地铁电缆放电信号采集系统的设计

本文格式为Word版，下载可任意编辑——地铁电缆放电信号采集系统的设计李立学江秀臣曾奕达世鹏窦同江沈顽强

摘要牵引变电站直流1500V馈出电缆是地铁供电的重要部件。局部放电或火花放电是造成该电缆绝缘老化的主要原因。在分析地铁直流电缆放电信号特征的基础上,筒述了所设计的放电检测传感器的特性,设计了对多根地铁直流电缆放电信号采集的系统,并巳付之实施。

关键词地铁,电缆放电,数据采集系统牵引变电站直流1500V馈出电缆是地铁供电的重要部件。上海轨道交通1号线自投入运营以来,已发生多起因直流电缆故障造成地铁牵引供电系统的停电。当前国内外对交流电缆的在线监测方法都做了好多研究,如直流分量法、直流叠加法、局部放电检测法以及接地电流法和低频分量法等[1],但在直流电缆方面的研究还相对较少。传统的采用摇表离线检测的方法存在很大不足,属于“安慰性〞试验。虽然由于绝缘材料在交流和直流状况下表现出的特征不一致,但将交流电缆的在线监测方法用在直流电缆的在线监测上,理论上依旧是可行的,故被本设计采用。电缆局部放电是造成绝缘老化的主要原因,也是绝缘劣化的重要征兆和表现形式[2],与绝缘材料的劣化击穿过程密切相关,能够有效地反映直流电缆绝缘的故障。由于地铁牵引变电站所使用的电缆无铠装、直埋,故将检测地铁电缆放电信号作为一个主要的研究方法。牵引变电站直流1500V馈出电缆一般是5根电缆为一组并联运行,给地铁机车供电。理论上讲,并联在一起的5根电缆中有1根发生放电,其它电缆上也会有相应的放电信号出现。对5根电缆的同步信号采集除可以确认信号的真实性外,另外还可以通过差分等方法来消除环境噪声,提高信噪比。一般—个牵引变电站有4组电缆,因此,采集系统设计成能对最多20个通道放电信号实现同步采集。1地铁电缆放电信号采集系统的设计1.1地铁直流电缆放电信号的特征图1所示为试验室观测得到的直流电缆放电信号波形。该信号在输入到示波器之前进行了25倍的放大。由图可知,放电信号的频谱在4MHz左右,电压幅值大约为±20mV。

1.2放电检测传感器的特性为缩小传感器尺寸,放电检测传感器以高磁导率的超微晶磁性材料作为磁芯,在圆形磁心上均匀绕制高强度漆包线,构成典型的罗戈夫斯基线圈型电流传感器。传感器的内径大小设计成与地铁电缆外护套尺寸相当,保证很好的磁耦合;传感器线圈是套在电缆外护套上的,因此测量装置与1500V直流电在电气上是绝缘的,为非接触式测量。超微晶磁性材料具有高磁导率、低损耗、矫顽力小、高饱和磁感应、高稳定性等特点;由此设计的传感器具有高带宽、带内幅值增益平坦等特性,能有效地检测出电缆火花放电产生的微弱高频信号。传感器线圈的输出信号幅值在20mV以内,必需进行前置放大再传输。放电检测传感器对频率为1~9MHz之间的信号具有良好的传输特性。但从现场运行数据分析,现场存在较强的、频率在0.6~1.5MHz之间的周期性窄带干扰,必需在传感器信号放大之前将其滤除,否则会导致信号饱和。放电信号频率在4MHz左右(见图2),因此,前置放大滤波器的设计目标为中心频率4MHz,频带宽度4MHz,即通频带为2~6MHz,放大倍数设计为64倍。

综合考虑前置放大器放大倍数和滤波的要求将放大器设计为三级,即放大———滤波———放大其中第一、其次级放大器的放大倍数都为8倍,这样两级放大器可以使用一致的运算放大器AD8042AD8042为带宽160MHz的满电源输入、输出运算放大器。滤波器为四阶巴特沃斯型高通滤波器。为进一步减小环境噪声和其它干扰对传感器信号的影响,将传感器线圈和前置放大滤