在 线 监 测 交联电缆绝缘在线监测微小信号测量Measurement of Micro-Signal for the On-line Insulation Diagnosis of XLPE Cables上海交通大学(200030) 江秀臣 李 锋 傅正财摘 要 交联电缆绝缘状况的在线监测国内外有很多研究, 其中直流分量法和叠加法是比较 简单有效的方法。此两种方法的有效性依赖于如何准确从很高的工频交流信号和其它干扰信号中测量微弱信号, 如纳安级的直流电流和微伏级直流电压, 本文讨论了实现此测量的电路。Abstract T here are many studies about on- line insulation diag nosis of XLPE cables. Among these diag-nosis methods,DC partial current and DC superimposition methods are more effective,whose reliability dependon measuring the micro- signals, such as nA and nV, with very high 50Hz signal and other kinds of interferes.In this paper,some measuring circuits are described. 关键词 交联电缆 直流分量法 直流叠加法 测量电路Key wordsXLPE cable DC partial current DC superimposition measuring circuit1 概 述交联电缆因绝缘性能好、 易于加工和安装方便正逐渐替代油浸纸绝缘电缆, 在国内外越来越广 泛地得到应用。象其它任何固体绝缘介质一样, 充当绝缘材料的交联聚乙烯在运行中会老化, 逐渐丧失绝缘性能, 发生运行事故。因此研究合适的交联电缆在线监测技术, 及时对电缆进行合理的维 护、 检修及更换, 保证运行的可靠性具有重要的意义。交联电缆的在线监测方法国外特别是日本有很多研究, 开发了一些诊断设备, 提出了电缆老化 程度的判据。然而, 国内则还处于起步阶段。 在线监测方法虽然有直流分量法、 直流重叠法、 tg?法、低频法 4 种1, 但其有效性依赖对微小直流电流、 电压( nA、 ?V 数量级) 的测量准确度。纯粹精确测 量此直流电流( 压)并不困难, 但对于运行中电缆, 各种干扰信号都很强, 工频信号可达几十 V, 在这种条件下, 要测量如此微小的信号是很困难的, 这是制约交联电缆在线监测迅速发展的主要因素。 为此, 本文着重讨论此类微小信号测量电路和研制交联电缆在线监测仪应注意的问题。2 测量电路直流分量法和重叠法直接取样的信号为nA级直流电流, 需转化为电压信号才能用电路处理。通常断开接地线, 在外皮和大地间接一电阻取样电压信号。该电阻须小于外皮和地之间电阻的 1. 0% , 对测量产生的影响才小。由于某些国产电缆外皮与地之间电阻仅为几M , 因此, 取样电阻取1000 左右。 电桥法则用几个电阻和调节平衡的电压源通过电压表测量, 最终计算出电缆绝缘电阻 值。图 1无源低通滤波器2. 1 无源低通滤波器 如图 1 所示的无源低通滤波器由C1、C2、L1、C3椭圆低通滤波器和 C3、 L2、 C4巴特沃斯( 参数不同构成切比雪夫)低通滤波器组 成。图中C1、C3、C4取 20?F,L1、L2取 10h左右,R2取R1与L1、L2内阻之和。电容用数值稳定、 电阻大、 介损小的CBB 电容。选用无 源滤波器虽不如由运放构成的有源滤波器滤波效果好, 但可避免运放的零漂、 偏置电压、 失调电流等造成的误差。 特别是干扰信号较大时会影响运放的性能, 严重时34Dec. 1996 HIGH VOLTAGE ENGINEERING Vol. 22No. 4造成阻塞, 无法正常工作。 2. 2 主放大电路信号经无源滤波器后, 只有所需的直流信号( ? V 级)和工频干扰信号(mV 级)。经主放大电路 把有用信号放大到V级以进行各种处理, 干扰信号衰减到? V级。选择Harres公司的ICL7650 作前两级放大器件, 7650 斩波稳零运算放大器为第四代运放, 接近理想放大器的特性, 其内部电路分 两阶段工作, 即: 误差寄存及动态校零和输入信号放大, 可使系统几乎不存在失调和漂移。 由于所测信号微弱, 应尽量选用最少的元件以避免引线过多引起干扰。前两级采用最简单的一阶低通滤波 器, 后两级采用精密运放 OP07完成系统调零、 放大倍数调整、 量程切换功能。放大器输入阻抗 1. 0k , 放大器的放大倍数为 100000。对 1nA 的电流输入, 电压为 1. 0?V, 放 大后信号为 0. 1V, 显示 1nA; 50nA 为 5V, 显示 50nA; 大于 50nA 自动换量程, 实际值为显示数乘 20。 放大器前两级放大倍数可分别取 100、 50倍左右, 反馈电阻取 510k , 滤波电容为 1?F 高绝缘电 阻、 低介质损耗的聚丙烯电容。此两级对直流放大约 5000倍, 对 50Hz 交流衰减大于 80dB。加上后 两级放大及自动量程切换, 模拟测量此电路在输入信号 1nA1000nA 范围内呈线性度, 误差为 5% 。大于 1000nA 放大电路逐渐趋向饱和, 线性变差。由于电流很大, 可认为电缆老化需检修或更 换。小于 1nA, 运放的失调、 偏置和元件的热噪声影响变大, 影响线性度, 但如此微弱的电流说明电 缆绝缘良好, 数值不准不影响判断。一般情况下, 电缆不同, 老化的电流判据不同, 可根据实际电缆 适当调整放大倍数以满足不同的测量范围。 