基于非接觸測量的低壓配電電纜排查技術(shù)實驗研究*

林韜，鄭昕

(福州大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，福州 350116)

0 引 言

在現(xiàn)代社會，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設(shè)備直接與線纜接觸，通過測量線纜的電氣特性完成線路的排查。這種測量方式雖然直接，但是對線路的結(jié)構(gòu)參數(shù)有一定影響，改變了電路的傳輸特性。同時傳統(tǒng)的線路串線需要通過跳負荷開關(guān)和增加負荷的方式來完成、斷線檢查需要將電表直接與火線接觸才能完成檢測并且無法檢測墻內(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，希望提出一種非接觸的線纜排查方案，針對高壓輸電系統(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)換矩陣測量出電壓值[1]。隨后中國科學(xué)院研制了一種用于測量物體表面電勢的微型靜電壓傳感器。可以檢測出一定范圍內(nèi)物體表面的電荷衰減及電勢變化[2]。近年來重慶大學(xué)基于電場耦合原理對傳統(tǒng)高壓系統(tǒng)的電壓互感器進行優(yōu)化，提出一種高壓系統(tǒng)電力設(shè)備電壓檢測新技術(shù)[3]。現(xiàn)有研究成果主要應(yīng)用于高壓系統(tǒng)，而將非接觸測量方法應(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。本文主要針對低壓配電系統(tǒng)電纜錯接和探損的非接觸檢測方法進行實驗研究，同時結(jié)合國外暫態(tài)電位測量和電容耦合的非接觸電壓測量等研究[4-6]，提出了一種基于非接觸測量的排查方案并設(shè)計了樣機，完成了對單根線纜帶載和空載條件下的測量穩(wěn)定性和線性度以及實用性的實驗研究。研究結(jié)果表明可將該非接觸檢測裝置用于低壓配電系統(tǒng)的串線、斷線檢測，為進一步實現(xiàn)系統(tǒng)化、智能化的線路排查提供了研究方向和實驗方法。

1 非接觸測量原理

傳統(tǒng)的測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)。非接觸式電壓測量不同于一般測量方式，其原理是利用電容耦合效應(yīng)在物體表面進行電壓測量[7-8]，測量原理圖如圖1所示。將設(shè)計的感應(yīng)電極置于電場中，信號源與感應(yīng)電極形成耦合電容，耦合電容經(jīng)由測量系統(tǒng)與地形成一個分壓電路。

圖1 非接觸式電壓測量原理

假設(shè)信號源的電壓US，經(jīng)過圖1分壓結(jié)構(gòu)，在測量系統(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，則測量系統(tǒng)的輸出為：

(2)

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

2 整體系統(tǒng)方案設(shè)計

本文設(shè)計的非接觸式線纜測量系統(tǒng)采用PIC16F877A單片機作為處理器，通過設(shè)計的感應(yīng)電極靠近待測線纜將采集到的信號以位移電流的形式傳送到系統(tǒng)處理，由于采集到的信號為微弱電壓信號，因此采集的信號首先進入信號放大電路，經(jīng)過放大處理后輸 給后面的電壓提升線路，交流信號提升后單片機通過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顯示測量波形或者單片機通過顯示模塊進行顯示電壓有效值。電源模塊主要為各部分硬件電路正常工作進行供電。方案設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 感應(yīng)電極和信號處理電路

本文設(shè)計了感應(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)電極接近待測線纜表面后，電極與待測線纜分別作為電容的兩極，從而實現(xiàn)電容耦合。為了減小輸入信號的誤差，在電極的周圍又設(shè)計一個寬度為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)計的信號放大電路的有源屏蔽結(jié)構(gòu)連接。同時為了減少外界環(huán)境的干擾，在整個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。由于檢測信號十分微弱，連接前端感應(yīng)傳感器和信號處理電路的同軸導(dǎo)線必須帶有屏蔽結(jié)構(gòu)。感應(yīng)電極的實物圖與PCB設(shè)計如圖3所示。

因為在線纜表面測量到的電壓信號十分微弱，因此信號處理電路的設(shè)計顯得異常重要，需要考慮信號的放大、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)計的信號處理電路如圖4所示。感應(yīng)電極獲取微弱感應(yīng)信號通過同軸電纜信號層送至信號處理電路，經(jīng)過自舉電路和電壓提升電路得到可以供單片機采樣的電信號。為滿足電路設(shè)計的要求，信號放大電路中采用了具有高輸入電阻與低輸入電容的運算放大器。此類運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放的穩(wěn)定工作，本測量系統(tǒng)的前端電極采用非接觸的方式，感應(yīng)電極不與信號源直接接觸，不能提供運算放大器穩(wěn)定工作所需要的輸入電流。

圖4 信號放大電路原理圖

設(shè)計自舉電路通過正反饋提高電路的輸入端動態(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。常用于提高電路的增益、增大電路的輸入阻抗等方面。采用自舉電路為運算放大器提供所需的偏置電路，既可以滿足運算放大器穩(wěn)定工作的要求，又不會對系統(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，并且因為正反饋的引進，流經(jīng)R1的電流IR1減弱，若定義U+為運算放大器同相輸入端電壓，U-為運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Ui。則可以計算得到：

