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摘要：局部放電相位統計法是當前廣泛應用的局部放電檢測與分析方法，二維和三維圖譜分析的關鍵參數之一是局放脈沖所對應的相位信息。本文提出一種局放脈沖的工頻相位檢測電路，適用于外觸發局部放電便攜式帶電檢測設備和在線監測設備，并對電路進行了仿真模擬和試驗驗證。

關鍵詞：局部放電；相位檢測；鎖相環；計數器；濾波用

不同的檢測方法可以得到不同的局部放電特征［1－4］。如今用于分析和評估局部放電的兩種最常用的檢測方法是基于相位分辨數據的統計檢測法［5－6］和基于時間分辨數據的波形檢測法［7－8］。當今大部分商業應用的PD檢測器均采用相位分辨檢測方法，也稱相位統計法。局部放電相位統計檢測與識別方法需要事先獲得局部放電脈沖所對應的工頻電源的具體相位，每個局部放電脈沖總是發生于工頻正弦波的某一個相位窗口，該相位窗口在局部放電測量過程中需要通過一定技術或手段獲得。局部放電測量設備中局放脈沖相位的獲得通常有兩種方法，即內觸發和外觸發。內觸發通常用于手持式帶電檢測設備，一般由于電池供電而沒有連接外接電源，而無法采用外觸發。外觸發用于便攜式測量設備以及在線監測設備，一般連接有低壓工頻電源，從而可利用該正弦電源。內觸發是為了相位統計法的需要而不得已采用的方法，一般通過軟件實現，獲得的相位值也不是真正的局放脈沖所對應相位值，但從統計概率角度來說可以幫助實現統計分析。外觸發所獲得的相位值要真實許多，一般通過硬件電路來實現。本文針對局部放電測量中局部放電脈沖所對應的相位提出一種外觸發檢測電路，集成到局部放電測量設備的硬件中，在通過設備檢測到局部放電脈沖幅值和個數的同時，也檢測到該脈沖所對應的工頻電源相位值。該檢測電路通過整形把工頻波形轉換為矩形脈沖波形，并通過鎖相環技術和脈沖計數技術實現要求精度的最小相位窗，從而提高了相位值獲取的精度。

1相位測量系統架構及功能研究

工頻相位檢測電路包括依次連接的電源電壓分壓、二階低通濾波器、波形整形與轉換、鎖相環、倍頻器、單穩態觸發器以及二進制計數器等模塊，如圖1所示。首先設計一種電壓變換器將工頻電源電壓降壓為低電壓信號，用于后續的信號輸入。再設計一款低通濾波電路消除高頻干擾，截止頻率為300Hz，然后對信號進行整形與轉換，即利用一個比較器（或者一般的放大器的開環應用）對輸入的正弦信號進行整形，將其轉化為方波信號。接下來對信號進行一個鎖相倍頻的過程，即將一個頻率為f1的輸入信號，倍頻N倍后，使得鎖相環的輸出頻率f0＝N•f1。例如N＝3600，則對應的輸入信號相位為0．1°。最后再利用二進制計數器對倍頻器的輸出進行計數（可以利用其復位端控制實現計數器與正弦輸入信號正向過零點的同步，該復位信號來自于基波信號整形后的上升沿啟動的單穩態脈沖）。對局部放電脈沖所對應的計數值進行處理就可以得到相位值。1．1LM358有源濾波器由于電源電壓信號中不可避免串入有高頻干擾信號，而局放脈沖對應相位的獲取需要盡可能沒有受干擾污染的工頻信號，因此有必要在工頻信號輸入處設計濾波器抑制甚至消除高頻干擾。有源二階低通Butterworth濾波器原理如圖2所示，其中放大器芯片采用LM358。該濾波器的通帶增益為k＝1＋R1／R2，品質因素為Q＝1／（3－k），按照3dB衰減，濾波器的截止頻率為f＝1／2πRC。圖2基于LM358的二階低通濾波器原理Fig．2TheprincipleofsecondorderlowpassfilterbasedonLM3581．