2. 3 电桥法电路 电桥法能较准确测量很大的电缆绝缘电阻, 测量线路如图 2、 3 所示, 图中 Rx为电缆绝缘电阻; Rn为其它线路电阻; R m1、 Rm 2为标准电阻; Rv为可变电阻; Rg为测量输入电阻; Rs为外皮对地电 阻;Es为局部原电池;E1、E2为直流电源;V1为平衡检测电压表;V2为测量电压表。在GPT的中性 点加入DC50V的电压, 通过三相导线加到电缆绝缘层上, 调节E2和Rv使V1表读数为零, 根据电 桥平衡原理可推出:Rx=Rm2(E1-U2) /U2,Rx的测量范围很大, 当Rx很大时,U2很小, 故对U2的 精度要求较高, 一般准确到 10- 5V。 对标志平衡的检测电压表应准确到?V。 根据图3 电路利用主放 大器构成的 V1、 V2表, 测量试品的绝缘电阻。Rm 2= 53. 5M ; Rm1= 2k ; Rv取 2 标准电阻与 51 电位器并联, 电位器调到U1= 0 的 U2值。 分别测量: 电路板上相距 2. 54mm、 孔径为 0. 8mm、 焊盘直 径为 1. 3mm 的两焊孔间的绝缘电阻; 一段潮湿环氧棒; 标称值为 1200M 的高压电阻。 其测量结果 与实际值吻合。图 2电桥法测量回路图 3电桥直流等值回路3 注意事项由于仪器所处理的信号及其微弱, 使各种工艺处理特别重要, 精度和稳定度要求愈高的场合, 工艺 处理措施愈严格。因此, 在绘制电路板时应注意: a) 前级运放应用进口名牌公司的产品, 电容选用聚丙烯或聚四氟乙烯电容, 电阻用老化过的金属 膜电阻, 阻值不要太大以避免噪声。 b) 元件从前级至后级依次排列, 输入部分元件排列紧凑、 走线短, 避免后级强信号影响前级弱 信号。351996年 12 月 高 电 压 技 术 第 22 卷第 4 期大型发电机在线监测的 自适应数字滤波系统An Adaptive Digital Filter Used for On- line of PD Monitoring in Large Turbine Generator西 安 交 通大 学( 710049) 吴广宁 谢恒 马积勋 西安热工研究院( 710032) 陈志清 利 港 发 电 厂( 214444) 黄志刚摘 要 一种新的自适应滤波器被用于大型汽轮发电机局部放电在线监测数字信号处理。该 滤波器基于递推最小二乘算法( RLS)、 有限冲击响应(FIR)自适应数字滤波器。计算机仿真研究和 现场试验表明, 该滤波器在时域和频域中均有较好的滤波效果, 能有效地抑制局部放电在线监测中 的周期性干扰和随机脉冲干扰, 对大型汽轮发电机及其它电力设备局部放电在线监测具有重要意 义。 Abstract A new adaptive digital filter system has been designed to suppress interference and to extract the undistorted PD pulse for on- line monitoring of large turbine generators. T he digital filter is based on implemen- tation of adaptive Recursive- Least- Squares ( RLS) algorithm. It can process the signal both in time domain and frequency domain. Various kinds of interference can be suppressed successfully . The adaptive digital filter is promising in alleviating the interference problem in on- line PD monitoring for large turbine generator and other equipment. 关键词 局部放电 在线监测 大型发电机 自适应滤波器 RLS 算法 key wrods partial discharg e on- line monitoring large generator adaptive filter RLSalgorithm1 引 言在大型汽轮发电机局部放电在线监测中, 抑制干扰是急待解决的问题之一。 一种常见的干扰是 由于无线电发射引起的周期性噪声干扰。 另一种则是由于电力电子器件、 电网开关非正常操作和雷? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?c) 输入端应用地线环形包围起来, 特别注意 7650 的正负电源线应尽量远离输入端, 并用地线 与输入端隔离。采用大面积接地技术减少泄漏干扰。 d) 由于电路板阻抗有限, 电源或其它强信号通过电路板有限的阻抗产生干扰, 放大器第一级 的输入最好用专制的聚四氟乙烯绝缘子架空。 e) 电路板调试好后, 酒精清洗、 烘干后再涂一层环氧树脂或硅橡胶。4 结 论a) 滤波器应由无源滤波和有源滤波两部分组成。电路能否达到要求主要取决于元件参数选择 和各种工艺处理。 b) 本文设计的电路可从高干扰信号中测量出微弱的直流信号。参 考 文 献1 谈克雄等. 交联聚乙烯电缆绝缘的在线诊断技术. 高电压技术, 1993, 19( 3) : 71 ( 收稿日期 1996 05 07)江秀臣 1965 年1 月生。硕士, 讲师, 从事绝缘在线监测及控制自动化的研究开发工作。电话: 62812368。36Dec. 1996 HIGH VOLTAGE ENGINEERING Vol. 22No. 4