脉冲电流法（精选7篇）
脉冲电流法 篇1
引言
局部放电测量中研究最早,应用最广泛,同时被IEC标准和中国国家标准所认可的方法是脉冲电流法。它的优点是离线测量灵敏度高,而且可用已知电荷量的脉冲注入校正定量,从而测出放电量[1]。
局部放电的电信号具有非常宽的频谱,约从数百赫兹到数百兆赫兹[1]。而目前广泛使用的脉冲电流法为了避开无线电干扰,主要利用局部放电信号频谱中的较低频段部分[2,3,4],一般为数kHz至数百kHz(至多数MHz),因此信号中包含的信息少,同时抗干扰能力也较差,在应用于在线监测时尤其明显。而近年来所采用的特高频方法主要测量局部放电所产生的特高频信号,其优点是躲开了几百兆赫兹以下的现场干扰,信噪比比较高[5,6,7]。但由于局部放电能量主要集中在几百兆赫兹以下,特高频部分能量很弱,特高频方法很难进行局部放电的定量,另外该方法对绝缘内部气隙放电的检测灵敏度不高。
因此,如果能够在获取尽可能多的放电信息的前提下,又有效地滤除现场的干扰,将非常有利于局部放电的测量和在线监测。本文所介绍的局部放电检测系统采用甚宽带脉冲电流法,利用高速数据采集技术比较准确地记录较长时间的局部放电信号的脉冲电流波形,利用现代计算机的强大的处理能力,根据放电信号与干扰信号在脉冲波形特征和相对于工频试验电压相位的差异来分离放电信号与干扰,进而进行放电的定量、定位与放电模式识别,为故障诊断和维修提供有效的依据。
本文介绍了甚宽带检测系统的组成,并对其中的关键技术进行了研究。测试了甚宽带电流传感器的特性,研究并应用了放电脉冲的分离技术,探讨了脉冲定量与传统IEC方法的等效性。最后在实验室和现场对系统的性能进行了测试。
1 甚宽带检测系统的组成
国家标准所推荐的宽带测量系统的频带的下限为30kHz≤f1≤100kHz,上限为f2≤500kHz,带宽为100kHz≤Δf≤400kHz[8]。本文研究的局部放电检测系统带宽为3~30MHz,与带宽100kHz~400kHz的传统检测系统相比,频带不同,带宽也宽得多;同时又为了与局部放电检测的特高频方法相区别,本文将所研究的系统称为“甚宽带局部放电检测系统”。该检测系统的总体框图如图1所示。图中局部放电信号通过安装在被测设备接地线上的穿芯式电流传感器或钳型电流传感器来获得,与一次侧没有电气上的连接,因此该系统既可以离线测量,又可以在设备运行带电的情况下进行在线检测或监测,使用非常灵活。同步信号主要用来获取设备外加电压波形的相位信息,可以取自电压互感器、低频电流传感器或外部输入。采集器是整个检测系统的“心脏",包括信号调理、采集、脉冲波形预处理以及通信接口等部分。其模拟带宽为30MHz,采样率为100MS/s。整个采集器的所有工作均是通过本地CPU根据主机发来的命令与设置来程控完成,因而具有零部件少、体积小、可靠性高和操作简单等优点。采集器与主机之间采用高速以太网进行通信,以便进行脉冲波形数据和命令的高速传输。
2 甚宽带电流传感器的特性
电流传感器特别适合于局部放电的带电测量和在线监测,它的特性对于整个甚宽带检测系统来说至关重要,高的灵敏度可以使得检测极其微弱的放电信号成为可能,而宽的频带可以获得放电的更加丰富的信息。
检测系统中所使用的传感器采用特制的超高导磁率的材料制作。图2给出了实测的传感器频率特性曲线,纵坐标为传感器的灵敏度,单位为mV/mA,测试时采用的负载电阻为50Ω。可以看出该传感器在很宽的频率范围内具有平坦的频率特性,其-3dB带宽达到了3~80MHz,最高灵敏度为16.5mV/mA(在负载电阻为50Ω的情况下)。这些特性使得它十分适合于甚宽带的局部放电高灵敏度检测。
3 脉冲分离技术
由于放电与干扰之间以及不同类型的放电之间的脉冲波形存在一定差异,因此可以利用这一特征来剔除干扰,并进行不同类型放电脉冲的分离。甚宽带检测系统对采集到的所有脉冲信号的波形进行分析,得到每个脉冲的等效频率和脉冲持续时间,根据这两个特征将放电脉冲从干扰中分离出来,进而继续分离不同类型的放电脉冲,供模式识别使用。
图3是脉冲分离的示意图。图3(a)是现场实测的原始信号,可以看到,在工频电压的各个相位上都有脉冲存在,很显然放电信号已经被干扰淹没了。图3(b)是这些脉冲信号的时-频特征谱图,横坐标为脉冲的等效频率,纵坐标为脉冲的等效时长。可以发现,这些脉冲大致可以分为两类,而圈内的部分在时域内对应的相位分布如图3(d)所示,此时相位分布已具有明显局部放电的相位特征,分布在工频电压的0°~90°和180°~270°。它们所对应的典型时域波形如图3(c)所示。后来的实验室试验证明,该试品中确实存在放电。
4 脉冲定量
视在放电量是局部放电测量中最重要的参数之一,而只有经过定量校正后才能确定放电量的大小数值。因而放电量的校正将直接影响定量的准确性。
脉冲校正器通常包括脉冲电压源U0和校正电容C0。
从理论上讲,校正脉冲的电压波形应与实际局部放电产生的脉冲电压波形相似,在测量中才不至于产生很大的误差。因而要求校正脉冲电压的前沿应该尽量小,才能接近气隙放电的响应特性。现行的IEC和国家标准规定校正脉冲电压的前沿不算太陡(不得超过60ns),这有两个原因:一是传统的脉冲电流法中使用的频带较低,二是过分要求降低前沿,对发生器的制作有一定难度。但是由于甚宽带脉冲电流法所采用的检测频带较宽,因而对校正脉冲提出了更高的要求。图4为甚宽带检测系统中使用的脉冲校正器中的校准脉冲前沿波形。可以看出其前沿时间小于5ns,远远小于传统校准器中的校准脉冲前沿时间。
校正器输出电量的标称值q0=C0U0。国标还规定了对校正器输出脉冲的测试回路,通过对脉冲电流进行积分得到校准器输出的电荷量qc。图5中给出了标称电量q0与测量结果qc的对比。从图5可以看出,在3pC~100pC范围内,测量结果与标称输出的最大偏差为4.6%(40pC时),而在标称输出为1pC和2pC时虽然最大偏差超过了5%,但是其绝对值小于1pC,因此在全量程范围内,其输出满足国标规定的要求。其输出电荷量呈现出良好的线性度。在实验室中分别使用传统的局部放电测试仪和宽带局部放电检测系统对同一试品进行刻度因数的确定和视在放电量的测量。放电信号的获取分别采用窄带检测阻抗和带宽为30kHz~100MHz的宽带电流传感器。表1为刻度因数标定和放电量测量的结果。可以看出,虽然两个测量系统中的刻度因数不同,但最后测得的放电量基本相近,说明在放电量的定量方面,宽带方法与传统的IEC方法具有等效性。
5 实验室模拟试验和现场测试
在实验室中对一固体绝缘中内部气泡放电模型进行了测量,实测的波形见图6(a),图6(b)是其相位谱图,从放电信号的相位分布上看出,与典型的内部放电的谱图吻合得很好。
