最小相位窗，从而提高了相位值获取的精度。

1相位测量系统架构及功能研究

工频相位检测电路包括依次连接的电源电压分压、二阶低通滤波器、波形整形与转换、锁相环、倍频器、单稳态触发器以及二进制计数器等模块，如图1所示。首先设计一种电压变换器将工频电源电压降压为低电压信号，用于后续的信号输入。再设计一款低通滤波电路消除高频干扰，截止频率为300Hz，然后对信号进行整形与转换，即利用一个比较器（或者一般的放大器的开环应用）对输入的正弦信号进行整形，将其转化为方波信号。接下来对信号进行一个锁相倍频的过程，即将一个频率为f1的输入信号，倍频N倍后，使得锁相环的输出频率f0＝N•f1。例如N＝3600，则对应的输入信号相位为0．1°。最后再利用二进制计数器对倍频器的输出进行计数（可以利用其复位端控制实现计数器与正弦输入信号正向过零点的同步，该复位信号来自于基波信号整形后的上升沿启动的单稳态脉冲）。对局部放电脉冲所对应的计数值进行处理就可以得到相位值。1．1LM358有源滤波器由于电源电压信号中不可避免串入有高频干扰信号，而局放脉冲对应相位的获取需要尽可能没有受干扰污染的工频信号，因此有必要在工频信号输入处设计滤波器抑制甚至消除高频干扰。有源二阶低通Butterworth滤波器原理如图2所示，其中放大器芯片采用LM358。该滤波器的通带增益为k＝1＋R1／R2，品质因素为Q＝1／（3－k），按照3dB衰减，滤波器的截止频率为f＝1／2πRC。图2基于LM358的二阶低通滤波器原理Fig．2TheprincipleofsecondorderlowpassfilterbasedonLM3581．

2基于LM339比较器的整形转换电路

波形整形与转换电路将正弦交流信号整形为规则的方波信号，用于积分电路的控制，利用后续的积分电路将相位信息转换为连续的模拟电压，以供后续电路的采样和处理，为了避免后续电路对积分电路的影响，配备缓冲电路。本文采用LM339比较器得到双极性电压然后经积分电路得到积分电压波形。LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，类似于增益不可调的运算放大器，芯片管脚分布如图3所示。每个比较器有两个输入端和一个输出端。LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。图3LM339比较器管脚图Fig．3PinningdiagramofLM339Comparator1．3基于74HC4046和74HC4040的锁相倍频电路锁相倍频电路用于将整形与转换电路输出的频率为f1的输入信号，倍频N倍，使得锁相环的输出频率为Nf1，用于后续计算器电路的输入。锁相倍频电路由锁相环芯片74HC4046、二进制累加计数器／分频器74HC4040以及低通滤波器组成，如图4所示。经过整形转换电路后的50Hz方波信号作为锁相倍频电路的输入信号进入锁相环芯片，内部压控振荡器输出输入到累加计数器进行倍频，倍频信号反过来进入到锁相环的比较器输入端，内部相位比较器对两个信号比较后输出，并经过低通滤波器滤除高频噪声，形成一个闭环控制系统。不断地调节，使输出信号频率为输入信号频率的256倍，并且使输入信号与比较信号的频差为零。4基于74HC123和74HC4040的计数器电路计数器电路利用二进制计数器对倍频器的输出进行计数，对脉冲的计数值进行处理即可得到相位值。本文采用74HC4040二进制计数器，利用其复位端控制实现计数器与正弦输入信号正向过零点的同步。复位信号来自于基波信号整形后的上升沿启动的单稳态脉冲，利用单稳态触发器74HC123实现。2相位测量电路仿真模拟低通滤波器的功能为抑制高频噪声及高频干扰，设计的低通滤波器幅频特性和相频特性如图5所示，截止频率为132．6Hz。设计的波形整形与转换电路实现电源正弦波到方波的转换，其原理本质上为正弦信号过零检测器，正向过零时对应方波信号的下降沿，反相过零时对应方波信号的上升沿。正弦输入和方波输出波形如图6所示。锁相倍频与计数部分电路实现功能如图7所示，仿真波形从上往下依次对应示波器的通道A、B、C和D。其中，通道A为50Hz方波（占空比为0．5）信号；通道B为经过单稳态触发器后整形成为上升沿检测周期触发脉冲（对应正弦波信号的负向过零点），用来对计数器复位；通道C为计数器的输入信号；通道D为计数器失效参考信号。从信号B和C可看出，在单稳态的一个周期内计数器可计数10个脉冲。另外，由于单稳态的输出脉冲具有很小的占空比，计数器失效的时间非常短，而且正脉冲宽度小于计数器信号的脉冲宽度，故不影响计数。

3相位测量电路试验测试

研制相位测量电路并进行试验测试，正弦波转方波再转锯齿波的测试波形如图8所示，计数器复位触发脉冲波形如图9所示。通过测量锯齿波信号的采样值也可以计算出相位信息，正弦波信号在0～180°变化时，锯齿波信号从Vmin到Vmax线性递增；正弦波信号在180°～360°变化时，锯齿波信号从Vmax到Vmin线性递减。

4结语

结果表明，本文所设计的检测电路通过将工频正弦波信号转换成方波甚至锯齿波，设计锁相倍频电路和计数器电路，通过计数器对倍频脉冲信号计数的方法能够准确地对局部放电相位信息进行检测。

作者:郑能 单位:重庆大唐国际武隆水电开发有限公司