(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的電阻會導(dǎo)致運放正負端的電壓不平衡，這樣會導(dǎo)致等效輸入阻抗的下降，增加R1會使得系統(tǒng)的熱噪聲影響變大，綜合以上情況考慮，實驗中R1、R2采用2個阻值為2 MΩ的電阻。

為了降低傳輸線上產(chǎn)生的等效電容，該信號放大電路還設(shè)計了有源屏蔽結(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放A2的同相輸入端，運放的輸出端接同軸電纜的屏蔽層形成有源屏蔽。由于設(shè)計自舉輸出電壓與輸入電壓相等，因此傳輸線的信號層和屏蔽層的電壓信號相等，所以有效的降低了傳輸線的等效電容，從而使信號放大電路的輸入電容也減小了，進一步提高了系統(tǒng)靈敏度。

為驗證所設(shè)計電路的有效性，采用PROTUS軟件進行仿真調(diào)試。圖6(a)中，選擇一個有效值為0.35 V(50 Hz)的交流電壓源作為仿真的采樣信號，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電容抵消電路，該結(jié)構(gòu)可以有效的減小運放的輸入電容。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)計預(yù)期的要求。

2.2 單片機控制系統(tǒng)和軟件設(shè)計

軟件設(shè)計的程序流程圖如圖7所示。處理后的模擬電壓信號輸入PIC16F877A單片機進行AD轉(zhuǎn)換并計算后送顯示模塊顯示。單片機的軟件程序編寫包括系統(tǒng)初始化程序、延時程序、定時器中斷程序、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個部分。實現(xiàn)信號采集、信號處理、信號傳輸，信號顯示等功能。

圖6 自舉電路仿真圖及波形

圖7 軟件程序流程圖

3 實驗研究與分析

為驗證所設(shè)計的方案是否可行，本文采用接觸調(diào)壓器提供測試電壓，使用接觸器線圈作為負載構(gòu)成實驗線路，分別針對系統(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載情況下的對比實驗，實驗平臺搭建如圖8所示。

圖8 實驗原理圖

3.1穩(wěn)定性分析

為了驗證測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在空載與負載情況下測量通電導(dǎo)線上不同位置的電壓進行對比分析。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，測量導(dǎo)線上不同點的空間電壓值，表1是空載時導(dǎo)線上不同點的電壓值，X表示導(dǎo)線上測量點與電極的距離。

表1 空載時導(dǎo)線各點電壓

測量空載導(dǎo)線上各點數(shù)值后，給接觸調(diào)壓器接上接觸器線圈作為負載，進行負載實驗測量。測得的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 負載時導(dǎo)線各點電壓

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

3.2線性度分析

為了驗證測量系統(tǒng)的測量結(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，選擇導(dǎo)線上固定點測量。本次測量依舊分別測量空載與負載情況下的參數(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。空載時測量系統(tǒng)測得的電壓值見表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)計的測量系統(tǒng)測得的電壓值。

表3 空載時不同電壓值測量結(jié)果

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

表4 負載時導(dǎo)線各點電壓

通過以上兩個表格的數(shù)據(jù)可以得出空載和負載情況下測量數(shù)據(jù)的散點圖如圖9。

圖9 測量結(jié)果散點統(tǒng)計圖

由調(diào)試過程可知，不論是空載還是負載，當(dāng)電壓出現(xiàn)變化時，系統(tǒng)測量的電壓也跟著變化，且變化趨勢呈線性，但偶爾會出現(xiàn)波動，其原因是由于受到試驗環(huán)境中其他電器設(shè)備的干擾導(dǎo)致，可采用兩個電極構(gòu)成差分輸入的方法進行補償[9-10]。

3.3長距離測量的穩(wěn)定性分析

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

圖10 空載和負載下線纜兩端測量波形

由測量波形可以看出線頭部分電壓會比線尾部分電壓稍大，因為信號線纜自身存在電阻，線纜距離長的時候會有一定的損耗，后續(xù)研究還需要設(shè)計一個補償系數(shù)來對損耗進行補償。待測信號線的線頭部分電壓會比線尾部分電壓稍大，相對于負載情況的結(jié)果，空載情況下的線頭線尾測量電壓差別會比較小。

3.4 線路斷點檢測實驗

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

實驗選取5 m長的線纜，在2 m處割斷部分導(dǎo)線模擬損傷點，接入線圈負載進行負載實驗，測量了無損線路和損傷線路首末段端信號，首端電壓一致，末端電壓存在明顯差別。末端信號如圖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。斷開線圈負載進行空載實驗，同樣測量線路電壓并進行比較，如圖12所示，結(jié)果與負載時一致。實驗結(jié)果說明測量系統(tǒng)可以用于線纜的探損檢測。

圖11 負載條件下線纜探損測量波形

圖12 空載條件下線纜探損測量波形

4 結(jié)束語

文章針對低壓配電線纜排查設(shè)計了一種非接觸測量系統(tǒng)，介紹了非接觸測量的原理，給出了整體設(shè)計的主要硬件電路和仿真結(jié)果。測量系統(tǒng)做了穩(wěn)定性、線性度、長距離穩(wěn)定性及線路斷點檢測四組實驗，每組實驗分別在負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。實驗結(jié)果表明測量系統(tǒng)具有良好的可靠性，可以用于線路錯接和線路斷損的排查。