该检测系统在电力电缆、旋转电机和电力变压器等电力设备的局部放电带电检测和在线监测中得到了广泛的应用,并且及时发现了很多重要的早期缺陷,避免了重大事故的发生。
例如,在某500kV 12公里的XLPE电缆现场安装完毕后已通过交流耐压试验无任何异常,但在现场局部放电测试中发现有大量噪声。通过使用该检测系统的脉冲分离与模式识别功能显示某一接头内部有一微弱放电信号,取回实验室发现有内部放电,而且有电树枝报警。打开接头检查发现有明显放电碳化痕迹,估计为安装时划伤后被高压耐压试验所伤。
6 结语
该局部放电检测系统在硬件上采用了甚宽带、高灵敏度的电流传感器,高速A/D转换器和高速以太网卡,在软件上采用了基于脉冲波形的信号分离技术,与传统的脉冲电流法相比,可以获得更高的灵敏度和更多的放电信息,同时可以在复杂的背景干扰的情况下分离并识别出放电信号和放电类型。同时在脉冲定量方面与传统方法具有等效性。这些特点使得它将在电力设备的局部放电测量和在线监测中发挥重要的作用。
摘要：局部放电的检测与分析是评价电力设备绝缘状况,发现早期故障的一种有效方法。与传统的脉冲电流法相比,甚宽带测量方法可以获取更多的局部放电信息,有助于提高测量的灵敏度和抗干扰能力。本文介绍了基于甚宽带脉冲电流法的局部放电检测系统,研究了传感器特性、脉冲分离技术和定量方法。并在实验室和现场对该系统的性能进行了测试,结果表明该系统具有灵敏度高和抗干扰能力强等优点,可以有效地应用于局部放电的现场检测和在线监测。
关键词：局部放电,甚宽带脉冲电流法,脉冲定量,电流传感器
参考文献
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脉冲电流法 篇2
气体绝缘变电站[1](Gas Insulated Substation,GIS)由于其占地面积小、安装方便、受外界干扰少等优点被广泛应用于高压输变电系统中[2,3]。当GIS发生故障时,维修复杂,修复时间长,影响面积大,后果严重,其中以绝缘故障的比例为多[4,5,6,7,8],由于制造、运输、现场装配、带电运行等诸多原因,造成各种缺陷,例如自由移动颗粒,盆式绝缘子内部缺陷,绝缘子表面脏污,安装过程中造成的遗物以及导体之间接触不良等。由于这些原因导致GIS 局部电场畸变,局部放电不仅是GIS 设备绝缘劣化的先兆和表现形式, 而且能够引起绝缘的进一步劣化, 致使GIS 的电气绝缘性能降低, 最终导致绝缘击穿或沿面闪络[9,10,11],影响其长期可靠性。而经过对大量GIS 运行事故的调查发现, GIS 中导电微粒的存在是对GIS 绝缘的最大威胁。有报告指出导电微粒的存在能够使SF6气体的绝缘强度降低50% 以上, 并且随着气压的升高其影响更严重[12]。其中自由微粒由于在电场作用下,受到电场力作用,克服自身重力、气体阻力等摩擦力的作用将使它来回跳动。因此这样可能会加强局部放电的强度,产生的脉冲电流与微粒静止时相比有很大变化,使得检测效果更佳。同时也为自由微粒在GIS内的危险程度提供参考。
1 脉冲电流法试验的原理
GIS内部局部放电过程中, 除伴随着电荷的转移和电能的损耗之外, 还会产生电脉冲、电磁辐射、超声波、光以及生成一些新的生成物, 并引起局部过热。因此, 相应地出现了电脉冲检测法、超声波检测法、光测法、化学检测法、红外检测法等多种检测方法[13]。脉冲电流法通过检测放电产生的电流脉冲, 并把pC作为反映放电强弱的指标, 与非电测量方法相比, 脉冲电流法具有很多优点, 得到广泛的推广和应用, 同时该方法是目前国际上唯一有标准的局部放电检测方法[14] 。
每一次局部放电都发生正负电荷中和, 伴随有电流脉冲, 测量此脉冲电流的方法称为脉冲电流法, 该方法通过测量阻抗在耦合电容侧或通过Rogow ski线圈从电力设备的中性点或接地点测取局部放电所引起的脉冲电流, 获得视在放电量、放电相位等放电信息。检测变压器局部放电脉冲的电流传感器通常用Rogow ski线圈制成。与非电测量方法相比, 脉冲电流法具有以下优点:① 放电电流脉冲信息含量丰富;② 对于突变信号反应灵敏, 易于准确及时地发现故障;③ 具有较有效的校准方法、易于定量, 因而得到广泛的应用。IEC 对此制定了专门的标准[15]。
2 试验装置及电路
直流下GIS运动微粒的局放脉冲电流试验和测量系统的原理示意图如图1所示。图中,R为水电阻(用来保护测量设备,防止极间闪络短路时强电流对发生器造成致命冲击)。如图2所示,试验装置由两个直径为200 mm铜质平板电极组成,且极板间距可从0至50 mm连续调节,金属微粒采用直径为1 mm的钢球。所有的试验都在室温(24 ℃),相对湿度大约为35%的环境下进行。
3 试验方案及程序
参照图1(直流脉冲电流法试验电路示意图),完成试验电路图的连接,并且做好试验前的一切准备。分别选取10 mm、15 mm、20 mm的平板间距,1 mm直径的球微粒作为试验的初始参数。将金属球微粒用无水酒精擦拭过后放置在下极板的中间。分别在三个不同的平板间距下测得球微粒缺陷的闪络电压U2,并且找到在给定外力的作用下球微粒得以起跳的最小电压U1,在U1—U2之间选取大量数据重复做试验,测取球微粒在静止时的脉冲电流电荷量和跳动时脉冲电流电荷量,对比两组数据得出结论。
4 检测数据分析
在平板电极间放置球微粒加一定电压后球微粒在给定外力作用下起跳闪络情况见图3。这是小球从静止到起跳再到连续跳跃并闪络的一个过程。当对平板电极加压到起跳电压以上,球微粒在电场中受到的电场力足以克服自身重力、黏滞力、空气阻力等外力之和时,只要对球微粒施加一个初速度的话,它就可在平板电极间连续不断地上下跳动,如果电压足够高的话,连续跳动将导致如图3(b)的闪络情况。每当小球碰到极板一次,它自身电荷极性将发生变化,随即受到电场力也将反向。试验数据如下。
(1) 平板间距10
mm,球微粒直径1 mm的直流局部放电脉冲电流电荷量示意图和测试数据如图4,图5和表1(默认加正电压)所示。
(2)平板间距15
mm,球微粒直径1 mm的局部放电脉冲电流电荷量示意图和测试数据如图6、图7和表2所示。
(3) 平板间距20 mm,球微粒直径1 mm的局部放电脉冲电流测试数据如表3。
