基于低频电源法的采区电缆漏电监测系统设计

郭西峰

（山西汾西矿业集团曙光煤矿， 山西 孝义 032300）

引言

对采区供电电缆进行在线监测，不仅可以节省人力，监测出电缆对地的真实绝缘电阻值，而且有利于及早发现漏电隐患，能够准确地判断出漏电线路，并且可以对线路漏电变化趋势做出预判。这些优点可以弥补人力监测的不足，确保采区供电系统的安全运行[1-3]。硬件电路是整个监测系统正常工作的基础，因此，要求硬件电路能准确、有效地采集到特征信号，并在允许的精度范围内将特征信号进行处理，减少或抑制干扰，保证监测结果的可靠性[4]。

1 硬件系统总体设计方案

采区电缆漏电监测系统的硬件组成框图如图1所示。

图1 监测系统硬件组成框图

由上图可知，硬件系统分为以下4个部分[5]：

1）信号采集、处理。选用适合微信号和低频率的电流传感器，采集低频信号，将采集信号经过滤波等环节的处理后，最终变化为数字信号送给单片机。

2）单片机系统。单片机对采集到的数字信号进行处理，并将处理结果通过液晶屏显示线路动态电阻值和电容值得变化情况。当电阻值达到警示设定值，单片机输出信号进行警示或者报警；根据对电容的监测结，调节可调电感器，实现对容性电流的补偿。此外，正弦信号的产生也由单片机完成。

3）低频正弦信号。为了得到稳定的低频信号，减少单片机电路板线路之间的相互干扰，可以设计单独的正弦信号产生电路。

4）电源。每个电路模块均需要供电系统，尤其在有源滤波电路和信号放大电路中需要有稳定、可靠电源为芯片供电，所以需要设计满足电路和芯片要求的供电系统。

2 单片机的选择

在单片机作为核心控制器的系统设计中，CPU的选择尤为重要。监测系统需要能够实时监测供电线路绝缘电阻值的情况，处理大量的实时动态数据，并且及时预报、判断漏电故障的发生，这对单片机的快速性、实时性、准确性和多功能性提出很高的要求。本文硬件设计中选用了实时性和快速性都比较好的AT89S52作为中央处理器，该芯片完全可以满足硬件电路设计要求。

3 信号采集单元

信号采集流程图如图2所示。

图2 信号流程图

3.1 信号变换电路

信号转换电路的作用是将低频电流信号变换成交流电压信号。电路如图3所示，通过调节可调电阻R1将电压信号调至符合A/D转换要求范围。电路中由运算放大器OP07组成电压跟随器，它能起到系统内外部之间高压隔离、阻抗比配和抗干扰的作用。

图3 信号变换电路

图3 中使用的集成芯片OP07是一种低噪声放大器，该芯片采用双极性供电，非斩波稳零，在使用中不会给电路带来很大干扰；在没有接入输入信号时，芯片输出端最大失调电压仅为25μV，所以在很多使用该芯片的电路中没有调零电路，同时该芯片开环放大倍数（即增益）很高，这些优点使得该芯片在对微弱信号的放大领域得到广泛应用，例如对传感器检测信号的放大。基于上述优点，本文中多处电路设计中会使用该芯片。

3.2 滤波电路设计

监测中需要采集低频电压、电流信号。电流互感器检测到的低频信号包括工频及高次谐波，因此需要设计滤波电路滤除干扰频率，保留10 Hz低频信号。

滤波器是一种选聘网络，传输指定频段信号，抑制其它频段信号。按是否使用有源器件分类，滤波器可分为无源滤波器与有源滤波器；根据电路构成的不同，滤波器可分为低通、高通、带通、带阻、全通滤波电路。无源滤波器电路比较简单，一般由R、L、C构成。无源滤波电路中，常因R的分压，使滤波输出信号幅值衰减，滤波效果欠佳。有源滤波器含有运算放大器，具有输入阻抗高、输出阻抗小和反馈的特性，消除了R分压问题；此外，还因为有源滤波器体积小、性能稳定，频率范围约为10-3～106Hz，频率稳定度可达到10-3～10-5℃，频率精度为3%～5%，并可用简单的级联来得到高阶滤波器且调谐也很方便。因而被广泛应用于通信、测量及控制技术中的小信号处理。本文采用有源滤波电路。

本文将设计双T带阻滤波电路用以消除50 Hz工频信号，同时设计设计二阶压控电压源带通滤波器选出10 Hz低频信号。

3.2.1 双T带阻滤波电路

如图4所示，滤波电路由R1、R2、C3构成的低通滤波电路、由 C1、C2、R3构成的高通滤波电路、反馈网络和运算放大器组成。每个无源滤波电路均由2个元件，构成英文字母Three，故称之为双T网络。输入信号的低通截止频率小于高通截止频率形成阻带。

图4 50 Hz陷波电路

3.2.2 10 Hz低频带通滤波电路

低频带通滤波电路如图5所示。有源带通滤波器相当于有源低频、高通滤波器的组合，频率交叉部分可以通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。

