地铁电缆放电信号采集系统的设计

地铁电缆放电信号采集系统的设计

李立学江秀臣曾奕达世鹏窦同江沈坚强摘要牵引变电站直流1500V馈出电缆是地铁供电的重要部件。局部放电或火花放电是造成该电缆绝缘老化的主要原因。在分析地铁直流电缆放电信号特征的基础上，筒述了所设计的放电检测传感器的特性，设计了对多根地铁直流电缆放电信号采集的系统，并巳付之实施。关键词地铁，电缆放电，数据采集系统

牵引变电站直流1500V馈出电缆是地铁供电的重要部件。上海轨道交通1号线自投入运营以来，已发生多起因直流电缆故障造成地铁牵引供电系统的停电。当前国内外对交流电缆的在线监测方法都做了很多研究，如直流分量法、直流叠加法、局部放电检测法以及接地电流法和低频分量法等[1]，但在直流电缆方面的研究还相对较少。传统的采用摇表离线检测的方法存在很大不足，属于“安慰性”试验。虽然由于绝缘材料在交流和直流情况下表现出的特征不一致，但将交流电缆的在线监测方法用在直流电缆的在线监测上，理论上仍然是可行的，故被本设计采用。

电缆局部放电是造成绝缘老化的主要原因，也是绝缘劣化的重要征兆和表现形式[2]，与绝缘材料的劣化击穿过程密切相关，能够有效地反映直流电缆绝缘的故障。由于地铁牵引变电站所使用的电缆无铠装、直埋，故将检测地铁电缆放电信号作为一个主要的研究方法。

牵引变电站直流1500V馈出电缆一般是5根电缆为一组并联运行，给地铁机车供电。理论上讲，并联在一起的5根电缆中有1根发生放电，其它电缆上也会有相应的放电信号出现。对5根电缆的同步信号采集除可以确认信号的真实性外，另外还可以通过差分等方法来消除环境噪声，提高信噪比。一般—个牵引变电站有4组电缆，因此，采集系统设计成能对最多20个通道放电信号实现同步采集。1地铁电缆放电信号采集系统的设计1.1地铁直流电缆放电信号的特征

图1所示为实验室观测得到的直流电缆放电信号波形。该信号在输入到示波器之前进行了25倍的放大。由图可知，放电信号的频谱在4MHz左右，电压幅值大概为±20mV。1.2放电检测传感器的特性

为缩小传感器尺寸，放电检测传感器以高磁导率的超微晶磁性材料作为磁芯，在圆形磁心上均匀绕制高强度漆包线，构成典型的罗戈夫斯基线圈型电流传感器。传感器的内径大小设计成与地铁电缆外护套尺寸相当，保证很好的磁耦合;传感器线圈是套在电缆外护套上的，因此测量装置与1500V直流电在电气上是绝缘的，为非接触式测量。超微晶磁性材料具有高磁导率、低损耗、矫顽力小、高饱和磁感应、高稳定性等特点;由此设计的传感器具有高带宽、带内幅值增益平坦等特性，能有效地检测出电缆火花放电产生的微弱高频信号。

传感器线圈的输出信号幅值在20mV以内，必须进行前置放大再传输。放电检测传感器对频率为1~9MHz之间的信号具有良好的传输特性。但从现场运行数据分析，现场存在较强的、频率在0.6~1.5MHz之间的周期性窄带干扰，必须在传感器信号放大之前将其滤除，否则会导致信号饱和。放电信号频率在4MHz左右(见图2)，因此，前置放大滤波器的设计目标为中心频率4MHz，频带宽度4MHz，即通频带为2~6MHz，放大倍数设计为64倍。1.4多通道同步数据采集模块的设计

最多20通道的放电信号经过等长的5m电缆并行送人多通道同步高速数据采集板，在采集板内实现同步模/数转换。采集板由并行的20个通道构成，每个通道包括输入程控放大器、抗混叠滤波器、模/数转换器(A/D)和存储器(SRAM)。程控放大器的放大倍数可由软件设置为1、2、4和8倍;抗混叠滤波器为四阶巴特沃斯型低通滤波器，其截止频率设定在7.5MHz;模/数转换芯片采用AD公司的12bit、最高转换速率为25MS/s的AD9225;存储芯片为高速SRAM，存储容量为4M×16，即在采样率为20MHz时最多可以实现20ms的连续采样。

如图4所示，用一片CPLD(复杂可编程逻辑控制器件)来同时控制20个通道的A/D)和存储器，即实现A/D到SRAM之间的直接数据存储(DMA模式)。AD9225的控制极为简单，只需用CPLD向其输入采样时钟，并使能数据输出;CPLD同时产生SRAM的地址和写信号，采样数据即从AD9225存人SRAM。实际应用中除使用定时方式采集电缆放电信号外，为减小数据量，可能会采用信号触发的方式，即20个通道中有一路模拟信号的幅值超过设定阀值便自动开始采样，直到设定的采样长度信号触发的基本原理是将20路信号分别与阀值比较的结果相“或”，然后用作采样的触发。

数据采集板的另一个功能是预采样，即将信号触发前一段时间的波形也记录下来，这样可得到放电信号的完整波形，便于对数据进行分析研究。在预采样模式下，A/D一直以设定的采样率运行，在CPLD控制下，数据循环存入SRAM，即SRAM被A/D采样数据循环写入，直到有一个触发条件出现。当触发条件出现后，CPLD控制A/D继续采样“采样长度—预采样长度”个样点，CPLD记忆触发时刻输出给SRAM的地址值，通过读出此地址值，向前预采样长度个样点即为本次采样数据的起始位置。

要保证20个通道数据采集的完全同步，除了使用同一个CPLD逻辑来控制所有20路A/D同时工作外，还需要使用同样材料的输人信号线且线长相同，要求精确调整放大器和滤波器的参数以达到几乎相同的信号延迟，重要的是所有传感器要有很好的一致性。为防止通道之间的信号串扰，设计中主要采取印制电路板物理隔离、大面积接地屏蔽和使用屏蔽电缆作为输入信号线等。2采集系统测试

通过对系统输入确知信号(如正弦波信号)，以及对采集信号的时域和频域分析，可以评估数据采集系统的性能，如系统增益、通频带和信噪比等。对本系统的测试包含了前端的放电检测传感器，测试时将信号源接1kΩ电阻，从放电检测传感器的线圈中穿过。图5和图6分别为信号源频率为4MHz时其中一个信号采集通道所测得的时域波形及其频域变换波形。3结语

根据上海地铁牵引变电站直流1500V馈出电缆的特点和安装方式等，设计了用于检测