地鐵電纜放電信號采集系統(tǒng)的設(shè)計

地鐵電纜放電信號采集系統(tǒng)的設(shè)計

李立學(xué)江秀臣曾奕達(dá)世鵬竇同江沈堅強摘要牽引變電站直流1500V饋出電纜是地鐵供電的重要部件。局部放電或火花放電是造成該電纜絕緣老化的主要原因。在分析地鐵直流電纜放電信號特征的基礎(chǔ)上，筒述了所設(shè)計的放電檢測傳感器的特性，設(shè)計了對多根地鐵直流電纜放電信號采集的系統(tǒng)，并巳付之實施。關(guān)鍵詞地鐵，電纜放電，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

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(dāng)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(shè)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(guān)，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(jī)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(yīng)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(rèn)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(shè)計成能對最多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(shè)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(jìn)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(dǎo)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(gòu)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(shè)計成與地鐵電纜外護(hù)套尺寸相當(dāng)，保證很好的磁耦合;傳感器線圈是套在電纜外護(hù)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(dǎo)率、低損耗、矯頑力小、高飽和磁感應(yīng)、高穩(wěn)定性等特點;由此設(shè)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(jìn)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(dǎo)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(shè)計目標(biāo)為中心頻率4MHz，頻帶寬度4MHz，即通頻帶為2~6MHz，放大倍數(shù)設(shè)計為64倍。1.4多通道同步數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計

最多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(gòu)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(shè)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(shè)定在7.5MHz;模/數(shù)轉(zhuǎn)換芯片采用AD公司的12bit、最高轉(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時最多可以實現(xiàn)20ms的連續(xù)采樣。

如圖4所示，用一片CPLD(復(fù)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(yīng)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(shè)定閥值便自動開始采樣，直到設(shè)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(jié)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(yù)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(jìn)行分析研究。在預(yù)采樣模式下，A/D一直以設(shè)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(dāng)觸發(fā)條件出現(xiàn)后，CPLD控制A/D繼續(xù)采樣“采樣長度—預(yù)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(yù)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)采集的完全同步，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，要求精確調(diào)整放大器和濾波器的參數(shù)以達(dá)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?dāng)_，設(shè)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(jié)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(shè)計了用于檢測