2基于LM339比較器的整形轉換電路

波形整形與轉換電路將正弦交流信號整形為規則的方波信號，用于積分電路的控制，利用后續的積分電路將相位信息轉換為連續的模擬電壓，以供后續電路的采樣和處理，為了避免后續電路對積分電路的影響，配備緩沖電路。本文采用LM339比較器得到雙極性電壓然后經積分電路得到積分電壓波形。LM339集成塊內部裝有四個獨立的電壓比較器，類似于增益不可調的運算放大器，芯片管腳分布如圖3所示。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。圖3LM339比較器管腳圖Fig．3PinningdiagramofLM339Comparator1．3基于74HC4046和74HC4040的鎖相倍頻電路鎖相倍頻電路用于將整形與轉換電路輸出的頻率為f1的輸入信號，倍頻N倍，使得鎖相環的輸出頻率為Nf1，用于后續計算器電路的輸入。鎖相倍頻電路由鎖相環芯片74HC4046、二進制累加計數器／分頻器74HC4040以及低通濾波器組成，如圖4所示。經過整形轉換電路后的50Hz方波信號作為鎖相倍頻電路的輸入信號進入鎖相環芯片，內部壓控振蕩器輸出輸入到累加計數器進行倍頻，倍頻信號反過來進入到鎖相環的比較器輸入端，內部相位比較器對兩個信號比較后輸出，并經過低通濾波器濾除高頻噪聲，形成一個閉環控制系統。不斷地調節，使輸出信號頻率為輸入信號頻率的256倍，并且使輸入信號與比較信號的頻差為零。4基于74HC123和74HC4040的計數器電路計數器電路利用二進制計數器對倍頻器的輸出進行計數，對脈沖的計數值進行處理即可得到相位值。本文采用74HC4040二進制計數器，利用其復位端控制實現計數器與正弦輸入信號正向過零點的同步。復位信號來自于基波信號整形后的上升沿啟動的單穩態脈沖，利用單穩態觸發器74HC123實現。2相位測量電路仿真模擬低通濾波器的功能為抑制高頻噪聲及高頻干擾，設計的低通濾波器幅頻特性和相頻特性如圖5所示，截止頻率為132．6Hz。設計的波形整形與轉換電路實現電源正弦波到方波的轉換，其原理本質上為正弦信號過零檢測器，正向過零時對應方波信號的下降沿，反相過零時對應方波信號的上升沿。正弦輸入和方波輸出波形如圖6所示。鎖相倍頻與計數部分電路實現功能如圖7所示，仿真波形從上往下依次對應示波器的通道A、B、C和D。其中，通道A為50Hz方波（占空比為0．5）信號；通道B為經過單穩態觸發器后整形成為上升沿檢測周期觸發脈沖（對應正弦波信號的負向過零點），用來對計數器復位；通道C為計數器的輸入信號；通道D為計數器失效參考信號。從信號B和C可看出，在單穩態的一個周期內計數器可計數10個脈沖。另外，由于單穩態的輸出脈沖具有很小的占空比，計數器失效的時間非常短，而且正脈沖寬度小于計數器信號的脈沖寬度，故不影響計數。

3相位測量電路試驗測試

研制相位測量電路并進行試驗測試，正弦波轉方波再轉鋸齒波的測試波形如圖8所示，計數器復位觸發脈沖波形如圖9所示。通過測量鋸齒波信號的采樣值也可以計算出相位信息，正弦波信號在0～180°變化時，鋸齒波信號從Vmin到Vmax線性遞增；正弦波信號在180°～360°變化時，鋸齒波信號從Vmax到Vmin線性遞減。

4結語

結果表明，本文所設計的檢測電路通過將工頻正弦波信號轉換成方波甚至鋸齒波，設計鎖相倍頻電路和計數器電路，通過計數器對倍頻脈沖信號計數的方法能夠準確地對局部放電相位信息進行檢測。

作者:鄭能 單位:重慶大唐國際武隆水電開發有限公司