基于 FPGA 和 AD9481的宽频带电力电缆局部放电采集系统设计*论文

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　　摘要 ：针对现有电力电缆局部放电信号采集装置成本较高 、采样频率较低 、硬件检测频带较窄的问题， 以高频电流法为基础， 设 计了以高频电流传感器 、AD9481 、FPGA 为核心的电力电缆局部放电信号采集系统， 采用抗干扰性强 、传输距离远的光纤模块与 PC 进行通信; 在 10 kV 配网电力电缆主绝缘层上制作了沿面放电 、尖端放电 、划伤放电 3 种典型模拟绝缘缺陷故障， 搭建局部放 电高压试验平台激发模拟缺陷的局部放电信号， 使用所设计的宽频带局部放电信号采集系统采集各模拟绝缘缺陷的局部放电信号; 从时域波形 、频谱分布两个方面分析了不同模拟绝缘缺陷局部放电信号的放电特征 。结果表明， 所设计的局部放电信号采集系统 最高采样率达 250 MS/s 有效检测频带为300 kHz~100 MHz， 相较于已有研究成果所研制的采样率 65 MS/s 、最高检测频率 50 MHz采 集系统， 所设计系统的采样精度和频带宽度明显提高， 能够保留更丰富的局部放电特征， 提高故障诊断效率， 具有一定的实用价值。
　　( 1. College of Intelligent Systems Science and Engineering, Hubei Minzu University, Enshi, Hubei 445000. China;2. Jianshi County Power Supply Company, State Grid Hubei Electric Power Co., Ltd., Jianshi, Hubei 445300. China)Abstract: Aiming at the problems of high cost, low sampling frequency and narrow hardware detection frequency band of the existing powercable partial discharge signal acquisition device, this paper designs a power cable partial discharge signal acquisition system based on the high-frequency current method, with the high-frequency current sensor, AD9481. FPGA as the core, and uses the optical fiber module with strong anti-interference and long transmission distance to communicate with the PC; Three typical simulated insulation defect faults, namely,surface discharge, tip discharge and scratch discharge, are made on the main insulation layer of 10 kV distribution network power cable. A partial discharge high-voltage test platform is built to excite partial discharge signals simulating defects , and the designed broadband partial discharge signal acquisition system is used to collect partial discharge signals simulating insulation defects; The discharge characteristics of different simulated insulation defect partial discharge signals are analyzed from the aspects of time domain waveform and spectrum distribution .The results show that the maximum sampling rate of the designed partial discharge signal acquisition system is 250 MS/s, and the effective detection frequency band is 300 kHz~100 MHz. Compared with the 65 MS/s sampling rate and the maximum detection frequency of 50 MHz acquisition system developed by the existing research results, the sampling accuracy and frequency band width of the system designed in this paper are significantly improved, which can retain more abundant partial discharge characteristics, improve the efficiency of fault diagnosis, and have certain practical value.

　　Key words: power cables; partial discharge; typical faults; FPGA; discharge characteristics

　　0 引言

　　电力电缆具有供电可靠性高 、电气和耐热性能良好、 传输容量大的优点[1]， 在城市配电网中得到了广泛应用。 现场制作电力电缆附件时， 电力作业人员施工方法不当 可能造成附件存在隐含的绝缘缺陷[2]， 电缆投运一段时 间后可能发生因绝缘缺陷造成绝缘劣化， 严重时可能会 导致绝缘击穿[3]， 造成停电事故 。 目前大部分电力电缆 附件还未应用在线监测和故障诊断技术以监测其绝缘劣化情况[4]， 如发生故障， 极难判断故障情况 。 因此， 对 电力电缆附件进行有效的绝缘监测具有重要意义。

　　在长期运行中电力电缆附件的绝缘劣化通常会产生 局部放电信号[5] 。 目前国内外学者大多以监测局部放电 信号为目标， 采取不同的信号采集和分析方法， 以达到 对电力电缆附件绝缘监测的目的 。王明海[6]使用示波器 采集 10 kV 电缆不同缺陷模型的局部放电数据， 研究了 不同放电类型特征; 陈瑞龙[7] 以并行数据高速采集卡为局部放电信号采集单元， 完成了整套 XLPE 电力电缆局 部放电在线监测系统的软硬件设计; 唐博[8]设计了基于 FPGA 和 AD9226 的电缆局部放电监测终端， 搭建局部放 电试验平台验证了监测终端的有效性。

