林韜，鄭昕

(福州大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院，福州 350116)

0 引 言

在現(xiàn)代社會(huì)，低壓配電線路扮演著十分重要的角色，直接影響著日常生活用電與工業(yè)生產(chǎn)用電。電力電纜技術(shù)的迅猛發(fā)展導(dǎo)致用電環(huán)境變得更加復(fù)雜，所以電力線纜的錯(cuò)接與損傷排查變得更加的重要。傳統(tǒng)的線纜排查方式都需要檢測(cè)設(shè)備直接與線纜接觸，通過測(cè)量線纜的電氣特性完成線路的排查。這種測(cè)量方式雖然直接，但是對(duì)線路的結(jié)構(gòu)參數(shù)有一定影響，改變了電路的傳輸特性。同時(shí)傳統(tǒng)的線路串線需要通過跳負(fù)荷開關(guān)和增加負(fù)荷的方式來完成、斷線檢查需要將電表直接與火線接觸才能完成檢測(cè)并且無法檢測(cè)墻內(nèi)和地里的線路。因此傳統(tǒng)的排查方式不僅操作繁瑣同時(shí)存在一定的安全隱患，而且在某些安裝條件受限的場合還會(huì)出現(xiàn)排查困難的情況。

為了克服傳統(tǒng)線纜排查的一系列缺點(diǎn)，希望提出一種非接觸的線纜排查方案，針對(duì)高壓輸電系統(tǒng)武漢大學(xué)提出一種非接觸式的電壓傳感器，使用靜電耦合原理，在高壓傳輸線路下方感應(yīng)出電壓后通過電壓轉(zhuǎn)換矩陣測(cè)量出電壓值[1]。隨后中國科學(xué)院研制了一種用于測(cè)量物體表面電勢(shì)的微型靜電壓傳感器?？梢詸z測(cè)出一定范圍內(nèi)物體表面的電荷衰減及電勢(shì)變化[2]。近年來重慶大學(xué)基于電場耦合原理對(duì)傳統(tǒng)高壓系統(tǒng)的電壓互感器進(jìn)行優(yōu)化，提出一種高壓系統(tǒng)電力設(shè)備電壓檢測(cè)新技術(shù)[3]?，F(xiàn)有研究成果主要應(yīng)用于高壓系統(tǒng)，而將非接觸測(cè)量方法應(yīng)用在低壓配電系統(tǒng)特別是電纜排查領(lǐng)域的研究鳳毛麟角。本文主要針對(duì)低壓配電系統(tǒng)電纜錯(cuò)接和探損的非接觸檢測(cè)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)結(jié)合國外暫態(tài)電位測(cè)量和電容耦合的非接觸電壓測(cè)量等研究[4-6]，提出了一種基于非接觸測(cè)量的排查方案并設(shè)計(jì)了樣機(jī)，完成了對(duì)單根線纜帶載和空載條件下的測(cè)量穩(wěn)定性和線性度以及實(shí)用性的實(shí)驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明可將該非接觸檢測(cè)裝置用于低壓配電系統(tǒng)的串線、斷線檢測(cè)，為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)化、智能化的線路排查提供了研究方向和實(shí)驗(yàn)方法。

1 非接觸測(cè)量原理

傳統(tǒng)的測(cè)量電壓方法需要與物體直接接觸，通過物體內(nèi)傳導(dǎo)的電流來確定電氣參數(shù)。非接觸式電壓測(cè)量不同于一般測(cè)量方式，其原理是利用電容耦合效應(yīng)在物體表面進(jìn)行電壓測(cè)量[7-8]，測(cè)量原理圖如圖1所示。將設(shè)計(jì)的感應(yīng)電極置于電場中，信號(hào)源與感應(yīng)電極形成耦合電容，耦合電容經(jīng)由測(cè)量系統(tǒng)與地形成一個(gè)分壓電路。