由以上直流局部放电脉冲电流电荷量示意图和测试数据可以看出,在平板间距10 mm,球微粒直径1 mm时施加10.5 kV电压,如图4,从电荷量图看到在球微粒静止时波形平缓且幅值不高,当球微粒跳动时,可以看到幅值增加,而且波形有明显起伏。当电压加到12 kV时,如图5,这种变化更加明显。为了进一步验证以上变化情况的真实性,把平板电极间距增加到15 mm,球微粒直径不变,同样从起跳电压缓慢加电压到闪络电压,每隔1 kV采集一组数据,在此只选用了一部分数据来论证。如图6,施加15 kV电压时,可以看到局放电荷量比平板间距在10 mm时增加了。而且此时球微粒在跳动时比静止幅值增加幅度更大,波形跳变情况更加明显,数据如表2所示。如图7,施加18 kV电压时,同样我们可以清晰准确辨认出球微粒在跳动和静止时的情况。这为局部放电检测提供了一种更加好的观察方式。平板电极间距增加到20 mm时,以得出同样的结论,数据如表3所示。由此可以看出GIS在检测球微粒缺陷时,可以给定缺陷球微粒一个初始速度,让其在罐体内局部发生连续跳动,脉冲电流电荷量幅值增大,观察方便,那检出缺陷成功率会更大,球微粒在跳动与静止时相比,检测者可以通过局放仪电荷量情况更清楚准确地检测到局放信号的存在,这为以后检测球微粒提供了一种更加准确检测的方法。这也为球微粒在GIS内部跳动时对绝缘危害增加提供了警示。
5 结论
运用局部放电分析系统对金属球微粒缺陷在直流下平板电极间静止与跳动时的脉冲电流进行检测,对比微粒在静止与跳动时脉冲电流电荷量的差别,得出更佳检测方法和危害程度变化。笔者通过大量试验,得出以上测试数据。根据这些数据,可以看到在同一电压等级下,跳动时测得局放脉冲电流电荷量比静止时幅值要大很多,而且明显看出跳动的不连续性。随着电压等级的提高,这样的幅值差别更大。这为我们以后对GIS(气体绝缘金属封闭开关设备)进行局部放电检测提供一种更加明显的检测手段。在此也可看出在跳动微粒缺陷下测得局放量增大,使得设备绝缘损坏程度增加,对GIS绝缘带来致命性损坏。所以也为跳动微粒在GIS内危险程度提供了警示。
摘要：为了研究直流电压下气体绝缘金属封闭开关设备GIS(Gas Insulated Switchgear)在金属球微粒缺陷时检测局部放电的情况,建立了一个采用同轴平板电极为模型的直流脉冲电流检测系统。采用该系统观察金属微粒在电场中静止与跳动时脉冲电流的变化,提出一种金属微粒缺陷的脉冲电流特殊检测法。
局部放电脉冲电流波形分析研究 篇3
关键词：脉冲电流,波形,特征分析
1 前言
电气绝缘在高电压系统设备中占有比较重要的地位[1], 电气故障绝大多数是由绝缘劣化造成, 局部放电又是造成绝缘劣化的主要原因, 因此局部放电是局部故障与设备绝缘结构缺陷的表征。局部放电会造成绝缘材料的物理和化学性能损害, 通过局放的探测和测量, 可以实现设备绝缘状况的评估, 以便及时进行必要的检修, 避免严重的设备故障发生[2]。
现有很多不同的局放检测方法, 脉冲电流法提供了一种接触式的、通过测量电流脉冲来实现局放检测的方法。整个检测回路主要由耦合电容串联测量电阻来实现。整套系统的检测频带一般小于1 MHz[3,4], 很多学者对基于工频相位的相解图进行了大量的研究, 并且随着宽带和高采样率的检测系统的发展, 记录ns级上升沿的局放脉冲波形, 对其特征进行研究逐渐成为了研究者的关注方向。
本文搭建了三种空气中常见绝缘缺陷, 即电晕放电、悬浮放电和沿面放电, 利用高速数字示波器采集了其脉冲电流波形, 从峰值、上升时间、下降时间、峰值时间和脉冲宽度等五个特征量分析了不同缺陷正负脉冲波形的差异。
2 实验系统及实验方法
2.1 试验装置及缺陷类型
图1为对典型缺陷模型进行局放实验所需的实验回路, 包括:50 k V工频无晕实验电源、典型缺陷模型、检测阻抗、MPD600局放检测仪和Tektronix高速数字示波器, 采样率为5 GS/s, 带宽为1 GHz。
文中设计了空气中的三种典型绝缘缺陷, 即电晕放电、悬浮电位、沿面放电, 用于局放数据的采集。模型如图2所示。采用相同的外壳结构, 外壳主体为透明的有机玻璃筒, 模型上下端盖材料为铝, 通过尼龙螺杆与有机玻璃筒连接在一起。
2.2 实验方法
从零开始加压, 直到出现稳定的局放信号, 记录此时电压为起始放电电压, 继续加压直到气隙击穿, 则此时电压为击穿电压, 在起始放电电压与击穿电压之间选择一个实验电压。本文选择了5.0 k V、7.5 k V、5.3 k V为电晕放电、悬浮电位、沿面放电、内部气隙三种缺陷类型的实验电压。示波器采样间隔0.2 ns, 一个波形采集100 k个点, 即数据长度为20μs。每个模型分别采集50组正负脉冲波形数据进行统计分析。
2.3 单脉冲放电波形特征量选取
通过小波软硬阈值除噪法对示波器采集到的波形进行预处理, 可以利用软阈值和硬阈值的优势, 在不同尺度上采用不同的阈值函数以达到消噪的目的。
波形特征量选取方面选择五个时域特征量即:脉冲峰值Upeak、峰值时间tp、脉冲上升时间tr、下降时间td、50%最大脉冲持续时间t50%。
在波形处理过程中, 先得到脉冲峰值Upeak。脉冲上升时间tr, 即从上升沿的最大幅值10%处开始到最大幅值90%处结束。下降时间td, 即从下降沿的最大幅值90%处开始到最大幅值10%处结束。峰值时间tp, 从过零点开始到峰值时刻处结束。50%最大脉冲持续时间t50%, 从上升沿的最大幅值50%处开始到下降沿的最大幅值50%处结束。
3 实验结果分析
先通过局放仪的PRPD谱图进行识别, 确定三种缺陷均产生明显的放电相位特征后, 再进行信号波形采集。
从去噪处理后的原始波形提取能完全表征信号的单脉冲波形的有效数据段, 得到三种缺陷下的正负脉冲波形如图2、图3, 图4所示, 发现三种放电的持续时间一般在几μs之间, 电晕放电和悬浮放电的正负脉冲波形比较相似, 最大峰值均出现在首波上, 沿面放电的波形振荡较为剧烈, 出现了连续正峰值的现象, 且最大峰值不出现在首波。
利用信号处理工具, 提取不同缺陷正负脉冲波形特征参数, 从表1所示的特征参数平均值可以看出, 三种缺陷的正负脉冲波形最大峰值比较近似。
电晕放电正脉冲波形的tr、td、tp、t50%四个特征量均小于负脉冲波形, 悬浮放电正负脉冲波形的四个特征量均比较近似, 沿面放电的正脉冲波形的tr、tp、t50%三个特征量均小于负脉冲波形, 但是其td与负脉冲近似相等。
4 结束语
通过搭建的三种空气中电晕放电、悬浮放电、沿面放电缺陷模型, 利用高速采样示波器采集了不同缺陷下的正负脉冲波形, 利用信号处理工具提取了其特征量, 分析了不同缺陷正负脉冲波形特征量的差异。
分析结果说明, 不同缺陷正负脉冲波形最大峰值比较近似, 电晕放电的正脉冲波形特征量均小于负脉冲波形, 悬浮放电的正负脉冲波形特征没有明显差异, 沿面放电的正
脉冲波形特征量除了tp也表现出小于负脉冲波形特征量的现象。
参考文献