　　目前已有研究工作中采用的局部放电采集系统存在 体积偏大 、成本过高 、硬件检测频带较窄导致信号频率 特征易丢失的问题 。针对上述问题， 本文设计了基于 FPGA 和 AD9481 的宽频带电力电缆局部放电采集系统， 制作电力电缆附件绝缘缺陷模型， 搭建局部放电高压试验 平台激发局部放电信号， 验证所设计系统的有效性， 为电 力电缆附件局部放电信号的有效采集提供一种解决方案。

　　1 系统软硬件设计

　　目前在运电力电缆附件大多具有接地线结构[9]， 在 附件内部发生绝缘故障时， 局部放电信号会沿接地线流 入大地， 因此本文设计的宽频带电力电缆局部放电高频 信号采集系统信号采集方式仍采用目前可靠性较高 、应 用最广泛 、使用较方便的高频电流法 。 由文献[9]可知， 局部放电信号通常具有频率高 、频带分布宽 、信号较微 弱的特点， 因此在设计采集系统时， 首先需要考虑选用 灵敏度较高 、频带较宽的高频电流传感器; 其次采集系 统具有较高的采样率才可满足对传感器频带内局部放电 信号特征的有效保留， 采用的微控制器也要求有较优异 的信号处理能力; 此外采集系统和上位机间需要实现远 距离实时通信及具有抗干扰能力较强的需求 。考虑以上 因素， 本文设计了基于 PDS-K30 局放传感器 、AD9481、 FPGA 和光纤传输的宽频带电力电缆局部放电采集系统， 所设计的采集系统硬件结构如图 1 所示。

　　系统主要由 PDS-K30 高频电流传感器 、AD9481 高 速模数转换器及高频调理电路 、FPGA 核心系统 、光纤 通信模块以及供电电源组成 。 电力电缆附件的绝缘劣化 将激发出局部放电信号， 沿电力电缆附件的接地编织铜 带汇流到大地 。PDS-K30 高频电流传感器套接在接地编 织铜带上， 耦合到的局部放电信号经高频信号调理电路 调理， AD9481 以 250 MS/s 采样率采样后将数据传递给 FPGA 核心系统缓存， FPGA 收到数据传输指令后将局部 放电数据通过光纤远距离上传给 PC 端， 实现对局部放电 高频信号的有效采集。

　　1.1 PDS-K30 高频电流传感器

　　局部放电信号通常具有 MHz 以上的频率， 同时信号 本身较微弱， 高频电流传感器需要有较高的灵敏度和较好的抗干扰性 。本文选用的高频电流传感器采用钳形开 合式罗氏线圈结构; 测量频带为 300 kHz~100 MHz， 在 3~30 MHz 频带范围内最小传输阻抗为 14.80 mV/mA; 对 窄带干扰信号的抑制能力达 20 dB 。高频电流传感器实物 和幅频特性如图 2 所示。

　　1.2 高频信号调理电路

　　AD9481 需 要 以 差 分 信 号 输 入 形 式 采 样， 驱 动 AD9481 工作的差分编码时钟同样也需要以差分形式输 入; 同时为保证后级的数字电路都能以高速差分走线形 式局部， 提高采集系统整体的抗干扰性， 本文设计单端 转差分电路以满足局部放电高速采集系统的需求。

　　单端转差分电路包括一个差分放大器结构电路和一 个巴伦结构电路 。差分放大器电路主要用于对中高频小 信号的转换， 因此使用差分放大器电路对 PDS-K30 单端 输出信号进行差分变换， 同时衰减信号以满足 AD 采样 要求; 巴伦电路采用变压器线圈结构， 对高频信号响应 更灵敏， 主要适用于对高达百 MHz 信号的转换， 因此使 用巴伦电路进行差分变换将 FPGA 核心系统锁相环 PLL 模块输出的 250 MHz 时钟 CLK_IN 转换成 250 MHz 的差分 编码时钟信号 CLK+ ( DCO+ ) 和 CLK- ( DCO- )。 差分放 大器电路和巴伦电路如图 3 所示。