圖1 非接觸式電壓測(cè)量原理

假設(shè)信號(hào)源的電壓US，經(jīng)過圖1分壓結(jié)構(gòu)，在測(cè)量系統(tǒng)輸入端的電壓如下：

(1)

耦合阻抗Zs與輸入阻抗Zin構(gòu)成分壓電路，用Zin由輸入電阻Rin和輸入電容Cin組成，若系統(tǒng)的放大電路部分的倍數(shù)為Av，則測(cè)量系統(tǒng)的輸出為：

(2)

由式(1)、式(2)可得，當(dāng)設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)輸入阻抗很大時(shí)，耦合阻抗相比可不計(jì)，因此測(cè)量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電壓的非接觸式測(cè)量。 由分析原理可知，為了使測(cè)量系統(tǒng)能具有較高的靈敏度，設(shè)計(jì)的電路應(yīng)考慮盡可能的提升系統(tǒng)輸入阻抗，有利于改善測(cè)量的精確度。

2 整體系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的非接觸式線纜測(cè)量系統(tǒng)采用PIC16F877A單片機(jī)作為處理器，通過設(shè)計(jì)的感應(yīng)電極靠近待測(cè)線纜將采集到的信號(hào)以位移電流的形式傳送到系統(tǒng)處理，由于采集到的信號(hào)為微弱電壓信號(hào)，因此采集的信號(hào)首先進(jìn)入信號(hào)放大電路，經(jīng)過放大處理后輸 給后面的電壓提升線路，交流信號(hào)提升后單片機(jī)通過A/D轉(zhuǎn)換程序?qū)⒛M量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，經(jīng)USB轉(zhuǎn)TTL傳輸至PC顯示測(cè)量波形或者單片機(jī)通過顯示模塊進(jìn)行顯示電壓有效值。電源模塊主要為各部分硬件電路正常工作進(jìn)行供電。方案設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 感應(yīng)電極和信號(hào)處理電路

本文設(shè)計(jì)了感應(yīng)電極作為前端傳感器，該電極由直徑3.3 cm圓形銅片作為感應(yīng)層，當(dāng)電極接近待測(cè)線纜表面后，電極與待測(cè)線纜分別作為電容的兩極，從而實(shí)現(xiàn)電容耦合。為了減小輸入信號(hào)的誤差，在電極的周圍又設(shè)計(jì)一個(gè)寬度為0.2 cm的圓銅環(huán)作為有源屏蔽層，圓銅環(huán)與圓銅片屬于同心圓，并且之間通過絕緣連接，有源屏蔽層通過同軸電纜與后面設(shè)計(jì)的信號(hào)放大電路的有源屏蔽結(jié)構(gòu)連接。同時(shí)為了減少外界環(huán)境的干擾，在整個(gè)電極的外部罩著一層金屬殼作為接地屏蔽層。感應(yīng)層與有源屏蔽層通過同軸導(dǎo)線與后面的自舉電路相連接。由于檢測(cè)信號(hào)十分微弱，連接前端感應(yīng)傳感器和信號(hào)處理電路的同軸導(dǎo)線必須帶有屏蔽結(jié)構(gòu)。感應(yīng)電極的實(shí)物圖與PCB設(shè)計(jì)如圖3所示。

因?yàn)樵诰€纜表面測(cè)量到的電壓信號(hào)十分微弱，因此信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)顯得異常重要，需要考慮信號(hào)的放大、系統(tǒng)輸入阻抗的增加以及輸入電容的降低等多方面因素。本文設(shè)計(jì)的信號(hào)處理電路如圖4所示。感應(yīng)電極獲取微弱感應(yīng)信號(hào)通過同軸電纜信號(hào)層送至信號(hào)處理電路，經(jīng)過自舉電路和電壓提升電路得到可以供單片機(jī)采樣的電信號(hào)。為滿足電路設(shè)計(jì)的要求，信號(hào)放大電路中采用了具有高輸入電阻與低輸入電容的運(yùn)算放大器。此類運(yùn)算放大器雖然具有低偏輸入電流的特性，但需要一定的輸入電流才能保證運(yùn)放的穩(wěn)定工作，本測(cè)量系統(tǒng)的前端電極采用非接觸的方式，感應(yīng)電極不與信號(hào)源直接接觸，不能提供運(yùn)算放大器穩(wěn)定工作所需要的輸入電流。

