工頻電場遙測系統信號轉換電路的分析與研究

石 磊，張福生，羅 帥，龐樹陽，常炳乾

(石家莊鐵道大學 電氣與電子工程學院，河北 石家莊 050043)

在電力系統運行和檢修時，觸電事故屢見不鮮，不僅對電力從業人員的安全造成威脅，還制約著電力工業的發展。因此一些專家和學者提出使用工頻電場遙測裝置對電力系統帶電狀態進行檢測。而在工頻電場遙測系統中，通過傳感器接收到電場信號后，由于信號微弱，故需將信號放大，而這樣會使信號出現失真現象。論文針對這個問題，提出利用信號轉換電路將電場信號轉化為脈沖信號的方法來解決以上問題。基于以上研究背景，對工頻電場遙測系統中的信號轉換電路部分進行了分析與研究。

1 信號轉化的實現方法

1.1 基本原理

如圖1所示，兩個相同型號的達林頓管T1和T2分別連接平行板電容傳感器的上下極板，將上下極板的信號分別進行放大。下極板通過RC串聯電路，會與上級板的信號產生相位的滯后，這樣一來將T1和T2的發射極連接在異或門上，會產生一個脈沖，如圖2所示。

信號轉換電路主要有以下幾個優點：

1) 當電壓等級很高時，由于硬件的限制，測量電壓信號的頂部會出現削頂失真現象，而將信號轉化成脈沖信號不受削頂失真的影響。

2) 經過達林頓管放大后，很小的一個電壓即可被異或門識別為高電平，從而“觸發”脈沖的產生，因為干擾信號只對電壓信號的幅度有影響而對其“寬度”影響不大，所以這時干擾對轉化信號的影響就變得非常有限，小的干擾不足以讓脈沖寬度發生大的變化，利用這一點可以實現在一定程度上抗干擾。

3) 電壓相差很大時脈沖寬度會有較大的變化，可以通過這一點特性區分不同電壓等級架空輸電線路的電壓信號。

4) 在讀取脈沖寬度時，單片機利用自身的定時器，其讀取的精度在一定程度上要高于利用ADC轉化讀取電壓幅值。

基于以上幾點原因，采用信號轉換電路將電壓信號轉化為脈沖信號。

1.2 Proteus仿真驗證可行性

通過Proteus仿真來驗證上述方法的可行性。圖3為Proteus電路仿真電路圖，圖4為Proteus仿真軟件中示波器顯示的波形圖，其中，黃色線為不加RC串聯電路的達林頓管輸出的信號，藍色線為加RC串聯電路后輸出的信號。由圖可見兩者信號是不同步的。

將以上兩路電路信號經過異或門，如圖5所示，得到如圖6所示波形。

根據以上仿真可知，可以通過上文提到的方法進行信號的轉化。

1.3 RC電路參數變化對于脈沖寬度的影響

因為在實際測量時脈沖寬度如果過于窄，則會出現各電壓等級之間區分不明顯的情況，這會給后續信號處理帶來困難，而且，脈沖太窄會因為示波器的量程問題無法用實驗驗證結果的正確性，故希望能將脈沖寬度變得寬一些，這樣既可以方便區分各個電壓等級所產生的脈沖又為利用信號轉換電路進行實驗打下了基礎，所以在這里進行RC串聯電路參數變化對于脈沖寬度影響的仿真。

為便于直觀的看出改變參數對脈沖寬度的影響，用上圖5所示電路進行仿真，仿真結果如下:

1)分別增加電容、電阻值為原來的十倍時的仿真結果如圖7、8所示。

2)分別將電容、電阻值減小為原來的十分之一的仿真結果如圖9、10所示。

根據以上仿真結果可以初步得到以下結論：對于上述信號轉換電路，RC串聯電路中電容增大時，脈沖寬度隨之減小，電阻增大時，脈沖寬度隨之增大；RC串聯電路中電容減小時，脈沖寬度隨之增大，電阻減小時，脈沖寬度隨之減小。換句話說，在此電路模型中與達林頓管基極所連電容值與脈沖寬度成負相關，而電阻成正相關。根據以上結論，在實驗中可以通過增大電阻與減小電容的方式增大脈沖寬度。

2 電壓變化對于脈沖寬度的影響

2.1 電壓變化對于脈沖寬度的影響的原理分析

如圖11所示，U0為觸發異或門產生脈沖的最低電壓，U1和U2為不同大小的正弦電壓波形，a1和a2分別為兩種電壓所轉化成的脈沖，由圖可以直觀的看到，電壓越高所轉化的脈沖寬度越寬。利用這個特性可以實現遙測預警裝置對不同電壓等級的識別和區分。

2.2 電壓變化對于脈沖寬度的影響的實驗驗證

圖12為根據圖1布設的電路板，其中P5、P6為信號輸入端子，P8為電池供電端子，GouC為信號輸出口，T′1和T′2為兩個型號為2N3904的達林頓管，P7為型號為HCF4070BE的異或門。

用信號發生器發出50 Hz正弦電壓信號連接到P5、P6，用手持式示波器連接信號輸出口GouC，觀察波形。實驗如圖13所示。

2.3 電壓變化對于脈沖寬度的影響的仿真驗證

該測量裝置主要針對架空輸電線路，本仿真進行電壓等級升高對所測脈沖寬度影響的探究。在仿真中，使用交流電壓源V1代替架空輸電線路的電壓，10 MΩ電阻R1代替架空輸電線路對地電阻，C1和C3分別為電容傳感器上級板對架空線路的分布電容還有下極板對大地的分布電容，它們的大小可根據相關公式[7]進行計算，計算結果如表1所示。電容C2是本論文中的電容傳感器，其大小約為3 pF。

表1 不同電壓等級對應分布電容大

改變V1的電壓值和相應的C1、C3電容值，并使用示波器顯示異或門輸出的脈沖，用這樣的方式來得到電壓等級大小對于脈沖寬度的影響。

在此次仿真中，V1的變化范圍為10 kV至500 kV。仿真電路如圖17所示。仿真結果如圖18～23所示。根據以上仿真可知，通過脈沖寬度可以區分各電壓等級的架空輸電線路的信號。

3 結論

本文對平行板電容傳感器測量時存在的干擾及信號失真等問題提出了運用信號轉化的方法解決的方案，進行了理論分析分析、仿真與實驗，驗證了利用將電壓信號轉化為脈沖信號的方法的可行性和實用性，另外，得出脈沖寬度與電壓大小呈正相關的結論，為通過脈沖寬度區分各電壓等級架空輸電線路提供了理論和實踐的支持。