　　1.3 AD9481高速模数转换电路

　　局部放电信号频率高 、频带分布宽， 在设计采集系 统时， 需要使用高采样率的 ADC 才能满足对局部放电特 征信息的有效采集; 根据 Nyquist 定律， ADC 采样频率至 少大于信号最高频率的 2 倍才可以保留信号的频率信息; 且电力电缆现场运行情况复杂， 局部放电采集时往往会 窜入各种中低频干扰， 影响有效信号的分析和诊断 。选择一款采样频率高 、性能良好的 ADC 可以保留更丰富的 局部放电频率特征信息， 也可以有效区分局部放电信号 和干扰信号特征。

　　本文选择 ADI 公司高速 8bit、最高采样速率 250 MS/s 的 AD9481 模数转换器作为局部放电信号采集的核心 。 AD9481 尺寸小且易于使用， 只需提供一个 3.3 V 电源和 一个差分编码时钟即可驱动 AD9481 以 250 MS/s 的采样 速率采样 。A 、B 两个数字输出信道分别跟随 A 、B 两个 数字差分时钟交错输出转换后的数字信号， 每个数字差 分时钟频率为 125 MHz， 仅为采样率 250 MHz 的一半， 降低了对数字系统处理速率的要求 。AD9481 及外围电路 设计如图 4 所示。

　　1.4 FPGA 选型及工作流程

　　FPGA 相较于 MCU 具有灵活 、高速 、并行性好的特点， 本文硬件系统选用的 FPGA 型号为 EP4CE10F17C8 N， 该器件属于 Altera Cyclone®IV E 系列， 其最高速度 达 402 MHz， 拥有 10 K 逻辑单元， 46 个 M9K 嵌入式块 RAM 存储器， 23 个 18×18 乘法器， 2 个 PLL 锁相环， 8 个 用户 I/O 块， 最大用户 I/O 达 179 个; 同时具有低成本 、 低功耗 FPGA 架构， 非常适合于对成本和功耗有较高要 求的局部放电高速采集场合 。局部放电信号在 FPGA 中 的数据采集 、存储 、传输流程如图 5 所示。

　　1.5 FPGA 程序设计

　　本文采集系统的 FPGA 程序基于 QuartusⅡ软件开发、 使用 Verilog HDL 语言编译， 共设计了 4 个模块。

　　系统模块设计框图如图 6 所示 。

　　u1 为 PLL 锁相环模块， 通过在 QuartusⅡ中创建 PLL IP 核将系统晶振 50 MHz 时钟倍频成为 250 MHz 的单端编码时钟信号， 供巴伦电路转换成 250 MHz 差分编码时钟驱动 AD9481 工作， 同时 PLL 为后续模块提供 125 MHz 系统时钟; u2 为 ADC 数据 处理模块， 分为 u21 和 u22 两个子模块， u21 是 ADC 数据 接收模块， 将 A 、B 两个数字输出通道的数据进行拼接 后同步到 125 MHz 系统时钟; u22 为 ADC 数据缓存模块， 将接收到的 ADC 数据进行缓存， 并与 FIFO 模块写使能、 写空指令 、存储个数输出和数据输入连接， 便于将缓存 数据写入 FIFO; u3 为 FIFO 模块， 用于储存 ADC 采集数 据， 并将 AD9481 的 250 MHz 采样频率和串口传输进行同 步处理， 发送 ADC 采集数据给串口传输模块; u4 为串口 传输模块， 用于将 ADC 采集数据传输给光纤通信模块。

　　采集系统程序流程如图 7 所示。

　　宽频带电力电缆局部放电采集系统实物如图 8 所示。

　　2 系统测试

　　在实验室条件下搭建了电力电缆局部放电高压实验 平台， 使用真实电力电缆试品制作不同的人工绝缘缺陷， 通过向缺陷试品持续施加工频电压激发局部放电信号， 并使用前文所设计的宽频带电力电缆局部放电采集系统 采集不同绝缘缺陷的局部放电信号， 以此来验证采集系 统的有效性。