圖4 信號(hào)放大電路原理圖

設(shè)計(jì)自舉電路通過正反饋提高電路的輸入端動(dòng)態(tài)電位，從而提高了電路的等效輸入阻抗。自舉電路是利用自舉電容來改善電路的某些性能指標(biāo)的電路設(shè)計(jì)。常用于提高電路的增益、增大電路的輸入阻抗等方面。采用自舉電路為運(yùn)算放大器提供所需的偏置電路，既可以滿足運(yùn)算放大器穩(wěn)定工作的要求，又不會(huì)對(duì)系統(tǒng)輸入阻抗產(chǎn)生較大的影響。

自舉電路交流通路如圖5所示。

圖5 自舉電路交流通路

電路輸入端的電位通過正反饋可以得到提升，并且因?yàn)檎答伒囊M(jìn)，流經(jīng)R1的電流IR1減弱，若定義U+為運(yùn)算放大器同相輸入端電壓，U-為運(yùn)算放大器反相輸入端電壓，從而可以得出：

(3)

假設(shè)Rin為等效輸入電阻，如圖5虛線所示，并且由圖可知U+即輸入U(xiǎn)i。則可以計(jì)算得到：

(4)

由式(4)可知，系統(tǒng)的等效輸入阻抗Rin與電阻R1有關(guān)。為了提升電路的輸入阻抗，需要增大R1的電阻值，但是增加R1的電阻會(huì)導(dǎo)致運(yùn)放正負(fù)端的電壓不平衡，這樣會(huì)導(dǎo)致等效輸入阻抗的下降，增加R1會(huì)使得系統(tǒng)的熱噪聲影響變大，綜合以上情況考慮，實(shí)驗(yàn)中R1、R2采用2個(gè)阻值為2 MΩ的電阻。

為了降低傳輸線上產(chǎn)生的等效電容，該信號(hào)放大電路還設(shè)計(jì)了有源屏蔽結(jié)構(gòu)，即圖4所示的虛線部分。有源屏蔽結(jié)構(gòu)電路部分為電壓跟隨器，將自舉電路的輸出接到運(yùn)放A2的同相輸入端，運(yùn)放的輸出端接同軸電纜的屏蔽層形成有源屏蔽。由于設(shè)計(jì)自舉輸出電壓與輸入電壓相等，因此傳輸線的信號(hào)層和屏蔽層的電壓信號(hào)相等，所以有效的降低了傳輸線的等效電容，從而使信號(hào)放大電路的輸入電容也減小了，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)靈敏度。

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)電路的有效性，采用PROTUS軟件進(jìn)行仿真調(diào)試。圖6(a)中，選擇一個(gè)有效值為0.35 V(50 Hz)的交流電壓源作為仿真的采樣信號(hào)，仿真結(jié)果表明雖然自舉放大電路選擇了輸入阻抗很大的運(yùn)放，但自舉電路輸出的電壓有效值為0.32 V(50 Hz)，還是有略微的降低。圖6(b)為輸入輸出電壓波形的對(duì)比，A為輸入電壓波形，B為輸出電壓波形。為了減小誤差考慮加入一個(gè)電容抵消電路，該結(jié)構(gòu)可以有效的減小運(yùn)放的輸入電容。電路如圖6(c)所示，經(jīng)過調(diào)節(jié)電位器RV1，輸入電容抵消結(jié)構(gòu)能夠有效降低運(yùn)放的等效輸入電容，增大系統(tǒng)輸入阻抗，使得放大電路的輸入電壓和輸出電壓相同且都為有效值為0.35 V(50 Hz)。從圖6(d)可以看出輸入電壓波形A和輸出電壓波形B基本重合，滿足設(shè)計(jì)預(yù)期的要求。

