适用于局部放电模拟的校正信号发生电路研究*

岳克，马钰文，李晨，王磊，陈炯

（1.上海电力学院，上海200090；2.国网山西省电力公司阳泉供电公司，山西阳泉045000）

0 引 言

电力设备绝缘中的某些薄弱部位在强电场的作用下发生局部放电是高压绝缘中普遍存在的问题。虽然局部放电一般不会引起绝缘的穿透性击穿，但可以导致电介质（特别是有机电介质）的局部损坏。若局部放电长期存在，在一定条件下会导致绝缘劣化甚至击穿。因此，对电力设备进行局部放电测试是电力设备制造和运行中的一项重要预防性试验［1－5］。

针对基于脉冲电流检测法的局部放电检测设备在使用过程中的放电量校准环节，作者设计了一种脉冲相位、幅值和个数均可调节的脉冲发生电路，作为局部放电模拟信号。该模拟源主要由方波发生电路和信号控制发生电路两部分构成，能够满足GB/T 7354-2003/IEC 60270：2000中关于电量校准 的要求［6］。

校正系统作为局部放电检测系统标定分度系数的信号源，直接关系到局部放电检测的准确性，是局部放电检测系统的重要组成部分［5］。传统脉冲发生仪作为应用在校正环节的信号源，只能针对放电量进行调节，不能有效模拟局部放电信号，功能单一。而文中设计的电路所发出的脉冲信号可以调整脉冲发生的相位、幅值及个数，作用不局限于对放电量的校正，亦可以作为局部放电检测装置功能测试的信号源，与正弦交流信号叠加，模拟多种情况下的局部放电信号［7－10］。

该局部放电信号模拟单元主要由方波发生电路和控制信号产生电路两部分构成。其中脉冲发生电路采用锁相环芯片HEF4046BP产生脉冲信号；通过控制电路输出的相位、占空比可调方波信号作用于HEF4046BP禁止端，对脉冲发生的相位、个数进行控制。控制信号电路主要由移相电路、方波变换电路和方波占空比调节电路三个部分组成。并为验证电路可行性，对整个模拟源进行了搭建。

1 局部放电的模拟基本原理

通过二阶微分电路模型，设计了一个可调脉冲发生装置来模拟局部放电信号。其放电量控制基本原理电路如图1所示。

图1中C0为方波信号输入端，其幅值为U0。为计算方便，将Ca与Cb等效为C1，其中Ca为分度电容，Cb为被测试品电容。将调节电阻R1′、R2′、R3′、R4′的阻值统称为Rx。等效电容C1的初始电压U1为0。

图1 局部放电信号模拟原理图Fig.1 Partial discharge signal simulation diagram

分析该电路模型：

将U1＝Aest代入该二阶常微分系数微分方程，得其特征方程为：

其判别式：

又有 C0≫C1、R1≫Rx，则 Δ可以近似为：

则：

由上式可知，两个指数函数构成了电容C1两端的电压U1，由于S1的绝对值远大于S2，电容C1两端的电压峰值接近于：

此时电容C1的充电电量为：

因此，调整R1、Rx的参数，即可实现对输出电量大小的控制，通过后续分压电路的设计可以实现多种电量大小输出。

2 局部放电信号模拟电路设计方案

文中电路主要由方波发生电路和控制信号电路两部分组成。如图2所示，利用控制信号电路实现对方波发生电路产生的脉冲相位、个数的控制。

图2 模拟电路系统框图Fig.2 System block diagram of simulation circuit

2.1 脉冲发生电路

采用基于锁相环芯片HEF4046BP的RC压控振荡器作为方波脉冲发生电路，外接定时电容和电阻作为充放电原件，以实现振荡方波输出。

当锁相环芯片接入固定电源（本设计以9 V叠层电池对芯片进行供电）时，芯片起方波振荡电路的作用。振荡器的振荡频率与控制电压成正比，即当VCO控制端的控制电压为0时，输出频率处于最小值；当输入控制电压等于电源电压VDD时，输出频率则几乎以线性增长方式增大到最大频率输出。对于固定的供电电源，当外接压控振荡器的充放电电容确定时，只需调节电阻R28阻值即可调整振荡器振荡频率，振荡方波信号从芯片4脚输出，通过电位器及电阻分压模块进行分压，实现脉冲方波不同幅值输出，即多档放点量控制。按图3所示接外围元件值可得输出理论频率在50 Hz～500 Hz方波信号。