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飞机电脉冲除冰系统峰值电流测量 篇4
飞机自然结冰将使飞机升阻特性恶化、失速攻角及稳定性裕度减小、操纵性能降低，可能引起发动机空中熄火、飞行中显示数据失真等。简而言之，飞机结冰轻则使飞机气动特性降低，重则造成机毁人亡。为了消除飞机结冰对飞行安全造成的危害，保证飞机在结冰气象条件下安全飞行，人们不断尝试探索行之有效的除冰方法。而随着飞机尺寸增大和飞行速度的增加，防冰所需能量也在不断增加，人们希望找到一种既有一定防冰效能而能量又相对比较节省的防冰方法，为此出现了“电脉冲除冰”方法[1]。
1 电脉冲除冰系统工作原理
电容器与脉冲线圈所组成的电路由晶闸管进行导通(图1)，导通后，贮能电容器向脉冲线圈放电，此时在线圈周围建立起迅速形成并快速衰减的磁场。此磁场在金属蒙皮内产生涡流，线圈与蒙皮之间将产生相互作用力达数百牛顿、作用时间不足0.1 ms的脉冲力。在此脉冲力作用下蒙皮产生小振幅(约0.1 mm)、高加速度(可达10 000g)的衰减振动，蒙皮先加速后减速的剧烈运动将蒙皮上的冰剥离、粉碎并弹走。其除冰性能和耗能远优于其他除冰方法[2,3,4,5,6]。
在除冰试验初步研究过程中，采用一块30cm×30 cm×2.5 mm平滑铝板作为试验对象，同时对试验铝板进行如下假设。
(1)试验铝板与自制脉冲线圈在几何上为两严格水平的平面，线圈顶部距试验铝板底面约为2mm，且两平面相互平行。
(2)自制脉冲线圈形状为圆形平绕式线圈(R=90.5 mΩ，L=140μH,C=1 000μF)如图2所示。
(3)忽略因瞬间剧烈振动时系统所引起的微量下移，仅考虑脉冲线圈与试验铝板为固定间隙时的情形。
(4)假定电容器放电后所产生的脉冲大电流瞬间均匀流过线圈[7]。
(5)计算时所出现的电阻为整个线路系统中的总等效电阻[7]。
在电脉冲除冰系统试验中，由于脉冲线圈与蒙皮之间的瞬间脉冲力不易直接测量得出，故选择测量与瞬间脉冲力紧密相关的脉冲线圈的峰值电流进行研究分析峰值电流与瞬间脉冲力的关系。
2 电脉冲除冰系统理想放电模型
2.1 理想放电模型
在理想状况下，可将电脉冲除冰系统放电模型近似抽象成二阶RLC放电回路[8]，二阶RLC回路模型如图3所示。
晶闸管触发使开关K闭合，储存于电容器C中的能量瞬间向脉冲线圈L释放。当整个动态放电过程结束时，能量全部转移至脉冲线圈L中，此时开关K断开。根据基尔霍夫电压定律[8]，当响应时间t≥0时，可得到图3电路中的电压关系如下。
又知:
可求得:
将式(3)、式(4)代入式(1)中可得:
不难发现，式(5)是一个关于uC的二阶常系数微分方程，若想求解此式，可先列出它的特征方程:
即特征根p1、p2为一对共轭复数，则可得知衰减系数δ:
则其特征根为
谐振频率ω0为
可推出:
则有
2.2 Matlab仿真[9]
采用Matlab编写了M文件(源程序略)，可计算出当放电电压U、线圈电阻R、线圈电感L中一个为变量时，其余两个参数为定值时脉冲线圈峰值电流的变化趋势。当放电电压为100 V时，则可得峰值电流随回路电阻变化曲线(图4)、峰值电流随线圈电感的变化曲线(图5)、峰值电流随时间的变化曲线(图6)。
同理，当电容器电压发生改变时，亦可得到类似如上的变化曲线图。不难发现，当放电电压为某一定值时，线圈中出现的峰值电流随回路电阻增大，近似呈线性递减;峰值电流随线圈电感增加成非线性递减。
3 峰值电流测量
3.1 峰值电流理论计算[10]
电容器充电能量:
式(19)中，C为贮能电容器的电容(F);U为电容器充电电压(V)。
将电脉冲除冰电路视为衰减振荡电路，其衰减系数m:
式(20)中:L为电路的电感(H);R为电路电阻(Ω);C为电容(F)。
衰减振荡周期T为
达到峰值电流的时间tm为
若电容器贮能为W，则峰值电流imax为
自制电脉冲除冰线圈参数:R=90.5 mΩ，L=140μH,C=1 000μF，根据上述式(1)、式(2)和式(5)，则可采用Visual C++进行编程(源程序略)并设计制作出峰值电流计算软件(图7)。
当输入电容器放电电压值进行计算，所得理论计算结果如表1。
3.2 峰值电流实验测量[11]
电容器向线圈放电时，通过线圈的脉冲电流是变化很快的一次性暂态量(微秒级)，同时电流很大(可达数千安培)，因此不能采用常规的检测方法进行测量[12]。考虑到脉冲电流的暂态特性，可采用记忆示波器，而由于示波器所允许的输入电压一般较低，所以必须将大电流转换成低电压，然后再输入记忆示波器进行记录。其中将脉冲大电流转换成较低电压简便可靠的方法是采用脉冲电流测量线圈(Rogowski coil)。
罗柯夫斯基线圈(Rogowski coil)是一个环绕待测电流的均匀密绕环形螺线管线圈，其测量电流的原理是基于法拉第电磁感应原理和全电流定律。通过环中心的电流I(t)在线圈周围产生圆形磁场，这个磁场的磁通将穿过测量线圈，在线圈中产生感应电动势e(t)从而在测量回路中产生感应电流i(t)，通过记忆示波器记录电流i(t)在采样电阻上产生的电压降u(t)，来测量I(t)(图9)。为了测量高频大电流，线圈骨架常采用非铁磁性材料，从而使得其频带较宽，自身上升时间极短(纳秒级)。
在峰值电流测量时，本试验选用了基于Rogowski coil原理制作的电流互感器(图10)。其测量规格为2.281 V/2 500 A，并在0～10 000 A范围内记忆示波器的采样电压与脉冲电流峰值呈线性变化，且测量上限不限。在试验铝板未结冰状态下，电容器放电电压为100 V时记忆示波器所采集的波形图像如图11所示。
试验时记忆示波器选用1通道，纵轴每格表示0.1 V，横轴每格表示0.25 ms。则当电容器放电电压为100 V时产生的峰值电流:
同理，当放电电压连续变化时，亦可采用记忆示波器采集到类似于图11所示的波形图，同时则可求出电容器在连续不同放电电压时出现的峰值电流。
根据理论计算峰值电流与实验测量峰值电流数据进行对比，采用Origin7.5图形软件进行处理后可得出图12。
根据图12可知，峰值电流理论计算结果呈线性变化，且可求知理论峰值电流的直线斜率K约为2.24;在误差允许范围内，实验测量数据与理论计算数据接近吻合。
4 结束语
峰值电流和峰值加速度大小将影响瞬间脉冲力的作用，是直接决定除冰效果好坏的关键。根据电脉冲除冰系统理想二阶RLC放电回路模型得到的峰值电流与试验测量数据基本吻合;同时电脉冲除冰系统放电时脉冲线圈中出现的峰值电流实测值与依据国外经验公式所得出的理论计算值基本一致，随机误差在10%左右(当电容器放电电压≤400 V时)。