2.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)和軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的程序流程圖如圖7所示。處理后的模擬電壓信號(hào)輸入PIC16F877A單片機(jī)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換并計(jì)算后送顯示模塊顯示。單片機(jī)的軟件程序編寫包括系統(tǒng)初始化程序、延時(shí)程序、定時(shí)器中斷程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、數(shù)字處理程序、顯示程序、以及串口通信程序7個(gè)部分。實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)傳輸，信號(hào)顯示等功能。

圖6 自舉電路仿真圖及波形

圖7 軟件程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)研究與分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的方案是否可行，本文采用接觸調(diào)壓器提供測(cè)試電壓，使用接觸器線圈作為負(fù)載構(gòu)成實(shí)驗(yàn)線路，分別針對(duì)系統(tǒng)的可靠性、線性度、長距離穩(wěn)定性和線纜探損做了空載和負(fù)載情況下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)原理圖

3.1穩(wěn)定性分析

為了驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在空載與負(fù)載情況下測(cè)量通電導(dǎo)線上不同位置的電壓進(jìn)行對(duì)比分析。將接觸調(diào)壓器引出一條導(dǎo)線通電保持電壓相同，改變感應(yīng)電極與導(dǎo)線的距離，測(cè)量導(dǎo)線上不同點(diǎn)的空間電壓值，表1是空載時(shí)導(dǎo)線上不同點(diǎn)的電壓值，X表示導(dǎo)線上測(cè)量點(diǎn)與電極的距離。

表1 空載時(shí)導(dǎo)線各點(diǎn)電壓

測(cè)量空載導(dǎo)線上各點(diǎn)數(shù)值后，給接觸調(diào)壓器接上接觸器線圈作為負(fù)載，進(jìn)行負(fù)載實(shí)驗(yàn)測(cè)量。測(cè)得的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 負(fù)載時(shí)導(dǎo)線各點(diǎn)電壓

對(duì)比兩表測(cè)量結(jié)果得出，測(cè)量電壓無論在空載情況還是負(fù)載下，25cm范圍內(nèi)的測(cè)量結(jié)果基本保持在一個(gè)確定的平均值附近，說明測(cè)量結(jié)果基本保持穩(wěn)定不變，偶爾會(huì)出現(xiàn)微小的電壓波動(dòng)。所以在同一段導(dǎo)線上不同位置進(jìn)行測(cè)量不會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，具有良好的穩(wěn)定性。

3.2線性度分析

為了驗(yàn)證測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果是否滿足一定線性關(guān)系，通過接觸調(diào)壓器輸出不同電壓時(shí)，選擇導(dǎo)線上固定點(diǎn)測(cè)量。本次測(cè)量依舊分別測(cè)量空載與負(fù)載情況下的參數(shù)。將感應(yīng)電極放置在距離導(dǎo)線大概25 cm處，調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出0～250 V不同的電壓值?？蛰d時(shí)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的電壓值見表3。其中x1表示接觸調(diào)壓器輸出的電壓值，y1表示本文設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的電壓值。

表3 空載時(shí)不同電壓值測(cè)量結(jié)果

將接觸調(diào)壓器與接觸器線圈連接進(jìn)行負(fù)載情況下測(cè)試，由于所采用的接觸器線圈負(fù)載電壓較低，調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出范圍為0～60 V，測(cè)得的數(shù)據(jù)值如表4所示。x2表示接觸調(diào)壓器輸出電壓值，y2表示測(cè)量系統(tǒng)測(cè)得的電壓值。

表4 負(fù)載時(shí)導(dǎo)線各點(diǎn)電壓

通過以上兩個(gè)表格的數(shù)據(jù)可以得出空載和負(fù)載情況下測(cè)量數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖如圖9。

