電纜故障源有效沖擊放電信號測量電路設(shè)計(jì)

地埋電力電纜以其安全、可靠、城市美觀等優(yōu)點(diǎn)，在工礦企業(yè)、港口、鐵路、機(jī)場、國防工程及城市供配電等部門的應(yīng)用已十分廣泛。由于長期深埋地下或者地下排水管道中，地理環(huán)境復(fù)雜，大量的城市改造等原因，造成電力電纜出現(xiàn)故障，出現(xiàn)區(qū)域性供電中斷，造成大量經(jīng)濟(jì)損失。有效、快速而準(zhǔn)確地測試、診斷和定位電力電纜故障，能確保電力電纜供配電系統(tǒng)，尤其是地埋電力電纜供配電系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行。
目前，工程中電纜故障診斷包括：故障性質(zhì)和類型診斷、初步探測或粗測(pre-location)以及精確定位或精測(pinpoint)。如何在電纜敷設(shè)環(huán)境復(fù)雜、電磁干擾和噪聲干擾嚴(yán)重條件下，當(dāng)電纜故障源發(fā)生有效沖擊放電時(shí)，對產(chǎn)生的信號進(jìn)行分析、處理，成為快速精確定位的關(guān)鍵。本文設(shè)計(jì)了故障源放電信號測量電路，實(shí)現(xiàn)對信號的精確測量。
1 故障源有效沖擊放電
電纜故障精確定位的首要問題是故障點(diǎn)的有效沖擊放電，釋放出故障定位所需的所有聲波和電磁波信息。實(shí)際地埋電纜故障源發(fā)生有效沖擊放電釋放出多種信息。包含聲波信號、電磁波信號，故障周圍電磁場變化，特殊環(huán)境下還會有臭氧的產(chǎn)生，電纜受潮絕緣損壞時(shí)還會有特殊化學(xué)信號產(chǎn)生。電纜發(fā)生相間斷路或短路故障時(shí)，將沖擊能控信號發(fā)生器加在故障電纜上，注入高能脈沖信號，使得電纜故障的兩相之間的空氣擊穿，釋放電能。有效擊穿的瞬間，高能信號源的脈沖能量達(dá)到400 J左右，會在故障點(diǎn)的不同方位釋放出的“啪、啪”放電聲和電磁波信號，形成電纜故障點(diǎn)的多模式信號。
2 聲傳感器的選擇與工作原理
有效沖擊放電時(shí)，故障點(diǎn)周圍的空氣被擊穿，故障源周圍介質(zhì)發(fā)生振動，聲音會以聲波的形式通過介質(zhì)向周圍輻射傳播。壓電陶瓷材料具有壓電效應(yīng)的特性。由壓電陶瓷材料制作成的壓電陶瓷片能靈敏接收介質(zhì)中傳來的放電聲信號，使得壓電陶瓷片兩極機(jī)械振動，把放電聲信號轉(zhuǎn)變成電信號。
　將壓電陶瓷片固定在一個半球形的金屬隔音器中，壓電陶瓷片位于球心處，聲波進(jìn)入隔音器中，通過聲波反射匯聚在位于球心的焦點(diǎn)，會增強(qiáng)聲音的強(qiáng)度，增加壓電陶瓷片兩極的形變，獲得更強(qiáng)的電信號，利于后級測量電路對信號進(jìn)行調(diào)理。通過大量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，壓電陶瓷片選擇中心頻率為2.5 kHz時(shí)，接收到的信號最佳。傳感器聲波反射工作原理如圖1所示。

3.1 前置放大電路
用場效應(yīng)管做測量電路放大器的輸入級是設(shè)計(jì)高輸入阻抗放大器的最簡單方案，但是必須用高阻值的電阻做偏置電路，但是高阻值的電阻無論是穩(wěn)定性或者噪聲方面，都會給放大器帶來不利和影響[2]。由線性集成電路構(gòu)成的自舉反饋高輸入阻抗放大器是一個很好的選擇。具體電路如圖3所示。

微弱信號放大和檢測電路要求精密、溫漂小，噪聲干擾低，則應(yīng)選擇高精度、低溫漂、低噪聲的集成電路[4]。電路中采用ADI公司的OP-27型號運(yùn)算放大器，該運(yùn)算放大器的特點(diǎn)就是低溫漂、低噪聲、高精度，滿足微弱信號測量電路的要求。電路利用自舉反饋，使得輸入回路的信號主要由運(yùn)算反饋電路流過電阻R4來提供，因此輸入電路向信號源吸取電流就大大降低。利用Pspice仿真軟件對前置放大器電路進(jìn)行仿真，其輸入阻抗非常大，阻值超過了100 ＭΩ，輸出阻抗很小，只有6.9 Ω，實(shí)現(xiàn)增益達(dá)到34 dB。Pspice仿真結(jié)果圖4所示。

