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局部放电检测电路设计研究 摘要：局部放电相位统计法是当前广泛应用的局部放电检测与分析方法，二维和三维图谱分析的关键参数之一是局放脉冲所对应的相位信息。本文提出一种局放脉冲的工频相位检测电路，适用于外触发局部放电便携式带电检测设备和在线监测设备，并对电路进行了仿真模拟和试验验证。 关键词：局部放电；相位检测；锁相环；计数器；滤波用 不同的检测方法可以得到不同的局部放电特征［１－４］。如今用于分析和评估局部放电的两种最常用的检测方法是基于相位分辨数据的统计检测法［５－６］和基于时间分辨数据的波形检测法［７－８］。当今大部分商业应用的ＰＤ检测器均采用相位分辨检测方法，也称相位统计法。局部放电相位统计检测与识别方法需要事先获得局部放电脉冲所对应的工频电源的具体相位，每个局部放电脉冲总是发生于工频正弦波的某一个相位窗口，该相位窗口在局部放电测量过程中需要通过一定技术或手段获得。局部放电测量设备中局放脉冲相位的获得通常有两种方法，即内触发和外触发。内触发通常用于手持式带电检测设备，一般由于电池供电而没有连接外接电源，而无法采用外触发。外触发用于便携式测量设备以及在线监测设备，一般连接有低压工频电源，从而可利用该正弦电源。内触发是为了相位统计法的需要而不得已采用的方法，一般通过软件实现，获得的相位值也不是真正的局放脉冲所对应相位值，但从统计概率角度来说可以帮助实现统计分析。外触发所获得的相位值要真实许多，一般通过硬件电路来实现。本文针对局部放电测量中局部放电脉冲所对应的相位提出一种外触发检测电路，集成到局部放电测量设备的硬件中，在通过设备检测到局部放电脉冲幅值和个数的同时，也检测到该脉冲所对应的工频电源相位值。该检测电路通过整形把工频波形转换为矩形脉冲波形，并通过锁相环技术和脉冲计数技术实现要求精度的最小相位窗，从而提高了相位值获取的精度。 １相位测量系统架构及功能研究 工频相位检测电路包括依次连接的电源电压分压、二阶低通滤波器、波形整形与转换、锁相环、倍频器、单稳态触发器以及二进制计数器等模块，如图１所示。首先设计一种电压变换器将工频电源电压降压为低电压信号，用于后续的信号输入。再设计一款低通滤波电路消除高频干扰，截止频率为３００Ｈｚ，然后对信号进行整形与转换，即利用一个比较器（或者一般的放大器的开环应用）对输入的正弦信号进行整形，将其转化为方波信号。接下来对信号进行一个锁相倍频的过程，即将一个频率为ｆ１的输入信号，倍频Ｎ倍后，使得锁相环的输出频率ｆ０＝Ｎ?ｆ１。例如Ｎ＝３６００，则对应的输入信号相位为０．１°。最后再利用二进制计数器对倍频器的输出进行计数（可以利用其复位端控制实现计数器与正弦输入信号正向过零点的同步，该复位信号来自于基波信号整形后的上升沿启动的单稳态脉冲）。对局部放电脉冲所对应的计数值进行处理就可以得到相位值。１．１ＬＭ３５８有源滤波器由于电源电压信号中不可避免串入有高频干扰信号，而局放脉冲对应相位的获取需要尽可能没有受干扰污染的工频信号，因此有必要在工频信号输入处设计滤波器抑制甚至消除高频干扰。有源二阶低通Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ滤波器原理如图２所示，其中放大器芯片采用ＬＭ３５８。该滤波器的通带增益为ｋ＝１＋Ｒ１／Ｒ２，品质因素为Ｑ＝１／（３－ｋ），按照３ｄＢ衰减，滤波器的截止频率为ｆ＝１／２πＲＣ。图２基于ＬＭ３５８的二阶低通滤波器原理Ｆｉｇ．２ＴｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｓｅｃｏｎｄｏｒｄｅｒｌｏｗｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｂａｓｅｄｏｎＬＭ３５８１． ２基于ＬＭ３３９比较器的整形转换电路 波形整形与转换电路将正弦交流信号整形为规则的方波信号，用于积分电路的控制，利用后续的积分电路将相位信息转换为连续的模拟电压，以供后续电路的采样和处理，为了避免后续电路对积分电路的影响，配备缓冲电路。本文采用ＬＭ３３９比较器得到双极性电压然后经积分电路得到积分电压波形。ＬＭ３３９集成块内部装有四个独立的电压比较器，类似于增益不可调的运算放大器，芯片管脚分布如图３所示。每个比较器有两个输入端和一个输出端。ＬＭ３３９用在弱信号检测等场合是比较理想的。图３ＬＭ３３９比较器管脚图Ｆｉｇ．３ＰｉｎｎｉｎｇｄｉａｇｒａｍｏｆＬＭ３３９Ｃｏｍｐａｒａｔｏｒ１．３基于７４ＨＣ４０４６和７４ＨＣ４０４０的锁相倍频电路锁相倍频电路用于将整形与转换电路输出的频率为ｆ１的输入信号，倍频Ｎ倍，使得锁相环的输出频率为Ｎｆ１，用于后续计算器电路的输入。锁相倍频电路由锁相环芯片７４ＨＣ４０４６、二进制累加计数器／分频器７４ＨＣ４０４０以及低通滤波器组成，如图４所示。经过整形转换电路后的５０Ｈｚ方波信号作为锁相倍频电路的输入信号进入锁相环芯片，内部压控振荡器输出输入到累加计数器进行倍频，倍频信号反过来