適用于局部放電模擬的校正信號發生電路研究*

岳克，馬鈺文，李晨，王磊，陳炯

（1.上海電力學院，上海200090；2.國網山西省電力公司陽泉供電公司，山西陽泉045000）

0 引 言

電力設備絕緣中的某些薄弱部位在強電場的作用下發生局部放電是高壓絕緣中普遍存在的問題。雖然局部放電一般不會引起絕緣的穿透性擊穿，但可以導致電介質（特別是有機電介質）的局部損壞。若局部放電長期存在，在一定條件下會導致絕緣劣化甚至擊穿。因此，對電力設備進行局部放電測試是電力設備制造和運行中的一項重要預防性試驗［1－5］。

針對基于脈沖電流檢測法的局部放電檢測設備在使用過程中的放電量校準環節，作者設計了一種脈沖相位、幅值和個數均可調節的脈沖發生電路，作為局部放電模擬信號。該模擬源主要由方波發生電路和信號控制發生電路兩部分構成，能夠滿足GB/T 7354-2003/IEC 60270：2000中關于電量校準 的要求［6］。

校正系統作為局部放電檢測系統標定分度系數的信號源，直接關系到局部放電檢測的準確性，是局部放電檢測系統的重要組成部分［5］。傳統脈沖發生儀作為應用在校正環節的信號源，只能針對放電量進行調節，不能有效模擬局部放電信號，功能單一。而文中設計的電路所發出的脈沖信號可以調整脈沖發生的相位、幅值及個數，作用不局限于對放電量的校正，亦可以作為局部放電檢測裝置功能測試的信號源，與正弦交流信號疊加，模擬多種情況下的局部放電信號［7－10］。

該局部放電信號模擬單元主要由方波發生電路和控制信號產生電路兩部分構成。其中脈沖發生電路采用鎖相環芯片HEF4046BP產生脈沖信號；通過控制電路輸出的相位、占空比可調方波信號作用于HEF4046BP禁止端，對脈沖發生的相位、個數進行控制。控制信號電路主要由移相電路、方波變換電路和方波占空比調節電路三個部分組成。并為驗證電路可行性，對整個模擬源進行了搭建。

1 局部放電的模擬基本原理

通過二階微分電路模型，設計了一個可調脈沖發生裝置來模擬局部放電信號。其放電量控制基本原理電路如圖1所示。

圖1中C0為方波信號輸入端，其幅值為U0。為計算方便，將Ca與Cb等效為C1，其中Ca為分度電容，Cb為被測試品電容。將調節電阻R1′、R2′、R3′、R4′的阻值統稱為Rx。等效電容C1的初始電壓U1為0。

圖1 局部放電信號模擬原理圖Fig.1 Partial discharge signal simulation diagram

分析該電路模型：

將U1＝Aest代入該二階常微分系數微分方程，得其特征方程為：

其判別式：

又有 C0?C1、R1?Rx，則 Δ可以近似為：

則：

由上式可知，兩個指數函數構成了電容C1兩端的電壓U1，由于S1的絕對值遠大于S2，電容C1兩端的電壓峰值接近于：

此時電容C1的充電電量為：

因此，調整R1、Rx的參數，即可實現對輸出電量大小的控制，通過后續分壓電路的設計可以實現多種電量大小輸出。

2 局部放電信號模擬電路設計方案

文中電路主要由方波發生電路和控制信號電路兩部分組成。如圖2所示，利用控制信號電路實現對方波發生電路產生的脈沖相位、個數的控制。

圖2 模擬電路系統框圖Fig.2 System block diagram of simulation circuit

2.1 脈沖發生電路

采用基于鎖相環芯片HEF4046BP的RC壓控振蕩器作為方波脈沖發生電路，外接定時電容和電阻作為充放電原件，以實現振蕩方波輸出。

當鎖相環芯片接入固定電源（本設計以9 V疊層電池對芯片進行供電）時，芯片起方波振蕩電路的作用。振蕩器的振蕩頻率與控制電壓成正比，即當VCO控制端的控制電壓為0時，輸出頻率處于最小值；當輸入控制電壓等于電源電壓VDD時，輸出頻率則幾乎以線性增長方式增大到最大頻率輸出。對于固定的供電電源，當外接壓控振蕩器的充放電電容確定時，只需調節電阻R28阻值即可調整振蕩器振蕩頻率，振蕩方波信號從芯片4腳輸出，通過電位器及電阻分壓模塊進行分壓，實現脈沖方波不同幅值輸出，即多檔放點量控制。按圖3所示接外圍元件值可得輸出理論頻率在50 Hz～500 Hz方波信號。