图5 低频带通滤波电路

3.3 前置放大电路

经过滤波后的采集信号仍然十分微弱，要将信号放大到一定的倍数供后续电路处理。为减小电路导通时电阻的影响，要求前置放大电路输入阻抗一定要很高，为满足这一要求和提高放大精度，采用集成运放设计放大电路。高度集成的运放通用性较强，噪声系数小，温漂和失调电压、电流也很小，增益、共模抑制比高，一般开环增益很高（可达104），用在负反馈放大电路中，其电压增益仅与外电阻的比值相关，与运放本身参数无关。所以本文使用了高精密放大器AD620对采集信号进行放大。

3.4 电压偏移电路

使用ADC0809转换芯片对信号进行A/D转换，该芯片具有8位分辨率，可以采用单端或差分模式输入信号，本文中使用该芯片单端输入模式，所以，在A/D转换之前对被测模拟交流信号进行电压偏移，将其电压提升至0～5 V。电路如图6所示。

图6 电压偏移电路

3.5 采样保持电路

模数转换芯片需要采集模拟输入量在某一时刻的瞬时电压，将采集量转换为数字量。由于转换过程需要一定的时间，如果在转换过程中送给ADC的模拟量发生变化，就不能保证转换精度。所以，采样保持电路的作用就是保证模数转换期间，输入给ADC的量保持不变，直到下一个采样时间再取出一个模拟信号值来代替原来的值。这就决定了电路有两种工作状态，即“采样”和“保持”。ADC工作期间，采样保持器将保持转换开始时的输入值保持不变，因此能抑制由放大器干扰带来的转换噪声，提高ADC的精确度，消除转换时间的不准确性。

图中7中，巧信号控制开关S的导通与关闭。当Vf为采样信号时，S导通，输入信号Vin向电容CH充电，Vout随着Vin的变化而变化；当Vf为保持信号时，S断开，Vout将保持在S断开瞬间的Vin的数值。图中放大器A为具有高输入阻抗和缓冲特性，使得CH与负载隔离，防止CH上的电荷在保持阶段经负载泻放。

图7 采样保持原理图

4 A/O转换、报警电路和显示装置

4.1 A/D转换

A/D转换采用的是ADC0809芯片，芯片采用CMOS工艺，自带8位A/D转换器，8通道迷你输入端，可以根据需要，采用分时复用的方法，选择某一个或者某一个通道进行A/D转换。芯片采用逐次逼近式A/D转换器，由于内部自带输出锁存器，可以与AT89S52单片机直接相连。采集信号可以通过多通道输入，使用该芯片可以满足系统对快速性和可靠性的要求。

4.2 报警电路

报警电路设计如图8所示。

图8 报警电路

采区供电电缆的绝缘报警设备由单片机的P1.3、P1.2管脚控制。当监测阻值低于设定预警值时，P1.3变为高电平，驱动发光二极管闪烁，给出给出警示信息；当监测电阻低于设定报警值时，P1.2管脚变为高电平，打开蜂鸣器驱动电路，发光二极管闪烁，发出报警信号，提醒值班人员及时出现故障[6]。

4.3 显示装置

由于井下环境潮湿、恶劣，显示装置应该选用稳定性好，抗干扰能力强，显示亮度清晰，同时具有控制指令丰富、底功耗、体积小等特点的显示装置。综合上述，选择使用1602液晶显示，它是工业字符型液晶，能够同时显示16×2（16列2行）个字符。它的工作电压3.3 V或5 V，屏幕亮度可调，内含复位电路，在低功耗和小型仪表系统中得到广泛应用，能够满足本文的设计要求。

5 可调电感电路设计

很多文献对可调电感电路进行了研究。本文中用到的电感值比较大，采用含有铁芯的电感线圈，通过调节铁芯与电感线圈的之间的间隙，实现对电感值得调节。

使用步迸电机来调节电感器的电感值。根据单片机对电容值得监测结果，产生对步进电机控制的信号，当电容值接近零时，控制信号消失。步进电机每前进一步，就对控制信号做一次检查，直到控制信号消失。该方法虽然实现较为笨重，但是不会产生高频噪声，而且简单实用。

6 抗干扰措施

6.1 抑制干扰源的产生

1）可能存在干扰源（如电感、可控硅等）的两端并联适当的电容以消除电容的波动性，串联电感、电阻或者增设续流二极管消除电流变化带来的干扰；

2）在复位等开关处并联RC串联支路，滤除开关抖动带来的噪声信号；

3）电路板中集成电路供电接口并联高频电容（如10～100 pF），减小集成模块对电源的干扰；布线中合理使用直角折线，降低高频噪声发射。

6.2 切断传播途径

1）使用带阻、带通选频网络以及低通滤波器等消除工频和谐波影响，晶振布线要合理，晶振外壳接地且固定，位置靠近单片机，并使用地线将晶振区隔离。

2）电路板分区要合理，如数字信号区、模拟信号区、强信号区、弱信号区。尽可能把干扰源与敏感元件远离。

3）数字区、模拟区使用地线隔离，最后在接在电源地处。

4）供电模块抗干扰设计。设计中用到的电源模块，采用技术成熟、稳定性好集成稳压芯片，每个单元么模块相互独立，并在相应管脚增加合适的电容，防止电源可能对监测结果造成的影响。

5）在芯片的输入、输出端口以及电源线、电路板连接线等位置放置抗干扰器件，如滤波器、光电隔离器等。

7 结论

选择采用改进低频电源法构建漏电监测系统，改进低频电源法消除了电缆电容变化对监测结果造成的影响，能够很好地实现对电缆真实电阻值的动态监测。