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  沈坚强

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很多研究,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情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,理论上仍然是可行的,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所示为实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,电压幅值大概为±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,必须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,必须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、第二级放大器的放大倍数都为8倍,这样两级放大器可以使用相同的运算放大器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波器封装在同一个金属屏蔽盒内(为表述方便,称其为放电检测传感器),通过屏蔽电缆实现传感器、放大器的供电和信号传输。图2为实测的放电检测传感器的频幅特性。

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