石 磊，張福生，羅 帥，龐樹陽(yáng)，常炳乾

(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

在電力系統(tǒng)運(yùn)行和檢修時(shí)，觸電事故屢見不鮮，不僅對(duì)電力從業(yè)人員的安全造成威脅，還制約著電力工業(yè)的發(fā)展。因此一些專家和學(xué)者提出使用工頻電場(chǎng)遙測(cè)裝置對(duì)電力系統(tǒng)帶電狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。而在工頻電場(chǎng)遙測(cè)系統(tǒng)中，通過(guò)傳感器接收到電場(chǎng)信號(hào)后，由于信號(hào)微弱，故需將信號(hào)放大，而這樣會(huì)使信號(hào)出現(xiàn)失真現(xiàn)象。論文針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，提出利用信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將電場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)的方法來(lái)解決以上問(wèn)題?；谝陨涎芯勘尘?，對(duì)工頻電場(chǎng)遙測(cè)系統(tǒng)中的信號(hào)轉(zhuǎn)換電路部分進(jìn)行了分析與研究。

1 信號(hào)轉(zhuǎn)化的實(shí)現(xiàn)方法

1.1 基本原理

如圖1所示，兩個(gè)相同型號(hào)的達(dá)林頓管T1和T2分別連接平行板電容傳感器的上下極板，將上下極板的信號(hào)分別進(jìn)行放大。下極板通過(guò)RC串聯(lián)電路，會(huì)與上級(jí)板的信號(hào)產(chǎn)生相位的滯后，這樣一來(lái)將T1和T2的發(fā)射極連接在異或門上，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，如圖2所示。

信號(hào)轉(zhuǎn)換電路主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1) 當(dāng)電壓等級(jí)很高時(shí)，由于硬件的限制，測(cè)量電壓信號(hào)的頂部會(huì)出現(xiàn)削頂失真現(xiàn)象，而將信號(hào)轉(zhuǎn)化成脈沖信號(hào)不受削頂失真的影響。

2) 經(jīng)過(guò)達(dá)林頓管放大后，很小的一個(gè)電壓即可被異或門識(shí)別為高電平，從而“觸發(fā)”脈沖的產(chǎn)生，因?yàn)楦蓴_信號(hào)只對(duì)電壓信號(hào)的幅度有影響而對(duì)其“寬度”影響不大，所以這時(shí)干擾對(duì)轉(zhuǎn)化信號(hào)的影響就變得非常有限，小的干擾不足以讓脈沖寬度發(fā)生大的變化，利用這一點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)在一定程度上抗干擾。

3) 電壓相差很大時(shí)脈沖寬度會(huì)有較大的變化，可以通過(guò)這一點(diǎn)特性區(qū)分不同電壓等級(jí)架空輸電線路的電壓信號(hào)。

4) 在讀取脈沖寬度時(shí)，單片機(jī)利用自身的定時(shí)器，其讀取的精度在一定程度上要高于利用ADC轉(zhuǎn)化讀取電壓幅值。

基于以上幾點(diǎn)原因，采用信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)。

1.2 Proteus仿真驗(yàn)證可行性

通過(guò)Proteus仿真來(lái)驗(yàn)證上述方法的可行性。圖3為Proteus電路仿真電路圖，圖4為Proteus仿真軟件中示波器顯示的波形圖，其中，黃色線為不加RC串聯(lián)電路的達(dá)林頓管輸出的信號(hào)，藍(lán)色線為加RC串聯(lián)電路后輸出的信號(hào)。由圖可見兩者信號(hào)是不同步的。

將以上兩路電路信號(hào)經(jīng)過(guò)異或門，如圖5所示，得到如圖6所示波形。

根據(jù)以上仿真可知，可以通過(guò)上文提到的方法進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)化。

1.3 RC電路參數(shù)變化對(duì)于脈沖寬度的影響

因?yàn)樵趯?shí)際測(cè)量時(shí)脈沖寬度如果過(guò)于窄，則會(huì)出現(xiàn)各電壓等級(jí)之間區(qū)分不明顯的情況，這會(huì)給后續(xù)信號(hào)處理帶來(lái)困難，而且，脈沖太窄會(huì)因?yàn)槭静ㄆ鞯牧砍虇?wèn)題無(wú)法用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證結(jié)果的正確性，故希望能將脈沖寬度變得寬一些，這樣既可以方便區(qū)分各個(gè)電壓等級(jí)所產(chǎn)生的脈沖又為利用信號(hào)轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)打下了基礎(chǔ)，所以在這里進(jìn)行RC串聯(lián)電路參數(shù)變化對(duì)于脈沖寬度影響的仿真。