当电容器放电电压为400 V时，电脉冲除冰系统进行一次或连续两次(充电时间间隔约为30 s)放电工作，可顺利除去厚度在1.6～3.5 mm之间的冰层。
当电容器放电电压为440 V时，电脉冲除冰系统进行一次或连续两次(时间间隔约为30s)放电工作，可除去厚度为0.5～0.9 mm之间的冰层。
当结冰厚度在1.0～1.5 mm之间时，采用450V放电电压连续放电工作数次，均无法将冰振碎除去。其原因可能此时冰层与试验蒙皮间的黏附力足够大。
摘要：电脉冲除冰通过高压电容器瞬间向脉冲线圈迅速放电,在金属蒙皮内引起涡流,产生一类似锤击的脉冲力使冰破裂、脱离蒙皮并弹走。其显著优点是低能耗、高可靠性,且几乎不需要维护。通过提出电脉冲除冰系统理想放电模型,得到峰值电流随回路电阻、线圈电感的变化曲线。进行峰值电流理论计算数据与试验数据对比,为人工结冰状态下进行除冰试验提供参考依据。
脉冲电流法 篇5
电脉冲处理技术是近些年来逐步被采用的新型材料组织性能改性技术, 对材料瞬间通以高能脉冲电流其产生的焦耳热效应、电子迁移、电子风和电致塑性交互作用使得材料产生微观组织性能的变化进而改善了材料的使用性能。本文是以脉冲电流处理为手段, 材质是SCM435的高强度螺栓为研究对象, 采用瞬时高能量的强脉冲电流处理来改善SCM435螺栓的显微组织和力学性能, 在水冷条件下, 比较不同的加热参数, 不同的回火方式, 不同的回火温度对材料的组织的影响。使用自制的延迟断裂实验器材分析处理后的试样和初始状态的试样的延迟断裂性能, 并探讨瞬时高能量强脉冲电流作用下SCM435钢中发生的一系列瞬时动态过程, 研究不同工艺参数下的脉冲电流处理对SCM435钢组织性能的影响规律, 为提高螺栓的使用寿命提供新的理论依据和实用技术[1]。
2 实验方法
2.1 实验材料
本文实验材料为12.9级, 全牙, 内六角, 长度85.88 mm, 直径为6.00 mm的高强度螺栓成品件。材质是SCM435, 国内对应牌号35Cr Mo, 初始状态为调质态。
2.2 延迟断裂实验
自制的延迟断裂装置, 两块厚的钢板选材Q235, 为保证螺栓加载时螺母不陷入钢板, 选用与12.9级高强度螺栓配套使用的高强度螺母, 上面垫上自制的垫片。载荷采用扭力扳手对螺栓进行加载, 每次都加载到相同的预紧力, 这个预紧力是通过材料断裂时承受的载荷与安全系数之比求得的。试样中间开一个沟槽, 浸泡在Walpole缓蚀液 (醋酸钠+盐酸+去离子水或蒸馏水) 中, 对每组试样延迟断裂时间取平均值, 以代表延迟断裂性能。
3 电脉冲处理后的微观组织与性能
最佳加热工艺参数的确定。为了寻找最合适的脉冲电流作用时间, 我们首先需要经过试验找出最佳的电脉冲处理参数, 而腐蚀不同条件作用下的原奥氏体晶界则可以找出最佳参数。本节最关键的是找出最佳的作用时间。取出三个试样, 默认触发电压为5V, 分别通以tp=220ms, tp=240ms, tp=260ms的脉冲电流, 通电完成后立即喷水冷却, 使红热的试样瞬间冷却至室温, 发生马氏体转变。用线切割机切取淬火部分, 并进行砂纸打磨、抛光。用过饱和苦味酸水溶液腐蚀原奥氏体晶界。
可以看到经过脉冲电流处理, 当周波数逐级增大时, 试样的原奥氏体晶粒也是逐级增大, 当周波数小于10次即200ms时, 由于温度不足试样奥氏体化不完全。当达到11周波即作用时间为220ms时如下图 (a) , 试样的奥氏体晶粒最细, 是优化的工艺参数;而12周波即作用时间为240ms时如下图 (b) , 奥氏体晶粒已经开始长大, 这显然是作用的时间的延长结果导致晶粒长大。而13周波时即作用时间为260ms时如下图 (c) 可以看到晶粒长大非常明显。
在水冷条件下不同脉冲时间处理后的的试样, 随着作用时间的延长, 淬火马氏体的硬度减小。当作用时间小于220ms时, 由于输入能量不足, 导致淬火后残余奥氏体的数量多, 这降低了材料的硬度。而当作用时间大于220ms时, 由于温度过高使得奥氏体晶粒长大, 淬火后形成了粗大的马氏体组织, 而作用时间愈长, 这种现象就越明显, 所以材料的硬度在下降。而220ms的作用时间是在现有实验条件下寻找到的最佳工艺参数。
4 不同处理状态的螺栓延迟断裂性能的研究
本实验采用恒载荷延迟断裂试验, 在自制的实验装置上, 对经过处理后的12.9级高强度螺栓进行延迟断裂试验, 为了防止加载过程中螺纹脱扣, 必须使用与螺纹配套的高强度螺母, 而板料使用Q235钢, 螺母上放一块厚的垫片, 以保证螺栓的预紧时螺栓能被拉伸。预紧载荷用扭力扳手加载, 每次都加载到同一载荷, 以保证各个螺栓的初始状态均相同, 中间浸泡PH=2.5的Walpole缓蚀液 (醋酸钠+盐酸+去离子水或蒸馏水) , 用摄像头来记录螺栓的断裂时间。
取三组试样, 分别是在力学性能实验中每组中性能最为突出的220ms淬火态并经过430℃回火保温4h的试样1-4、经过220ms淬火态并经过80ms电脉冲回火的试样5-8和原始的调质态试样9-12, 每组4个, 使用扭力扳手加载到20N.m, 每隔12h重新预紧一次, 并补充腐蚀液的剂量, 以保证其PH稳定, 观察螺栓的延迟断裂时间。
4.1 电脉冲淬火、箱式炉回火的延迟断裂实验
由表1经过延迟断裂实验可以看出, 经过220ms电脉冲加热淬火后的试样在箱式炉中加热到430℃, 并保温4个小时, 它们的延迟断裂时间普遍在100小时以内, 经过计算其平均值为85小时, 螺栓的延迟断裂主要是腐蚀液中渗入的氢引起的脆断。
12.9级高强度螺栓在220ms淬火+430℃回火工艺下呈现明显的沿晶断裂, 沿晶断裂是高强度钢在应力腐蚀或氢环境中最为常见的断裂方式, 在较高强度水平下, 高强度钢延迟断裂初期裂纹往往沿原奥氏体晶界萌生和扩展, 而经过上述工艺处理的螺栓的抗拉强度达到1500MPa左右, 显然延迟断裂抗力与沿晶断裂倾向密切相关, 随着沿晶断裂倾向的减小, 延迟断裂抗力显著上升, 因而强化晶界、抑制沿晶界断裂是提高高强度钢延迟断裂抗力的重要途径之一。但是, 并不是奥氏体晶粒越细延迟断裂性能就越好, 对于这方面的研究众说纷纭仍处于争议当中。由于淬火后都经过了长达4h的回火工艺, 组织有足够的时间稳定并均匀化, 所以上述工艺处理的试样在延迟断裂倾向上与原始试样相差不大。长达4h的回火处理使得整个螺栓的组织均匀, 而强度降低, 位错密度升高, 碳化物的聚集状态改变, 这些都使得其延迟断裂性能减弱, 从力学性能上也可以看出, 经过炉回火的试样延伸率更高。
4.2 电脉冲淬火、电脉冲回火的延迟断裂实验
