基于低頻電源法的采區電纜漏電監測系統設計

郭西峰

（山西汾西礦業集團曙光煤礦， 山西 孝義 032300）

引言

對采區供電電纜進行在線監測，不僅可以節省人力，監測出電纜對地的真實絕緣電阻值，而且有利于及早發現漏電隱患，能夠準確地判斷出漏電線路，并且可以對線路漏電變化趨勢做出預判。這些優點可以彌補人力監測的不足，確保采區供電系統的安全運行[1-3]。硬件電路是整個監測系統正常工作的基礎，因此，要求硬件電路能準確、有效地采集到特征信號，并在允許的精度范圍內將特征信號進行處理，減少或抑制干擾，保證監測結果的可靠性[4]。

1 硬件系統總體設計方案

采區電纜漏電監測系統的硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 監測系統硬件組成框圖

由上圖可知，硬件系統分為以下4個部分[5]：

1）信號采集、處理。選用適合微信號和低頻率的電流傳感器，采集低頻信號，將采集信號經過濾波等環節的處理后，最終變化為數字信號送給單片機。

2）單片機系統。單片機對采集到的數字信號進行處理，并將處理結果通過液晶屏顯示線路動態電阻值和電容值得變化情況。當電阻值達到警示設定值，單片機輸出信號進行警示或者報警；根據對電容的監測結，調節可調電感器，實現對容性電流的補償。此外，正弦信號的產生也由單片機完成。

3）低頻正弦信號。為了得到穩定的低頻信號，減少單片機電路板線路之間的相互干擾，可以設計單獨的正弦信號產生電路。

4）電源。每個電路模塊均需要供電系統，尤其在有源濾波電路和信號放大電路中需要有穩定、可靠電源為芯片供電，所以需要設計滿足電路和芯片要求的供電系統。

2 單片機的選擇

在單片機作為核心控制器的系統設計中，CPU的選擇尤為重要。監測系統需要能夠實時監測供電線路絕緣電阻值的情況，處理大量的實時動態數據，并且及時預報、判斷漏電故障的發生，這對單片機的快速性、實時性、準確性和多功能性提出很高的要求。本文硬件設計中選用了實時性和快速性都比較好的AT89S52作為中央處理器，該芯片完全可以滿足硬件電路設計要求。

3 信號采集單元

信號采集流程圖如圖2所示。

圖2 信號流程圖

3.1 信號變換電路

信號轉換電路的作用是將低頻電流信號變換成交流電壓信號。電路如圖3所示，通過調節可調電阻R1將電壓信號調至符合A/D轉換要求范圍。電路中由運算放大器OP07組成電壓跟隨器，它能起到系統內外部之間高壓隔離、阻抗比配和抗干擾的作用。

圖3 信號變換電路

圖3 中使用的集成芯片OP07是一種低噪聲放大器，該芯片采用雙極性供電，非斬波穩零，在使用中不會給電路帶來很大干擾；在沒有接入輸入信號時，芯片輸出端最大失調電壓僅為25μV，所以在很多使用該芯片的電路中沒有調零電路，同時該芯片開環放大倍數（即增益）很高，這些優點使得該芯片在對微弱信號的放大領域得到廣泛應用，例如對傳感器檢測信號的放大。基于上述優點，本文中多處電路設計中會使用該芯片。

3.2 濾波電路設計

監測中需要采集低頻電壓、電流信號。電流互感器檢測到的低頻信號包括工頻及高次諧波，因此需要設計濾波電路濾除干擾頻率，保留10 Hz低頻信號。

濾波器是一種選聘網絡，傳輸指定頻段信號，抑制其它頻段信號。按是否使用有源器件分類，濾波器可分為無源濾波器與有源濾波器；根據電路構成的不同，濾波器可分為低通、高通、帶通、帶阻、全通濾波電路。無源濾波器電路比較簡單，一般由R、L、C構成。無源濾波電路中，常因R的分壓，使濾波輸出信號幅值衰減，濾波效果欠佳。有源濾波器含有運算放大器，具有輸入阻抗高、輸出阻抗小和反饋的特性，消除了R分壓問題；此外，還因為有源濾波器體積小、性能穩定，頻率范圍約為10-3～106Hz，頻率穩定度可達到10-3～10-5℃，頻率精度為3%～5%，并可用簡單的級聯來得到高階濾波器且調諧也很方便。因而被廣泛應用于通信、測量及控制技術中的小信號處理。本文采用有源濾波電路。

本文將設計雙T帶阻濾波電路用以消除50 Hz工頻信號，同時設計設計二階壓控電壓源帶通濾波器選出10 Hz低頻信號。

3.2.1 雙T帶阻濾波電路

如圖4所示，濾波電路由R1、R2、C3構成的低通濾波電路、由 C1、C2、R3構成的高通濾波電路、反饋網絡和運算放大器組成。每個無源濾波電路均由2個元件，構成英文字母Three，故稱之為雙T網絡。輸入信號的低通截止頻率小于高通截止頻率形成阻帶。

圖4 50 Hz陷波電路

3.2.2 10 Hz低頻帶通濾波電路

低頻帶通濾波電路如圖5所示。有源帶通濾波器相當于有源低頻、高通濾波器的組合，頻率交叉部分可以通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號均加以衰減或抑制。

圖5 低頻帶通濾波電路

3.3 前置放大電路

經過濾波后的采集信號仍然十分微弱，要將信號放大到一定的倍數供后續電路處理。為減小電路導通時電阻的影響，要求前置放大電路輸入阻抗一定要很高，為滿足這一要求和提高放大精度，采用集成運放設計放大電路。高度集成的運放通用性較強，噪聲系數小，溫漂和失調電壓、電流也很小，增益、共模抑制比高，一般開環增益很高（可達104），用在負反饋放大電路中，其電壓增益僅與外電阻的比值相關，與運放本身參數無關。所以本文使用了高精密放大器AD620對采集信號進行放大。

