工频电场遥测系统信号转换电路的分析与研究

石 磊，张福生，罗 帅，庞树阳，常炳乾

(石家庄铁道大学 电气与电子工程学院，河北 石家庄 050043)

在电力系统运行和检修时，触电事故屡见不鲜，不仅对电力从业人员的安全造成威胁，还制约着电力工业的发展。因此一些专家和学者提出使用工频电场遥测装置对电力系统带电状态进行检测。而在工频电场遥测系统中，通过传感器接收到电场信号后，由于信号微弱，故需将信号放大，而这样会使信号出现失真现象。论文针对这个问题，提出利用信号转换电路将电场信号转化为脉冲信号的方法来解决以上问题。基于以上研究背景，对工频电场遥测系统中的信号转换电路部分进行了分析与研究。

1 信号转化的实现方法

1.1 基本原理

如图1所示，两个相同型号的达林顿管T1和T2分别连接平行板电容传感器的上下极板，将上下极板的信号分别进行放大。下极板通过RC串联电路，会与上级板的信号产生相位的滞后，这样一来将T1和T2的发射极连接在异或门上，会产生一个脉冲，如图2所示。

信号转换电路主要有以下几个优点：

1) 当电压等级很高时，由于硬件的限制，测量电压信号的顶部会出现削顶失真现象，而将信号转化成脉冲信号不受削顶失真的影响。

2) 经过达林顿管放大后，很小的一个电压即可被异或门识别为高电平，从而“触发”脉冲的产生，因为干扰信号只对电压信号的幅度有影响而对其“宽度”影响不大，所以这时干扰对转化信号的影响就变得非常有限，小的干扰不足以让脉冲宽度发生大的变化，利用这一点可以实现在一定程度上抗干扰。

3) 电压相差很大时脉冲宽度会有较大的变化，可以通过这一点特性区分不同电压等级架空输电线路的电压信号。

4) 在读取脉冲宽度时，单片机利用自身的定时器，其读取的精度在一定程度上要高于利用ADC转化读取电压幅值。

基于以上几点原因，采用信号转换电路将电压信号转化为脉冲信号。

1.2 Proteus仿真验证可行性

通过Proteus仿真来验证上述方法的可行性。图3为Proteus电路仿真电路图，图4为Proteus仿真软件中示波器显示的波形图，其中，黄色线为不加RC串联电路的达林顿管输出的信号，蓝色线为加RC串联电路后输出的信号。由图可见两者信号是不同步的。

将以上两路电路信号经过异或门，如图5所示，得到如图6所示波形。

根据以上仿真可知，可以通过上文提到的方法进行信号的转化。

1.3 RC电路参数变化对于脉冲宽度的影响

因为在实际测量时脉冲宽度如果过于窄，则会出现各电压等级之间区分不明显的情况，这会给后续信号处理带来困难，而且，脉冲太窄会因为示波器的量程问题无法用实验验证结果的正确性，故希望能将脉冲宽度变得宽一些，这样既可以方便区分各个电压等级所产生的脉冲又为利用信号转换电路进行实验打下了基础，所以在这里进行RC串联电路参数变化对于脉冲宽度影响的仿真。

为便于直观的看出改变参数对脉冲宽度的影响，用上图5所示电路进行仿真，仿真结果如下:

1)分别增加电容、电阻值为原来的十倍时的仿真结果如图7、8所示。

2)分别将电容、电阻值减小为原来的十分之一的仿真结果如图9、10所示。

根据以上仿真结果可以初步得到以下结论：对于上述信号转换电路，RC串联电路中电容增大时，脉冲宽度随之减小，电阻增大时，脉冲宽度随之增大；RC串联电路中电容减小时，脉冲宽度随之增大，电阻减小时，脉冲宽度随之减小。换句话说，在此电路模型中与达林顿管基极所连电容值与脉冲宽度成负相关，而电阻成正相关。根据以上结论，在实验中可以通过增大电阻与减小电容的方式增大脉冲宽度。

2 电压变化对于脉冲宽度的影响

2.1 电压变化对于脉冲宽度的影响的原理分析

如图11所示，U0为触发异或门产生脉冲的最低电压，U1和U2为不同大小的正弦电压波形，a1和a2分别为两种电压所转化成的脉冲，由图可以直观的看到，电压越高所转化的脉冲宽度越宽。利用这个特性可以实现遥测预警装置对不同电压等级的识别和区分。

2.2 电压变化对于脉冲宽度的影响的实验验证

图12为根据图1布设的电路板，其中P5、P6为信号输入端子，P8为电池供电端子，GouC为信号输出口，T′1和T′2为两个型号为2N3904的达林顿管，P7为型号为HCF4070BE的异或门。

用信号发生器发出50 Hz正弦电压信号连接到P5、P6，用手持式示波器连接信号输出口GouC，观察波形。实验如图13所示。

2.3 电压变化对于脉冲宽度的影响的仿真验证

该测量装置主要针对架空输电线路，本仿真进行电压等级升高对所测脉冲宽度影响的探究。在仿真中，使用交流电压源V1代替架空输电线路的电压，10 MΩ电阻R1代替架空输电线路对地电阻，C1和C3分别为电容传感器上级板对架空线路的分布电容还有下极板对大地的分布电容，它们的大小可根据相关公式[7]进行计算，计算结果如表1所示。电容C2是本论文中的电容传感器，其大小约为3 pF。

表1 不同电压等级对应分布电容大

改变V1的电压值和相应的C1、C3电容值，并使用示波器显示异或门输出的脉冲，用这样的方式来得到电压等级大小对于脉冲宽度的影响。

在此次仿真中，V1的变化范围为10 kV至500 kV。仿真电路如图17所示。仿真结果如图18～23所示。根据以上仿真可知，通过脉冲宽度可以区分各电压等级的架空输电线路的信号。

3 结论

本文对平行板电容传感器测量时存在的干扰及信号失真等问题提出了运用信号转化的方法解决的方案，进行了理论分析分析、仿真与实验，验证了利用将电压信号转化为脉冲信号的方法的可行性和实用性，另外，得出脉冲宽度与电压大小呈正相关的结论，为通过脉冲宽度区分各电压等级架空输电线路提供了理论和实践的支持。