由结果可以看出, 经过220ms电脉冲淬火后的试样延迟断裂断口仍然是沿晶断裂, 断口处有少量韧窝, 韧性好于之前的试样。这种螺栓的抗延迟断裂性能显著提高, 实验中试样8经过148小时仍没有出现断裂, 而断裂的三根也是所有断裂的样品当中时间最久的, 分别是119小时和125小时以及137小时。螺栓的这种抗延迟断裂性能显然与其独特的脉冲电流回火方式有关, 作者认为是脉冲电流的瞬间输入引起了螺栓内部的应力结构变化, 使得渗氢条件发生改变, 即电流使P、S等杂质元素在晶界上的偏聚状态发生改变导致高强度钢在应力腐蚀及其含氢环境中发生沿晶断裂, 提高了断裂抗力。
5 结论
本文采用瞬时高能量脉冲电流对SCM435高强度螺栓钢进行改性处理, 分别进行了处理参数的优化, 研究了脉冲电流处理淬火态的奥氏体晶粒大小, 研究了脉冲电流淬火、回火这种新型便捷的工艺, 并比较了传统箱式炉回火和电脉冲回火的性能差异, 通过这些探讨了SCM435高强度螺栓的强韧化机制, 归纳得到如下结论:
(1) 在SCM435螺栓脉冲电流处理过程中, 随着加热作用时间的延长, 淬火态的螺栓的晶粒逐渐细化, 力学性能逐渐变好, 但是超过最优化处理参数后, 由于温度过高, 会导致奥氏体晶粒的显著长大, 其相应的抗拉强度、硬度都会下降。寻找到最佳加热参数为tp=220ms。
(2) 经过220ms加热淬火后的螺栓, 再经过不同温度回火处理之后, 马氏体均发生不同程度的分解, 出现回火马氏体组织, 回火屈氏体组织以及回火索氏体组织。经过430℃回火保温4小时的试样, 抗拉强度为1462MPa, 延伸率为9.2%, 而经过480℃回火的试样, 抗拉强度虽略有下降为1440MPa, 但塑性却最好, 延伸率达到了10.6%, 经过530℃回火的试样, 抗拉强度为1423MPa, 延伸率为9.0%, 三种工艺均高于传统的调质态的样品, 原始样的相应数据为1281MPa和8.5%。
(3) 经过220ms加热淬火后的螺栓, 经过不同参数的电脉冲回火处理后, 随着作用时间的延长, 强度降低, 塑性提高, 但塑性均低于箱式炉回火的样品, 这是由于脉冲作用时间过短, 马氏体分解不彻底。经过40ms回火后, 样品的抗拉强度达到1610MPa, 延伸率仅为3.7%, 经过60ms回火后, 抗拉强度达到1581MPa, 延伸率为4.2%, 而经过80ms的处理, 延伸率为6.0%, 抗拉强度为1517MPa。三种工艺的强度均高于原始的调质态, 但塑性显然都因强度的提高而大幅受损。
(4) 在两组处理后的样品中, 选取力学性能最好的220ms+430℃*4h工艺以及220ms+80ms的每组4个试样, 在自制延迟断裂设备上做延迟断裂实验, 浸泡在Walpole缓蚀液 (醋酸钠+盐酸+去离子水或蒸馏水) 中, 发现原始样和保温4h的工艺由于最终处理都是长时间的高温回火保温, 且时间较长, 两组的延迟断裂时间相差不多, 一组为79.5h, 一组为85h。但是, 经过电脉冲回火后, 抗延迟断裂的能力明显提高, 这是由于力学性能的提高导致延迟断裂时的临界应力值得到提高, 而在同一预紧力水平下, 由于没有达到这一标准, 导致延迟断裂倾向降低。而晶粒的细化在其中也显然起到了一定作用。
摘要：电脉冲加热处理提高螺栓强度是20世纪后期发展起来的一项新技术, 由于瞬间输入高密度脉冲电流, 其产生的独特现象如电致塑性、电迁移、纳米晶粒生成等已引起学者们的关注。本文以SCM435高强度螺栓成品件为研究对象, 致力于研究高能脉冲电流对其组织和性能的影响。通过进行不同的加热时间和回火方式实验, 发现220ms是最佳加热时间, 430℃箱式炉中保温4h和80ms脉冲电流处理为两种回火方式的最佳参数, 力学性能最佳且晶粒达到最细化。在延迟断裂实验中, 脉冲电流回火较箱式炉回火试样延迟断裂时间更长, 且其延迟断裂性能均优于原始样。
关键词：脉冲电流,高强度螺栓,SCM435,显微组织,延迟断裂
参考文献
脉冲电流法 篇6
关键词：Rogowski线圈,脉冲电流,分布参数模型,频率特性
1 引言
Rogowski线圈测量时与被测电流回路通过电磁场耦合,没有直接的电的联系,与主回路有着良好的电气绝缘,频带较宽,上升时间快,可达几个纳秒[1,2],可测电流幅值范围宽,因而被广泛用于测量各种快速变化的大电流信号,如雷电冲击电流[3,4]、功率源中脉冲电流[5,6]以及局部放电信号检测[7]等。Rogowski线圈可以分为自积分式和外积分式两种,其中自积分式Rogowski线圈的结构简单、体积小、频率响应高,是测量纳秒级脉冲大电流信号的理想手段,在国内外已被广泛应用。
Rogowski线圈的分布电容、自感以及互感在高频激励时形成的共振现象是制约其测量频带宽度的主要因素。以往在应用Rogowski线圈测量脉冲电流时,对于线圈自身的时间常数和可测信号的带宽主要由其RLC集总电路模型推导[8],在计算Rogowski线圈分布参数以及频率特性的研究中依靠试验测量或结合经验公式估算线圈的电容、电感值,且以单节RLC集总电路模型研究其频率特性[9,10,11],设计和标定过程复杂,较难保证测量的精度和可靠性。
合理的电路模型是分析Rogowski线圈工作特性的必要手段。本文在对Rogowski线圈的工作原理和电路模型进行分析基础上,建立了自积分Rogowski线圈的等效电路模型,利用Ansoft Q3 D软件通过电磁场数值分析方法提取Rogowski线圈的电容、电感参数,基于等效电路分析了其频率特性,并通过实验验证模型的合理性和准确性。
2 自积分式Rogowski线圈的基本原理
Rogowski线圈的集总参数的等效电路如图1所示,其中M、L0、R0、C0、Rf分别代表线圈与一次载流导体互感、线圈等效自感、线圈等效内阻、线圈等效电容以及线圈端接电阻[12,13,14]。
当忽略分布电容C0影响时,电路方程为式(1):
当测量脉冲电流等高频信号时,等式右端的微分项远大于比例项,进而可以由式(1)导出,
式(2)表明被测电流i1(t)与线圈输出电压u0(t)近似成正比关系,称此时线圈工作在自积分状态,测量时无需外接积分器。其前提是要求被测电流变化非常快,适用于测量高频或脉冲电流。
3 自积分Rogowski线圈的频率特性分析