　　2.1 缺陷制作

　　目前在电力电缆附件绝缘缺陷中沿面放电 、尖端放 电 、划痕缺陷类型最为普遍[10- 12] 。本文制作了以上 3 种 绝缘缺陷模型， 以模拟实际电力电缆附件的放电现象 。 电力电缆型号为 YJLV22-8.7/15 kV-3×120 mm2.沿面放电主要模拟应力锥错位导致的爬电现象， 本 文的沿面放电模型通过在线芯缠绕铜丝模拟高电位， 绝 缘处放置不锈钢针模拟地电位， 高低电位间爬电距离约 1.5 mm; 尖端放电主要模拟电缆制造时线芯尖刺或冷缩 接头制作时压接管尖端导致的尖端电应力集中现象， 本 文使用钻头刺入绝缘层约 2 mm 模拟尖端放电; 划痕缺陷 模拟电缆附件现场制作时作业人员施力不当导致在主绝缘 层留下划痕， 本文使用电工刀在主绝缘留下长约 80 mm、 宽约 1 mm 、深约 2 mm 的刀痕气隙， 模拟划痕气隙缺陷 放电 。3 种缺陷模拟如图 9 所示。

　　2.2 实验布置

　　实验布置如图 10 所示 。试验回路主要由调压器 、升 压变压器 、保护电阻及水阻 、电容分压器 、电缆试品组 成 。AC-2000 调压器用于将 220 V 市电调节为可变交流 工频高压; 无局放工频升压变压器将实验回路电压升至 电力电缆额定电压; 保护电阻和水阻起限流作用， 防止 回路电流过大导致过流保护; 电容分压器容量 600 pF， 分压比 1 000 ∶ 1.实验时将铜箔包裹于电力电缆试品绝缘缺陷处， 用 以收集局部放电信号， 并将接地编织铜带与铜箔连结 。 将 PDS-K30 高频电流传感器套接在接地编织铜带上， 耦 合局部放电信号; HFCT 与 AD9481 及 FPGA 通过特征阻 抗 50 Ω 的 BNC-SMA 同轴电缆连接; FPGA 核心系统外 接 USB 传输线连接光端发射机输入端， 光端发射机通过15 m 光缆连接到光端接收机， 将局部放电数字信号转化 成光信号发送出去， 光端接收机将接收到的光信号进行 解析并转化成局部放电数字信号通过 USB 传输给 PC 上位 机， 实验中使用 VOFA+上位机软件实时观察采集到的局 部放电波形并将局部放电数据保存为 CSV 文件 。需要指 出的是， 为避免加压时回路本身可能产生的放电干扰， 回路接线采用线芯较粗 、绝缘较厚 、带外屏蔽的高压导 线; 在回路各连接处和电力电缆试品两端分别采用均压 球和均压环做均匀电场处理， 防止尖端电晕干扰 。整个 实验过程在湖北民族大学高电压技术实验室内完成。

　　2.3 实验过程

　　实验步骤主要分为回路性能测试 、升压 、记录数据、 降压 4 部分。

　　步骤 1： 在对缺陷试品测试前， 首先需要使用未制 作缺陷的电力电缆试品对实验回路进行空载升压测试， 以测试实验回路不出现自身局部放电的最高可耐受电压 等级 。经验证， 20 kV 及以下电压等级， 试验回路未检 测出局部放电信号， 高于试品本身额定电压等级， 试验 回路完好;

　　步骤 2： 接入沿面放电模型电缆试品， 做好均压措 施后， 以 1.5 kV/s 速度升压， 观察 PC 端软件界面波形变 化情况， 当出现脉冲波形时停止加压， 记录此刻外施电 压值， 即为该缺陷模型的局部放电起始电压;

　　步骤 3： 再次缓慢升高电压， 观察到界面中出现稳 定的局部放电脉冲波形时， 保存界面中的局部放电数据， 记录多次数据后， 调节调压台输出电压至零;

　　步骤 4： 在线路中接入其余两种缺陷模型， 重复上 述步骤， 完成对不同缺陷试样局部放电实验的数据记录 和保存。

　　系统测试和实验接线如图 11 所示。

　　3 实验结果分析

　　在使用采集系统采集到各缺陷模型局部放电信号后， 需对各缺陷模型局部放电信号进行特征分析， 对比出各 缺陷模型局部放电类型的差异， 以验证本文所设计采集 系统的有效性。

　　本文绘制了各缺陷局部放电信号时域 、频域谱图， 分析各模拟缺陷的放电特征 。首先将采集的局部放电数 字量按照模数关系转化成模拟量， 并使用 db3 小波基对 局部放电信号进行 6 层小波分解， 使用软阈值去噪的方 式消除信号中的白噪声干扰。