運(yùn)用Pspice仿真對設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行仿真，得出帶通濾波器的幅頻特性曲線如圖6所示。

3.3 自動增益控制電路
自動增益控制電路能實(shí)現(xiàn)測量電路的輸出信號的穩(wěn)定，當(dāng)輸入信號變小時(shí)，自動增益電路控制電路的增益變大，提高輸出信號；當(dāng)輸入信號變大時(shí)，自動增益電路控制電路的增益變小，降低輸出信號。電路采用ADI公司的可變增益放大器AD8337來實(shí)現(xiàn)信號的自動增益，能實(shí)現(xiàn)的增益范圍為0 dB~24 dB。AD8337優(yōu)點(diǎn)是低噪聲，單信號輸入輸出，增益控制電壓與實(shí)現(xiàn)的增益具有線性關(guān)系，通過直流耦合控制可變增益放大，帶寬達(dá)到100 MHz,對于實(shí)現(xiàn)電纜故障源放電信號的自動增益具有快速、精確、輸出噪聲低。AD8337由一個6 dB增益的前置放大器、一個-24 dB的梯形衰減網(wǎng)絡(luò)和一個18 dB增益的后置放大器組成。增益控制端輸入的直流電壓通過增益控制器控制梯形網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)增益的線性控制，其增益控制電壓范圍為-0.7 V~0.7 V。增益控制電壓與增益關(guān)系圖如圖7所示。

電路中AD8337的信號輸出端接在INPUT端口，OUTPUT接在增益控制端口,通過Pspice仿真觀察當(dāng)信號在1 V和2 V時(shí)自動增益控制電壓的變化，其仿真結(jié)果如圖10所示。

從仿真結(jié)果圖可以看出，該電路可以很好地實(shí)現(xiàn)增益電壓輸出，在-0.7 V~0.7 V的控制電壓之間，AD8337的增益成線性變換。當(dāng)輸入信號過小時(shí)，增益控制電壓往0.7 V方向增大，AD8337的增益變大，使得輸出信號增大；當(dāng)輸入信號過大時(shí)，增益控制電壓往-0.7 V方向減小，AD8337的增益減小，使輸出信號減小。
4 電路參數(shù)的調(diào)整與分析
在測量電路的前置放大電路中，R4和R5要選用精度高的電阻，當(dāng)它們的電阻值相差不大時(shí)，前置放大電路可以獲得極高的輸入阻抗。為了降低電路的噪聲，前置放大電路選用的電阻需要噪聲系數(shù)小和溫度系數(shù)小的精密電阻。自動增益控制電路中的電容C6如果取值太大則會使響應(yīng)時(shí)間太長，如果電容值太小，則會使最后的增益控制電壓的紋波很大，帶入噪聲。所以在增益控制電壓的輸入端還要加上10 μF和0.01 ?滋F的旁路電容，去掉控制電壓的紋波。C6應(yīng)選擇低漏電流和低介質(zhì)吸收的電容，這些包括聚苯乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯等型號[5]。
本文通過設(shè)計(jì)具有高輸入阻抗，低噪聲的電纜故障源放電信號測量電路，實(shí)現(xiàn)信號的自動增益控制，利于后級對放電信號的處理。測量電路運(yùn)用在電纜故障定位系統(tǒng)中，能有效地抗干擾，高增益、穩(wěn)定、精確測量故障源有效沖擊放電發(fā)出的信號。
參考文獻(xiàn)
[1] 高晉占.微弱信號檢測[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2004:93-96.
[2] 呂俊芳，錢政，袁梅.傳感器調(diào)理電路設(shè)計(jì)理論及應(yīng)用[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2010：58-69.
[3] WILLIAMS A B，TAYLOR F J. 電子濾波器設(shè)計(jì)[M].寧彥卿,姚金科，譯.北京：科學(xué)出版社，2008:145-155.
[4] 孫肖子，張企明. 模擬電子電路及技術(shù)基礎(chǔ)[M]. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2008:48-51.
[5] 賽爾吉?dú)W·弗朗哥. 基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)[M]. 劉樹棠,朱茂林，譯. 西安：西安交通大學(xué)出版社，2009:375-380.
[6] 曹念偉，黃成軍，郭燦新，等.基于AD8337的自動增益調(diào)節(jié)電路的設(shè)計(jì)[J]. 微計(jì)算機(jī)信息，2008(35).