自积分式Rogowski线圈的自积分条件满足情况的好坏直接影响到测量的准确度。在高频电流信号测量时,应该根据测量信号的波长和Rogowski线圈导体尺寸的关系划分模型。一般来讲,要求导体尺寸与波长之比小于0.1[15]。因此,在分析Rogowski线圈的频率特性时,为了精确反映Rogowski线圈的动态特性,应该选用Rogowski线圈的分布参数模型[16]。为便于工程应用,对文献[16]模型进行简化,忽略匝间分布电容及线圈内阻的影响,建立无损传输线模型[17],图2为无损传输线模型中一个单元对应线圈的结构。其中,l=Ltotal/G为单位长度电感;c=Ctotal/G为单位长度电容;电流im(t)为被测载流导体上的电流;m=Mtotal/G为单位长度互感。当x=0时,代表端口短接;x=G时,代表端接电阻Rf。
由传输线理论,与图2模型相对应的传输线方程的Laplace表达式如式(3)。
式中:s=jω,为频域算子;该方程的通解为:
代入边界条件:
确定待定系数A,B后,可得线圈输出电压为,
对于低频测量的情况:|γ(s)G|<<1,cosh(γ(s)G)≈1,及sinh(γ(s)G)≈γ(s)G,可得,V(G,s)≈s MtotIm(s)Rf/(Rf+s Ltot),此即为集总参数的电路形式。
对于图2所示的传输线模型,当传输线长度等于信号频率对应的半波长整数倍时,传输线末端的信号电压为0,由此形成一系列相应的离散的截止频点,其中最低的一个频率决定了测量中Rogowski线圈的上限频率:,此时,其自积分的下限频率为:fl=Rf/(2πLtot)。
由以上分析过程可见,线圈测量频率的下限主要受自感以及线圈阻尼电阻的影响,高频特性主要由线圈分布电容决定。在设计时,应该根据被测量信号的频率特点选取线圈参数,在较低频率的信号测量中,需要增加线圈匝数和自感以实现对信号的自积分,而高频信号测量时,应减小线圈的匝数以减小其杂散电容,以获得较高的测量上限。
4 Rogowski线圈分布参数的提取
由前文所述,Rogowski线圈的上限截止频率主要受分布电容、线圈自感及互感制约,以解析法计算线圈的分布电容和电感,其精度不高,一般仅用于数量级估算。本文采用电磁场有限元方法对线圈的模型进行分析,采用Ansoft Q3D作为建模工具对Rogowski线圈分布电容和分布电感进行计算,利用求得参数建立Rogowski线圈等效电路并分析其频率特性,与实验结果对比来验证等效电路的合理性。
4.1 Rogowski线圈分布参数的提取
用于仿真的Rogowski线圈骨架截面为矩形,如图3所示。其尺寸为:内径a=40mm,外径b=80 mm,高h=24 mm,匝数N=36匝,用Ф=0.5 mm的铜线绕制。屏蔽壳界面为矩形,材料为铝。
利用Ansoft Q3D软件对母线、线圈绕组、骨架、内置绝缘固定装置以及屏蔽体进行建模,在后处理中分别计算了线圈绕组电容、绕组与外壳的互电容、绕组自感以及母线互感。计算结果如下:线圈电容为0.25p F,与外壳互电容为23.32p F,线圈自感和互感分别为5178.9n H及134.81n H。由前文对频率特性的分析,若忽略线圈自电容,则该线圈的上限截止频率约为45.5MHz。
4.2 Rogowski线圈等效电路的建立与仿真
单节的L、C电路模型带宽约为传输线第一个谐振频率的四分之一,约为11MHz。当分布式等效电路的分节数为10节时,电路模型带宽约等于实际模型带宽[14]。根据参数的计算结果及对上述Rogowski线圈模型的带宽进行分析,建立如图4所示的Rogowski线圈开环等效电路。
对建立的分布电路进行仿真,考虑开环特性时,线圈视作一端口传输线模型,其终端短路。仿真中采用终端接一小电感和电阻描述短路特性。为了验证上述参数计算的准确性及等效电路的合理性,利用矢量网络分析仪Agilent 5.71B(300k Hz~8.5 GHz)测量了线圈的一端口开环特性,其散射参数(S11)幅度的仿真与测试结果如图5所示。仿真和测量结果在140MHz范围内是比较吻合的,验证了仿真电路模型是合理的,同时也证明了Rogowski线圈参数计算的精确性。
4.3 Rogowski线圈的闭环转移阻抗
将Rogowski线圈的输出电压与一次侧电流的比值,定义为线圈的转移阻抗Z21。由式(4)可以导出线圈的转移阻抗为:
图6为不同端接电阻Rf所对应的转移阻抗的频率响应仿真结果,当Rf=5.1Ω时,计算线圈的转移阻抗为0.1327Ω。由图6可见,Rogowski线圈的下限截止频率随端接电阻Rf的增加而提高,且转移阻抗曲线存在上限截止频率点。因此,在实际测量中,应该根据被测信号的频率特点选用恰当的采样电阻Rf,以获得合适的线圈灵敏度及减小低频信号的干扰。
5 结论
脉冲电流法 篇7
神光-Ⅲ主机激光装置验证系统要求能源系统中的3个能源模块同时为该装置的多路氙灯组提供合适的高能量脉冲。高能量电流脉冲的形状、幅度和同步性直接影响到装置中放大器的增益系数, 很大程度上决定激光装置的性能。因此, 需要研制多路脉冲氙灯负载电流波形的实时采集模块, 用来检验每个能源组件和能源组件中的每一路氙灯是否正常可靠地工作。
1 系统参数描述
在系统中的每一台能源组件共有10组氙灯负载, 电路上采用了预电离+主电离的复合触发方式。其中预电离工作电压为23 kV, 每组氙灯放电电流为5 kA, 脉冲宽度约50 μs;主电离工作电压为23.5 kV, 每组氙灯负载最大放电电流为35 kA, 半正弦脉冲宽度约450 μs, 主电离工作在临界阻尼状态。在系统触发放电的同时, 氙灯电流波形采集电路也要求同时启动, 对电流波形进行实时采集并存储, 在放电结束后1 min时间内, 采集模块将通过每一台能源组件的PLC (可编程逻辑控制器) 控制器把采集到的电流波形数据上传到中心计算机, 供中心计算机进行波形显示、数据存储、分析, 并且能够对负载正常与故障进行快速判断。
2 采集系统组成
整个采集系统主要由信号调理、波形采集模块、系统供电模块以及上位机通信显示模块组成。
2.1 波形采集模块的硬件设计
根据要求, 系统采集的电流幅值高达35 kA, 这么大的电流必须通过专门设计的脉冲电流互感器进行隔离变换到采集电路能够接受的信号幅度水平。系统中使用的电流互感器匝比为1∶1 000, 取样电阻取0.1 Ω, 此时, 10 kA的初级电流穿过电流互感器的中心, 在电流互感器的次级输出端就有1 V的电压输出。互感器的输出通过简单的电阻电容滤波就可以送到后接的波形采集模块进行处理。
采集模块硬件框图如图1所示。