3.4 電壓偏移電路

使用ADC0809轉換芯片對信號進行A/D轉換，該芯片具有8位分辨率，可以采用單端或差分模式輸入信號，本文中使用該芯片單端輸入模式，所以，在A/D轉換之前對被測模擬交流信號進行電壓偏移，將其電壓提升至0～5 V。電路如圖6所示。

圖6 電壓偏移電路

3.5 采樣保持電路

模數轉換芯片需要采集模擬輸入量在某一時刻的瞬時電壓，將采集量轉換為數字量。由于轉換過程需要一定的時間，如果在轉換過程中送給ADC的模擬量發生變化，就不能保證轉換精度。所以，采樣保持電路的作用就是保證模數轉換期間，輸入給ADC的量保持不變，直到下一個采樣時間再取出一個模擬信號值來代替原來的值。這就決定了電路有兩種工作狀態，即“采樣”和“保持”。ADC工作期間，采樣保持器將保持轉換開始時的輸入值保持不變，因此能抑制由放大器干擾帶來的轉換噪聲，提高ADC的精確度，消除轉換時間的不準確性。

圖中7中，巧信號控制開關S的導通與關閉。當Vf為采樣信號時，S導通，輸入信號Vin向電容CH充電，Vout隨著Vin的變化而變化；當Vf為保持信號時，S斷開，Vout將保持在S斷開瞬間的Vin的數值。圖中放大器A為具有高輸入阻抗和緩沖特性，使得CH與負載隔離，防止CH上的電荷在保持階段經負載瀉放。

圖7 采樣保持原理圖

4 A/O轉換、報警電路和顯示裝置

4.1 A/D轉換

A/D轉換采用的是ADC0809芯片，芯片采用CMOS工藝，自帶8位A/D轉換器，8通道迷你輸入端，可以根據需要，采用分時復用的方法，選擇某一個或者某一個通道進行A/D轉換。芯片采用逐次逼近式A/D轉換器，由于內部自帶輸出鎖存器，可以與AT89S52單片機直接相連。采集信號可以通過多通道輸入，使用該芯片可以滿足系統對快速性和可靠性的要求。

4.2 報警電路

報警電路設計如圖8所示。

圖8 報警電路

采區供電電纜的絕緣報警設備由單片機的P1.3、P1.2管腳控制。當監測阻值低于設定預警值時，P1.3變為高電平，驅動發光二極管閃爍，給出給出警示信息；當監測電阻低于設定報警值時，P1.2管腳變為高電平，打開蜂鳴器驅動電路，發光二極管閃爍，發出報警信號，提醒值班人員及時出現故障[6]。

4.3 顯示裝置

由于井下環境潮濕、惡劣，顯示裝置應該選用穩定性好，抗干擾能力強，顯示亮度清晰，同時具有控制指令豐富、底功耗、體積小等特點的顯示裝置。綜合上述，選擇使用1602液晶顯示，它是工業字符型液晶，能夠同時顯示16×2（16列2行）個字符。它的工作電壓3.3 V或5 V，屏幕亮度可調，內含復位電路，在低功耗和小型儀表系統中得到廣泛應用，能夠滿足本文的設計要求。

5 可調電感電路設計

很多文獻對可調電感電路進行了研究。本文中用到的電感值比較大，采用含有鐵芯的電感線圈，通過調節鐵芯與電感線圈的之間的間隙，實現對電感值得調節。

使用步迸電機來調節電感器的電感值。根據單片機對電容值得監測結果，產生對步進電機控制的信號，當電容值接近零時，控制信號消失。步進電機每前進一步，就對控制信號做一次檢查，直到控制信號消失。該方法雖然實現較為笨重，但是不會產生高頻噪聲，而且簡單實用。

6 抗干擾措施

6.1 抑制干擾源的產生

1）可能存在干擾源（如電感、可控硅等）的兩端并聯適當的電容以消除電容的波動性，串聯電感、電阻或者增設續流二極管消除電流變化帶來的干擾；

2）在復位等開關處并聯RC串聯支路，濾除開關抖動帶來的噪聲信號；

3）電路板中集成電路供電接口并聯高頻電容（如10～100 pF），減小集成模塊對電源的干擾；布線中合理使用直角折線，降低高頻噪聲發射。

6.2 切斷傳播途徑

1）使用帶阻、帶通選頻網絡以及低通濾波器等消除工頻和諧波影響，晶振布線要合理，晶振外殼接地且固定，位置靠近單片機，并使用地線將晶振區隔離。

2）電路板分區要合理，如數字信號區、模擬信號區、強信號區、弱信號區。盡可能把干擾源與敏感元件遠離。

3）數字區、模擬區使用地線隔離，最后在接在電源地處。

4）供電模塊抗干擾設計。設計中用到的電源模塊，采用技術成熟、穩定性好集成穩壓芯片，每個單元么模塊相互獨立，并在相應管腳增加合適的電容，防止電源可能對監測結果造成的影響。

5）在芯片的輸入、輸出端口以及電源線、電路板連接線等位置放置抗干擾器件，如濾波器、光電隔離器等。

7 結論

選擇采用改進低頻電源法構建漏電監測系統，改進低頻電源法消除了電纜電容變化對監測結果造成的影響，能夠很好地實現對電纜真實電阻值的動態監測。