图3 脉冲方波发生电路设计图Fig.3 Design diagram of pulse square wave generating circuit

2.2 控制信号电路

锁相环芯片HEF4046BP的RC型压控振荡器能稳定输出不同幅值的脉冲方波信号，通过对分压电路的设计，可以实现多档位放电量调节。但要进一步对放电脉冲的相位和个数进行控制，需要设计一个控制信号电路接入HEF4046BP的禁止端，通过该控制信号实现对放电脉冲相位、个数的控制。该控制信号电路主要由移相、方波变换、占空比调节三个主要模块组成。

2.2.1 移相电路设计

设计了一个带运放的级联移相电路以实现连续相位调节原理图如图4所示，通过级联移相电路，对函数信号发生器产生的正弦信号进行移相。

图4 级联移相原理图Fig.4 Cascade phase shift circuit

取适当参数，调节电阻即能实现对输入正弦信号相位的连续调节。当两级反馈电阻相等，即R1＝R2时，该级联移相电路的输出电压和输入电压大小相等。当回路电容值固定时，调节可变电阻可实现等幅移相。本文级联移相电路运放芯片选用LM324，其高度四运放集成能有效减小硬件电路设计体积，且无需设计相应外部偏置元件。以100 kΩ电位器代替可变电阻作为移相角度调节开关，实现较高的调节分度。经实测，最大移相角度为218°。

2.2.2 方波变换电路设计

因HEF4046BP的控制需要高低电平来实现，故需将经过移相的正弦信号变换为方波信号。文中选用NE555，通过施密特触发器方式来实现稳定正向方波输出，将正弦信号变换为方波信号。方波变换电路设计如图5所示。

其中 C12和 C1为耦合电容，R3、R29和 R9、R30起直流偏置作用，使NE555的2、6脚的偏置电压在VDD/2，介于两个阈值电平之间。

2.2.3 占空比调节电路设计

由于脉冲发生的个数主要由该控制信号的占空比决定，当输入禁止端的控制信号为电平时，HEF4046BP发出脉冲。因此为实现对脉冲个数的控制，必须对控制信号的占空比进行调节。

如图6所示，占空比可调电路由积分电路和电压比较器电路组合实现。积分电路将变换得到方波信号转换成三角波信号并输入电压比较器同相输入端，然后调节电压比较端。当输入的三角波信号大于电压比较器反相端电压时，比较器的输出端信号处于高电平VCC，当输入信号小于其反相端电压时，该比较器的输出处于低电平，进而可以实现可调占空比正向高低电平矩形脉冲。

图5 方波变换电路V ccFig.5 Square wave transformation circuit

图6 占空比调节电路Fig.6 Duty ratio adjustment circuit

3 试验结果

为了验证电路设计的正确性，制作了PCB板并搭建了完整电路，电路实物如图7所示，对电路设计进行了试验验证。

图7 电路实物Fig.7 Circuit object

试验使用Agilent-33522A型函数信号发生器作为输入正弦信号，在未加装屏蔽盒的情况下进行了电路的总体测试。试验结果表明电路可以很好的模拟局部放电脉冲，并能对脉冲发生的个数、相位进行调节。

图8 试验波形（单次脉冲）Fig.8 Test waveform（single pulse）

图9 试验波形（多次脉冲）Fig.9 Test waveform（multiple pulse）

如图8～图9所示，图8为发生在45°左右的单个放电脉冲模拟信号波形、图9为发生在45°～90°时的多个放电脉冲波形。（最上方波形为叠加了放电脉冲的正弦信号；中间波形为控制信号；下方波形为脉冲信号）

4 结束语

根据局部放电测量标准 GB/T 7354-2003/IEC 60270：2000，针对局放仪在使用过程中的放电量校准环节，设计了一种脉冲相位、幅值和个数均可调节的装置，作为局部放电模拟信号。该电路由方波发生电路和信号控制发生电路构成。

依照设计搭建了电路进行验证，测试结果显示电路可以很好的模拟电缆局部放电信号，能在标定电量的基础上对脉冲发生的个数、相位进行调节。对电路进一步完善之后可以作为检测、标定电缆局部放电测量系统的完整装置。