　　3.1 时域波形分析

　　不同缺陷模型产生局部放电的类型不同， 其时域波 形幅值 、形状 、持续时间也均存在差异[2. 13]， 通过分析对 比不同缺陷模型局部放电信号的时域特性， 可以从时域 波形初步区分不同的局部放电信号类型 。3 种模拟缺陷 局部放电信号的时域波形如图 12 所示。

　　当放电电极接高压， 不放电电极接地时， 根据工频 相位判断， 沿面放电正半周放电次数少而幅值较大， 负 半周放电次数多而幅值较小[14]， 本文所测沿面放电波形 相位分布与此结论相符; 且采集到的沿面放电单脉冲波 形呈现多峰震荡衰减形式， 正负半周脉冲幅值分布较均 匀 、较为对称， 与文献[2]中应力锥错位沿面放电单脉冲 波形时域特性类似。

　　由于极性效应， 尖端放电局放脉冲通常出现在靠近 工频正负半周峰值处 。本文所测尖端放电波形相位分布 与文献[14]结论相符; 尖端放电单脉冲时域波形呈现无 规则震荡形式， 整个单脉冲波形放电强度较小， 放电较密集， 呈簇状， 脉冲上升沿和下降沿都较陡， 与文献[2] 中电晕放电单脉冲波形时域特性类似。

　　绝缘内部气隙放电局放脉冲通常出现在靠近工频正 负半周靠近过零点的幅值上升处， 本文所测划痕放电波 形相位分布与文献[14]结论相符; 其单脉冲时域波形也 呈现多峰震荡形式， 但波峰数量较稀疏， 整个单脉冲时 域波形正负半周不对称性较大， 正半周幅值分布略大于 负半周幅值分布， 与文献[2]中主绝缘划伤放电单脉冲波 形时域特性类似。

　　3.2 频谱分析

　　由文献[2]和文献[15]可知不同局部放电类型的频域 特征存在较大区别， 多体现在频谱波峰幅值不同 、频谱 能量分布不同 。对不同缺陷模型进行频谱分析可以从频 域角度体现不同放电类型的差异 。3 种模拟缺陷局部放 电信号的频谱如图 13 所示。

　　沿面放电单脉冲频谱的频谱幅值大多集中于 10 MHz 及 以 下， 在 1.75 MHz 和 10 MHz 出 现 较 大 波 峰， 在 10 MHz 频率的能量最大; 在 29.25 MHz 和 39 MHz 也有较大 频率分量分布 。 由此可见沿面放电单脉冲频率分量主要 集中在 1.75~ 10 MHz 、29~39 MHz 频带内。

　　尖端放电频谱幅值都很小， 但频谱呈现出多峰聚集 现象， 说明整个信号频带上都具有丰富的频率分量， 且 各频谱峰幅值都较为接近， 图中仅给出几个频谱峰的典 型值 3.75 、26 、50.75 、72.5 、95.75 MHz 来说明尖端局部 放电信号的频率分布较宽。

　　划痕缺陷放电信号频率分布与沿面放电信号的频率 分布较为类似， 频率分布主要集中于 1~ 10 MHz 、25~40 MHz 内 。但其频谱幅值比起沿面放电频谱幅值较小， 且 1.75 MHz 频率分量幅值相对较大， 在 20~40 MHz 内相较 于沿面放电其频率分量更为丰富。

　　4 结束语

　　基于实际运行中电力电缆绝缘劣化时会产生高频局 部放电信号的特点， 设计和构建了一套宽频带电力电缆局 部放电采集系统， 包括 PDS-K30 高频电流传感器 、高频 信号调理电路 、AD9481 模数转换电路 、FPGA 核心系统、 光纤通信模块 、供电电源; 制作了沿面放电 、尖端放电、 划痕放电 3 种局部放电模拟缺陷， 并搭建局部放电高压试 验平台， 激发缺陷模型的局部放电信号， 使用本文所设计 的采集系统采集局部放电信号， 从时域波形、频谱特征两 方面分析了不同放电类型的特点。结果证明， 本文所设计 的宽频带电力电缆局部放电信号采集系统能有效采集局部 放电信号， 相较于现有研究成果， 本文所设计系统采样率 高、检测频带更宽、能保留更丰富的信号特征， 有助于提 高故障诊断效率， 且成本较低， 具有一定的实际应用价值。

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