圖9 測(cè)量結(jié)果散點(diǎn)統(tǒng)計(jì)圖

由調(diào)試過程可知，不論是空載還是負(fù)載，當(dāng)電壓出現(xiàn)變化時(shí)，系統(tǒng)測(cè)量的電壓也跟著變化，且變化趨勢(shì)呈線性，但偶爾會(huì)出現(xiàn)波動(dòng)，其原因是由于受到試驗(yàn)環(huán)境中其他電器設(shè)備的干擾導(dǎo)致，可采用兩個(gè)電極構(gòu)成差分輸入的方法進(jìn)行補(bǔ)償[9-10]。

3.3長距離測(cè)量的穩(wěn)定性分析

實(shí)際生活中的待檢測(cè)線路通常比較長，為了滿足實(shí)際檢測(cè)的需求，實(shí)驗(yàn)選取長度為100 m的普通銅導(dǎo)線作為待測(cè)線路，測(cè)試過程用敏感電極測(cè)量信號(hào)源導(dǎo)線線頭和線尾端電壓，分別做了空載情況和負(fù)載情況下的兩組實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果波形如10所示。

圖10 空載和負(fù)載下線纜兩端測(cè)量波形

由測(cè)量波形可以看出線頭部分電壓會(huì)比線尾部分電壓稍大，因?yàn)樾盘?hào)線纜自身存在電阻，線纜距離長的時(shí)候會(huì)有一定的損耗，后續(xù)研究還需要設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償系數(shù)來對(duì)損耗進(jìn)行補(bǔ)償。待測(cè)信號(hào)線的線頭部分電壓會(huì)比線尾部分電壓稍大，相對(duì)于負(fù)載情況的結(jié)果，空載情況下的線頭線尾測(cè)量電壓差別會(huì)比較小。

3.4 線路斷點(diǎn)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

實(shí)際生活中經(jīng)常存在線纜老化、動(dòng)物啃咬或其它因素導(dǎo)致的電纜破損甚至斷裂的情況，需要及時(shí)進(jìn)行線纜的探損和警示。為驗(yàn)證線纜損傷情況下測(cè)量結(jié)果的差異，將圖8實(shí)驗(yàn)中的待測(cè)電纜中間某段沿直徑割開一部分用于模擬線纜的損傷，利用測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行探損實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)選取5 m長的線纜，在2 m處割斷部分導(dǎo)線模擬損傷點(diǎn)，接入線圈負(fù)載進(jìn)行負(fù)載實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了無損線路和損傷線路首末段端信號(hào)，首端電壓一致，末端電壓存在明顯差別。末端信號(hào)如圖11所示，線纜損傷導(dǎo)致線路電阻變大，所以無損傷的線路末端電壓比損傷線路末端電壓大。斷開線圈負(fù)載進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn)，同樣測(cè)量線路電壓并進(jìn)行比較，如圖12所示，結(jié)果與負(fù)載時(shí)一致。實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明測(cè)量系統(tǒng)可以用于線纜的探損檢測(cè)。

圖11 負(fù)載條件下線纜探損測(cè)量波形

圖12 空載條件下線纜探損測(cè)量波形

4 結(jié)束語

文章針對(duì)低壓配電線纜排查設(shè)計(jì)了一種非接觸測(cè)量系統(tǒng)，介紹了非接觸測(cè)量的原理，給出了整體設(shè)計(jì)的主要硬件電路和仿真結(jié)果。測(cè)量系統(tǒng)做了穩(wěn)定性、線性度、長距離穩(wěn)定性及線路斷點(diǎn)檢測(cè)四組實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)分別在負(fù)載和空載的條件完成，確保系統(tǒng)可以完成不同情況下的檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明測(cè)量系統(tǒng)具有良好的可靠性，可以用于線路錯(cuò)接和線路斷損的排查。