采集模块选用DSP (数字信号处理器) 和CPLD (复杂可编程逻辑器件) 作为核心CPU, 高速多通道同步采样芯片MAX125作为A/D转换芯片。MAX125是2×4通道14位同步采样转换芯片, 该芯片每个通道转换时间仅为3 μs, 可实现2×4通道同时采样。单通道工作时采样速率可达250 KSPS (千次采样每秒) , 双通道工作时采样速率可达142 KSPS, 四通道工作时同步采样速率可达100 KSPS。由于要同时采集12组氙灯负载电流波形, 根据采样速率的要求经过核算, 拟选用四片MAX125, 每片采用三通道的工作模式。CPLD选用Altera公司的EPM7128AETC144-5, 该芯片共有144个I/O口, 128个逻辑单元 (支持3 000个～5 000个逻辑门中小规模逻辑电路) , 主要完成对4片MAX125工作时序的控制。DSP选用TI公司的DSP芯片TMS320LF2407, 它主要负责采集数据的处理以及与PLC和中心计算机的通信。
2.2 波形采集模块的软件设计
2.2.1 MAX125的控制时序
MAX125上电工作后, 芯片默认的采样方式是只采集A组的第一通道。如果采样多通道, 就要对芯片的工作模式进行设置。设置参数是通过引脚A3～A0写入的。本系统中采用三通道工作模式。工作模式确定后, MAX125就可开始采样和转换输入信号, 这些操作都通过外部CONVST信号的上升沿启动, 在CONVST信号的上升沿保持输入电压, 输入信号被采样保持, 每个通道的转换依次进行, 每个通道的转换的时间是3 μs, 3个通道全部转换完需要9 μs, 此时INT信号产生, 其下降沿标志A/D转换结束。转换结果保存在14×4的RAM中, 直到CS、READ信号有效, 将转换数据读完, INT信号自动变高。只要按图2所示的控制时序, 即可方便地控制MAX125的工作过程。
2.2.2 CPLD的控制逻辑
本系统中, CPLD需要产生4片MAX125的片选信号 (CS) , 启动转换信号 (CONVST) , 读写控制信号, 4片MAX125的转换完成信号 (INT1～INT4) 逻辑或处理以及通过三态门送入数据总线, 以便DSP与CPLD进行双向数据交换。本系统采用模块化设计思想, 将CPLD实现的逻辑功能分块进行设计。整个逻辑控制主要包括地址译码部分、数据接口部分、启动转换信号产生部分和中断信号处理部分。
地址译码部分是通过CPLD将4片MAX125映射为DSP的I/O口地址0X10H, 0X20H, 0X30H, 0X40H。以便正确产生4片MAX125的片选信号。
数据接口部分是利用CPLD内部提供的三态门模块组成16路双向数据寄存器, 16位数据总线一端接DSP, 另一端接4片MAX125, 当4片MAX125中任何一片的片选信号 (CS) 有效时, 结合RD (读) 信号可对其中任意一片MAX125进行读或写数据的操作。
启动转换信号产生部分是指产生MAX125的CONVST信号, CONVST信号作为A/D采样和转换的启动信号, 从默认的高电平变为持续30 ns以上的低电平才表示该信号有效。利用时钟信号进行分频结合外部同步控制触发信号产生4片MAX125的启动转换信号, 采样和转换周期为15 μs。
中断信号处理部分是实现将MAX125地INT信号经过逻辑“或”处理作为DSP查询4片MAX125转换完成的信号。这样处理的优点在于保证查询到经过逻辑“或”运算后的INT信号为低时, 所有参与A/D采样转换的MAX125全部转换完成, 等待读取转换数据。
2.2.3 多路波形同步采集采样率的分析
一片MAX125三通道同步采样率为100 KSPS, 系统CPU同时驱动4片MAX125, 在依次完成A/D转换中断响应和读取转换数据时需要延时一段时间。而DSP、CPLD和MAX125都是高速设备, DSP的指令执行时间和从MAX125获取数据的时间都是几十纳秒, 可以达到很高的采样率。本系统选用4片MAX125, 每片采用三通道的工作模式, 那么在启动转换CONVST信号的作用下, 输入信号的采样保持时间约为1 μs, 三个通道全部转换完需要9 μs, DSP读取所有A/D芯片的数据最多需要1 μs。从以上分析得知, 整个系统一次数据采集的周期最多只需要11 μs, 即同步采样率可以达到90 KSPS, 完全能满足系统的要求。
2.2.4 DSP的控制软件设计
DSP无需了解MAX125的具体工作过程, 只要在每隔固定时间对4个I/O口地址进行访问, CPLD会控制相应的MAX125将转换结果发送到数据总线, 供DSP读取进行数据处理。软件控制流程见图3。
2.3 系统供电模块的设计
系统供电模块主要完成对波形采集模块的供电, 在通常情况下, 采集系统的供电由市电AC220V提供;但在能源组件放电过程中, 市电会受到较强电磁干扰, 可能影响采集模块的正常工作, 因此, 在系统准备进行放电试验前, 将采集模块的供电切换为采集系统自备的电池供电, 有效地避免了放电产生的强电磁干扰对波形采集的影响, 平时采集系统负责给电池充电。
2.4 数据存储分析和上位机通信显示模块
虽然TMS320LF2407内含程序存储器和数据存储器, 但考虑到调试方便、数据量大、便于将来系统升级等的因素, 本系统扩展了2片SRAM CY7C1021。该芯片是一种高速64 k×16 bit的静态读写存储器, 使程序存储空间和数据存储空间都扩展到64 k。
DSP读取的数据由RS-485通过光纤网络传给PLC供上位机显示、判断和处理。通过这种方式既实现了高电压隔离, 又避免了信号在远距离传输过程中受到干扰。
在采集系统单独调试过程中, 可以通过本地计算机对波形采集系统的性能进行检测。利用图形化编程软件LabVIEW编写了调试软件, 实现了多组氙灯负载电流波形的显示、分析、判断和打印。
3 实验结果
图4所示为该系统采集的100点数据绘制出的4组氙灯负载主电离放电电流波形图。共有10+1组氙灯负载, 需要采集1 100点数据。
目前, 该采集系统已经被成功应用到神光-Ⅲ主机激光装置验证系统的能源组件中。实验结果表明, 采用DSP和CPLD作为本采集装置的控制核心, 在采集精度和实时性方面具有良好的性能, 且工作可靠、稳定。由于引入了CPLD, 可以很方便地修改内部程序和逻辑功能, 简化了整个系统的设计, 提高了系统的集成度和可靠性。
4 结束语
采用CPLD为中心控制器, 以DSP为数据处理器的实时采集系统, 利用电流互感器、光纤传输等技术, 获取了高功率脉冲氙灯瞬间放电电流波形数据, 有效地实现了弱电系统对强电系统的实时精确测量, 为大型能源组件的自动测控工作开展奠定了良好的基础。
参考文献
[1]李炜, 李网生, 徐功潜.一种新型能源组件的研制[J].电子工程师, 2004, 30 (5) :35-37.
[2]EDA先锋工作室.Altera FPGA/CPLD设计[M].北京:人民邮电出版社, 2005.