摘 要

本文主要分析了局部放电信号采集系统，该系统包括传感器、调理电路和采集板等部分，其中调理电路为本次设计的主要任务。文中针对10kV电力电缆局部放电故障的特点，设计并制作了用于检测局部放电故障中产生的1MHz-20MHz脉冲电流信号采集系统的前端调理电路。该调理电路包括前级信号放大电路、带通滤波电路、ADC驱动电路和电源电路，文中分别对各部分进行了相关参数分析、计算和选择，并最终制作实物电路。在实验室现有条件下对调理电路各模块分别进行了测试，从所得测试数据可以看出各部分均能基本满足采集要求。最后结合实验室现有采集板，对调理电路进行了联合测试。由于没有实际局放测试环境，决定采用实验室现有DA板生成类似局放信号的脉冲信号。通过对这种模拟波形的采集结果分析，可看出调理电路整体性能基本能够满足本次毕设的采集要求。

关键词：电缆； 局部放电； 调理电路； 采集板

Abstract

This paper mainly analyzes the partial discharge signal acquisition system, which includes a sensor , a conditioning circuit and an acquisition board . Wherein the main task of the design is making a conditioning circuit. Based on the characteristics of fault of the 10 kV cable PD, an aconditioning circuit was designed and made for detecting current pulse signal of 1MHz to 20MHz which is result from PD . The conditioning circuit mainly includes a pre-amplifier, a band-pass filter circuit, an ADC driving circuit and a power supply circuit.And in this paper, the relevant parameters of each part are analyzed, calculated ,selected and ultimately made an actual circuit. Under the existing conditions, each part of circuit was tested and the test data shown that every part meet the demands basically. Finally, the conditioning circuit was tested combined with an existing acquisition board of lab. Since there is no actual test environment, the PD singal should be generated from an existing DAC board. Through analyzing the results of collecting simulation waveforms, it can be seen that the overall performance of the conditioning circuit can basically meet the requirements .

Keywords:cable; PD; aconditioning circuit; acquisition board

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 论文的主要工作 4

第2章 电缆中局部放电分析与整体方案制定 5

2.1 局部放电产生原理 5

2.2 电缆中局部放电电流脉冲信号特点 5

2.3 采集电缆中局部放电信号的方案制定 6

2.4 电流传感器 7

2.4.1 电流传感器简介 7

2.4.2 罗氏线圈电流传感器简要分析 7

2.5 本章小结 10

第3章 调理电路分析与设计 11

3.1 前级小信号放大电路 11

3.2 带通滤波电路分析与设计 14

3.3 差分ADC驱动电路设计与分析 17

3.4 调理部分电源分析与设计 22

3.5 本章总结 25

第4章 数据采集板分析与程序设计 26

4.1 模数转换器电路分析 26

4.2 FPGA主控芯片 28

4.3 采集板程序设计 29

4.3.1 AD9643数据处理程序设计 29

4.3.2 ADF4351驱动程序设计 30

4.4 本章小结 31

第5章 数据分析 32

5.1 模拟局放信号分析与产生 32

5.2 调理电路各模块实际测试数据分析 34

5.2.1 前级小信号放大电路测试与分析 34

5.2.2 带通滤波电路测试与分析 37

5.2.3 ADC驱动电路测试与分析 40

5.2.4 调理电路整体测试与分析 42

5.3 采集板测试与分析 45

5.3.1 ADF4351锁相环测试与分析 45

5.3.2 采集板整体测试与分析 46

5.4 采集系统整体测试与分析 47

5.5 本章小结 48

第6章 总结与展望 49

6.1 本文总结 49

6.2 展望 49

参考文献 50

附录A 51

附录B 53

附录C 54

致 谢 55

第1章 绪论

课题研究的背景及意义

随着现代城市越来越大，人口越来越多，大中型建筑也逐渐增多，这些大中型建筑较多使用中等电压等级的电力电缆供电，一旦这些电缆出现故障，将使较多人的生活和工作受到影响。而局部放电是这些故障中很常见的一种，因此确保电力电缆正常运行，免受局部放电的危害对日常生产与生活具有重要意义。

由于电力电缆常埋于地下、水中，长期运行容易受到这些地方的温度及湿度的影响^[1][2]，从而导致电缆的损坏。除此之外，在生产过程也会使电缆存在一些缺陷，如电缆各层中会或多或少混进一些气泡，这些气泡在电场强度达到一定值时极易引发局部放电。并且在安装过程中会造成不同程度的损坏，尤其是中间接头和电缆附件部分较易存在缺陷，在一定条件下将发生局部放电。近些年来电力电缆不断出现电缆本体或者附件的击穿事故，对电网造成巨大的威胁。如在2013年6月份高压电力电缆发生局部放电故障造成上海停电事故，致使全市大面积停电。电力电缆的大面积损坏很容易被检修人员发现并及时解决，而电缆局部放电初期现象不明显，很容易被检修人员忽略，因此局部放电的研究意义重大^[1]。

为了使电缆长期安全运行，就必须定期对电缆进行定期故障检查。其中就包括电缆局部放电的在线检测。检测局部放电的方法很多，但是无论哪一种都必须用到调理电路来获得准确的局部放电信号，才能通过更先进的算法对获得的信号进行处理，从而正确判断电缆的安全与否。因此，制作一个稳定工作且能完整保存局部放电信号信息的调理采集电路是对电力电缆局部放电检测的一个首要且必要的环节。

国内外研究现状

局部放电的危害不可忽视，因此对电力设备的在线检测一直都是具有重大意义和应用前景的课题。这对于提高电力系统的安全性以及可运行性有着很大的作用。国外对局放检测的研究开始于上世纪六十年代，但是直到七八十年代，随着计算机、光纤传感等高新技术的发展，在线检测才算真正得到快速发展^[1]。国内也早在上世纪就认识到在线检测技术的重要性，提出过很多在线实验的方法，但是由于当时技术薄弱，操作复杂，检测结果十分不理想，分散性大，因此没有得到大范围推广。到了八十年代，随着引进高新技术，我国的在线检测技术得到了快速发展。但是至今为止，无论是国内还是国外，都由于该项实验的难度较大而未得到较成熟的方案，仍处于研发阶段。目前国际上检测局部放电信号的方法主要可分为如下几种：