為便于直觀的看出改變參數(shù)對(duì)脈沖寬度的影響，用上圖5所示電路進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如下:

1)分別增加電容、電阻值為原來(lái)的十倍時(shí)的仿真結(jié)果如圖7、8所示。

2)分別將電容、電阻值減小為原來(lái)的十分之一的仿真結(jié)果如圖9、10所示。

根據(jù)以上仿真結(jié)果可以初步得到以下結(jié)論：對(duì)于上述信號(hào)轉(zhuǎn)換電路，RC串聯(lián)電路中電容增大時(shí)，脈沖寬度隨之減小，電阻增大時(shí)，脈沖寬度隨之增大；RC串聯(lián)電路中電容減小時(shí)，脈沖寬度隨之增大，電阻減小時(shí)，脈沖寬度隨之減小。換句話說(shuō)，在此電路模型中與達(dá)林頓管基極所連電容值與脈沖寬度成負(fù)相關(guān)，而電阻成正相關(guān)。根據(jù)以上結(jié)論，在實(shí)驗(yàn)中可以通過(guò)增大電阻與減小電容的方式增大脈沖寬度。

2 電壓變化對(duì)于脈沖寬度的影響

2.1 電壓變化對(duì)于脈沖寬度的影響的原理分析

如圖11所示，U0為觸發(fā)異或門產(chǎn)生脈沖的最低電壓，U1和U2為不同大小的正弦電壓波形，a1和a2分別為兩種電壓所轉(zhuǎn)化成的脈沖，由圖可以直觀的看到，電壓越高所轉(zhuǎn)化的脈沖寬度越寬。利用這個(gè)特性可以實(shí)現(xiàn)遙測(cè)預(yù)警裝置對(duì)不同電壓等級(jí)的識(shí)別和區(qū)分。

2.2 電壓變化對(duì)于脈沖寬度的影響的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

圖12為根據(jù)圖1布設(shè)的電路板，其中P5、P6為信號(hào)輸入端子，P8為電池供電端子，GouC為信號(hào)輸出口，T′1和T′2為兩個(gè)型號(hào)為2N3904的達(dá)林頓管，P7為型號(hào)為HCF4070BE的異或門。

用信號(hào)發(fā)生器發(fā)出50 Hz正弦電壓信號(hào)連接到P5、P6，用手持式示波器連接信號(hào)輸出口GouC，觀察波形。實(shí)驗(yàn)如圖13所示。

2.3 電壓變化對(duì)于脈沖寬度的影響的仿真驗(yàn)證

該測(cè)量裝置主要針對(duì)架空輸電線路，本仿真進(jìn)行電壓等級(jí)升高對(duì)所測(cè)脈沖寬度影響的探究。在仿真中，使用交流電壓源V1代替架空輸電線路的電壓，10 MΩ電阻R1代替架空輸電線路對(duì)地電阻，C1和C3分別為電容傳感器上級(jí)板對(duì)架空線路的分布電容還有下極板對(duì)大地的分布電容，它們的大小可根據(jù)相關(guān)公式[7]進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。電容C2是本論文中的電容傳感器，其大小約為3 pF。

表1 不同電壓等級(jí)對(duì)應(yīng)分布電容大

改變V1的電壓值和相應(yīng)的C1、C3電容值，并使用示波器顯示異或門輸出的脈沖，用這樣的方式來(lái)得到電壓等級(jí)大小對(duì)于脈沖寬度的影響。

在此次仿真中，V1的變化范圍為10 kV至500 kV。仿真電路如圖17所示。仿真結(jié)果如圖18～23所示。根據(jù)以上仿真可知，通過(guò)脈沖寬度可以區(qū)分各電壓等級(jí)的架空輸電線路的信號(hào)。

3 結(jié)論

本文對(duì)平行板電容傳感器測(cè)量時(shí)存在的干擾及信號(hào)失真等問(wèn)題提出了運(yùn)用信號(hào)轉(zhuǎn)化的方法解決的方案，進(jìn)行了理論分析分析、仿真與實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了利用將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)的方法的可行性和實(shí)用性，另外，得出脈沖寬度與電壓大小呈正相關(guān)的結(jié)論，為通過(guò)脈沖寬度區(qū)分各電壓等級(jí)架空輸電線路提供了理論和實(shí)踐的支持。