圖3 脈沖方波發生電路設計圖Fig.3 Design diagram of pulse square wave generating circuit

2.2 控制信號電路

鎖相環芯片HEF4046BP的RC型壓控振蕩器能穩定輸出不同幅值的脈沖方波信號，通過對分壓電路的設計，可以實現多檔位放電量調節。但要進一步對放電脈沖的相位和個數進行控制，需要設計一個控制信號電路接入HEF4046BP的禁止端，通過該控制信號實現對放電脈沖相位、個數的控制。該控制信號電路主要由移相、方波變換、占空比調節三個主要模塊組成。

2.2.1 移相電路設計

設計了一個帶運放的級聯移相電路以實現連續相位調節原理圖如圖4所示，通過級聯移相電路，對函數信號發生器產生的正弦信號進行移相。

圖4 級聯移相原理圖Fig.4 Cascade phase shift circuit

取適當參數，調節電阻即能實現對輸入正弦信號相位的連續調節。當兩級反饋電阻相等，即R1＝R2時，該級聯移相電路的輸出電壓和輸入電壓大小相等。當回路電容值固定時，調節可變電阻可實現等幅移相。本文級聯移相電路運放芯片選用LM324，其高度四運放集成能有效減小硬件電路設計體積，且無需設計相應外部偏置元件。以100 kΩ電位器代替可變電阻作為移相角度調節開關，實現較高的調節分度。經實測，最大移相角度為218°。

2.2.2 方波變換電路設計

因HEF4046BP的控制需要高低電平來實現，故需將經過移相的正弦信號變換為方波信號。文中選用NE555，通過施密特觸發器方式來實現穩定正向方波輸出，將正弦信號變換為方波信號。方波變換電路設計如圖5所示。

其中 C12和 C1為耦合電容，R3、R29和 R9、R30起直流偏置作用，使NE555的2、6腳的偏置電壓在VDD/2，介于兩個閾值電平之間。

2.2.3 占空比調節電路設計

由于脈沖發生的個數主要由該控制信號的占空比決定，當輸入禁止端的控制信號為電平時，HEF4046BP發出脈沖。因此為實現對脈沖個數的控制，必須對控制信號的占空比進行調節。

如圖6所示，占空比可調電路由積分電路和電壓比較器電路組合實現。積分電路將變換得到方波信號轉換成三角波信號并輸入電壓比較器同相輸入端，然后調節電壓比較端。當輸入的三角波信號大于電壓比較器反相端電壓時，比較器的輸出端信號處于高電平VCC，當輸入信號小于其反相端電壓時，該比較器的輸出處于低電平，進而可以實現可調占空比正向高低電平矩形脈沖。

圖5 方波變換電路V ccFig.5 Square wave transformation circuit

圖6 占空比調節電路Fig.6 Duty ratio adjustment circuit

3 試驗結果

為了驗證電路設計的正確性，制作了PCB板并搭建了完整電路，電路實物如圖7所示，對電路設計進行了試驗驗證。

圖7 電路實物Fig.7 Circuit object

試驗使用Agilent-33522A型函數信號發生器作為輸入正弦信號，在未加裝屏蔽盒的情況下進行了電路的總體測試。試驗結果表明電路可以很好的模擬局部放電脈沖，并能對脈沖發生的個數、相位進行調節。

圖8 試驗波形（單次脈沖）Fig.8 Test waveform（single pulse）

圖9 試驗波形（多次脈沖）Fig.9 Test waveform（multiple pulse）

如圖8～圖9所示，圖8為發生在45°左右的單個放電脈沖模擬信號波形、圖9為發生在45°～90°時的多個放電脈沖波形。（最上方波形為疊加了放電脈沖的正弦信號；中間波形為控制信號；下方波形為脈沖信號）

4 結束語

根據局部放電測量標準 GB/T 7354-2003/IEC 60270：2000，針對局放儀在使用過程中的放電量校準環節，設計了一種脈沖相位、幅值和個數均可調節的裝置，作為局部放電模擬信號。該電路由方波發生電路和信號控制發生電路構成。

依照設計搭建了電路進行驗證，測試結果顯示電路可以很好的模擬電纜局部放電信號，能在標定電量的基礎上對脈沖發生的個數、相位進行調節。對電路進一步完善之后可以作為檢測、標定電纜局部放電測量系統的完整裝置。