地埋電力電纜以其安全、可靠、城市美觀等優點，在工礦企業、港口、鐵路、機場、國防工程及城市供配電等部門的應用已十分廣泛。由于長期深埋地下或者地下排水管道中，地理環境復雜，大量的城市改造等原因，造成電力電纜出現故障，出現區域性供電中斷，造成大量經濟損失。有效、快速而準確地測試、診斷和定位電力電纜故障，能確保電力電纜供配電系統，尤其是地埋電力電纜供配電系統可靠安全運行。
    目前，工程中電纜故障診斷包括：故障性質和類型診斷、初步探測或粗測(pre-location)以及精確定位或精測(pinpoint)。如何在電纜敷設環境復雜、電磁干擾和噪聲干擾嚴重條件下，當電纜故障源發生有效沖擊放電時，對產生的信號進行分析、處理，成為快速精確定位的關鍵。本文設計了故障源放電信號測量電路，實現對信號的精確測量。
1 故障源有效沖擊放電
    電纜故障精確定位的首要問題是故障點的有效沖擊放電，釋放出故障定位所需的所有聲波和電磁波信息。實際地埋電纜故障源發生有效沖擊放電釋放出多種信息。包含聲波信號、電磁波信號，故障周圍電磁場變化，特殊環境下還會有臭氧的產生，電纜受潮絕緣損壞時還會有特殊化學信號產生。電纜發生相間斷路或短路故障時，將沖擊能控信號發生器加在故障電纜上，注入高能脈沖信號，使得電纜故障的兩相之間的空氣擊穿，釋放電能。有效擊穿的瞬間，高能信號源的脈沖能量達到400 J左右，會在故障點的不同方位釋放出的“啪、啪”放電聲和電磁波信號，形成電纜故障點的多模式信號。
2 聲傳感器的選擇與工作原理
    有效沖擊放電時，故障點周圍的空氣被擊穿，故障源周圍介質發生振動，聲音會以聲波的形式通過介質向周圍輻射傳播。壓電陶瓷材料具有壓電效應的特性。由壓電陶瓷材料制作成的壓電陶瓷片能靈敏接收介質中傳來的放電聲信號，使得壓電陶瓷片兩極機械振動，把放電聲信號轉變成電信號。
　將壓電陶瓷片固定在一個半球形的金屬隔音器中，壓電陶瓷片位于球心處，聲波進入隔音器中，通過聲波反射匯聚在位于球心的焦點，會增強聲音的強度，增加壓電陶瓷片兩極的形變，獲得更強的電信號，利于后級測量電路對信號進行調理。通過大量的實驗驗證，壓電陶瓷片選擇中心頻率為2.5 kHz時，接收到的信號最佳。傳感器聲波反射工作原理如圖1所示。

3.1 前置放大電路
    用場效應管做測量電路放大器的輸入級是設計高輸入阻抗放大器的最簡單方案，但是必須用高阻值的電阻做偏置電路，但是高阻值的電阻無論是穩定性或者噪聲方面，都會給放大器帶來不利和影響[2]。由線性集成電路構成的自舉反饋高輸入阻抗放大器是一個很好的選擇。具體電路如圖3所示。

    微弱信號放大和檢測電路要求精密、溫漂小，噪聲干擾低，則應選擇高精度、低溫漂、低噪聲的集成電路[4]。電路中采用ADI公司的OP-27型號運算放大器，該運算放大器的特點就是低溫漂、低噪聲、高精度，滿足微弱信號測量電路的要求。電路利用自舉反饋，使得輸入回路的信號主要由運算反饋電路流過電阻R4來提供，因此輸入電路向信號源吸取電流就大大降低。利用Pspice仿真軟件對前置放大器電路進行仿真，其輸入阻抗非常大，阻值超過了100 ＭΩ，輸出阻抗很小，只有6.9 Ω，實現增益達到34 dB。Pspice仿真結果圖4所示。

    運用Pspice仿真對設計的濾波器進行仿真，得出帶通濾波器的幅頻特性曲線如圖6所示。

3.3 自動增益控制電路
    自動增益控制電路能實現測量電路的輸出信號的穩定，當輸入信號變小時，自動增益電路控制電路的增益變大，提高輸出信號；當輸入信號變大時，自動增益電路控制電路的增益變小，降低輸出信號。電路采用ADI公司的可變增益放大器AD8337來實現信號的自動增益，能實現的增益范圍為0 dB~24 dB。AD8337優點是低噪聲，單信號輸入輸出，增益控制電壓與實現的增益具有線性關系，通過直流耦合控制可變增益放大，帶寬達到100 MHz,對于實現電纜故障源放電信號的自動增益具有快速、精確、輸出噪聲低。AD8337由一個6 dB增益的前置放大器、一個-24 dB的梯形衰減網絡和一個18 dB增益的后置放大器組成。增益控制端輸入的直流電壓通過增益控制器控制梯形網絡來實現增益的線性控制，其增益控制電壓范圍為-0.7 V~0.7 V。增益控制電壓與增益關系圖如圖7所示。

    電路中AD8337的信號輸出端接在INPUT端口，OUTPUT接在增益控制端口,通過Pspice仿真觀察當信號在1 V和2 V時自動增益控制電壓的變化，其仿真結果如圖10所示。

    從仿真結果圖可以看出，該電路可以很好地實現增益電壓輸出，在-0.7 V~0.7 V的控制電壓之間，AD8337的增益成線性變換。當輸入信號過小時，增益控制電壓往0.7 V方向增大，AD8337的增益變大，使得輸出信號增大；當輸入信號過大時，增益控制電壓往-0.7 V方向減小，AD8337的增益減小，使輸出信號減小。
4 電路參數的調整與分析
    在測量電路的前置放大電路中，R4和R5要選用精度高的電阻，當它們的電阻值相差不大時，前置放大電路可以獲得極高的輸入阻抗。為了降低電路的噪聲，前置放大電路選用的電阻需要噪聲系數小和溫度系數小的精密電阻。自動增益控制電路中的電容C6如果取值太大則會使響應時間太長，如果電容值太小，則會使最后的增益控制電壓的紋波很大，帶入噪聲。所以在增益控制電壓的輸入端還要加上10 μF和0.01 ?滋F的旁路電容，去掉控制電壓的紋波。C6應選擇低漏電流和低介質吸收的電容，這些包括聚苯乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯等型號[5]。
    本文通過設計具有高輸入阻抗，低噪聲的電纜故障源放電信號測量電路，實現信號的自動增益控制，利于后級對放電信號的處理。測量電路運用在電纜故障定位系統中，能有效地抗干擾，高增益、穩定、精確測量故障源有效沖擊放電發出的信號。
參考文獻
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