數字光纖采集系統的抗干擾試驗研究

郭成功 ，羅 園 ，陳澤宇 ，張旭鋒

（1.甘肅電器科學研究院，甘肅天水741018；

2.甘肅省高低壓電氣研發檢測技術重點實驗室，甘肅天水741018）

1 引言

開關電器試驗既是伴隨電器產品研究、設計全過程不可缺少的手段，又是對電器產品性能的最終驗證。因此，國內外的電器行業對電器試驗十分重視。無論是對試驗成功與否的判定還是對產品性能的評價都依賴于測試系統所提供的試驗結果。由于電器試驗的特殊性，特別是開關電器的試驗，需要高速實時記錄電壓電流等多維訊號，對提高測量的準確度和數據量等方面都提出了很高的要求。

2 開關電器強電流試驗對測試系統的要求

2.1 可靠性要求高

開關電器的分斷能力試驗，不僅所用的設備復雜，投入人員多，同時由于熄弧過程是涉及電氣、熱能傳導、機械傳動等諸多因素的復雜過程，試品開斷能力有明顯的累積效應，因而任何一次開斷試驗是無法復現的，故測試系統必須要準確無誤的捕捉到所有訊號，并可靠地記錄試驗過程的全部數據，特別在新產品的研制過程中，常常耗資很大，而在試驗過程中還可能發生爆炸等結果，如果因為測試系統的故障或工作不可靠而影響數據記錄，損失是難以估量的。

2.2 待測的訊號多，數據量大

開關電器的分斷能力試驗不僅要求記錄通道數多，且電器產品的種類多、試驗項目多，有的記錄時間長。例如熔斷器的小電流分斷、斷路器的過載分斷、重合閘試驗，以及不同產品規定開斷后的保持電壓時間，而其中的瞬態恢復電壓等信號的頻響高，這就對測試系統的配置和能力提出了有別于一般測試系統的更高要求。

2.3 強電磁干擾嚴重

分斷能力試驗中，短路電流有時可高達上百kA，高電壓開關的試驗電壓可高達數百kV，電磁干擾嚴重，特別是在試品開斷過程中突發閃絡或擊穿會導致地電壓抬高，有時高達數百伏至數kV，不僅影響測試系統的正常工作和測量的準確度，而且直接威脅測試系統的安全，常常會造成系統中設備的損壞。

2.4 試驗間隔時間短，數據處理工作量大

標準允許的試驗間隔通常不超過3min，為了有足夠的時間給客戶判定結果及決定是否繼續進行試驗，允許測試數據的處理時間不超過2min，必須在此時間內嚴格按產品標準對數據進行處理，給出示波圖及所需的全部數據。

3 計算機數據處理及采集系統

隨著電子技術、光纖技術的發展，以瞬態波形存貯器（以下簡稱波存）、光纖信號傳輸設備及計算機為主的數據采集與處理系統，無論是在性能參數上還是在價格指標上都已普遍得到各試驗室所的接受。目前國內及國外一些大容量試驗室均已建成以波存為基礎的數字采集與處理系統，其基本原理框圖如圖1所示。

圖1 數據采集系統基本原理圖

采用數據采集與處理系統的主要優點是可以用計算機對數據進行處理，從而減小被測信號的傳輸誤差，提高試驗室的自動化程度。用計算機測試系統進行通斷試驗的數據采集與處理，可減輕工作人員的勞動強度，消除人為誤差，提高試驗結果的準確性和完整性。CY2009D及CY3000DF數據采集系統，除主機外，還配備了采集前端、顯示器等，能充分滿足通斷能力試驗數據采集與處理的需要。針對目前國內常見的數據采集的整套系統，電流采集通常采用ROGOWSKI線圈＋積分器的組合，它具有以下優點。

（1）測量范圍廣，線性度好；它的測量范圍可以通過積分放大器的分檔，從幾安到幾百千安培。它沒有鐵芯飽和問題，線性度好，有好的瞬態性能。

（2）安裝位置不受限制，結構緊湊、重量輕，可以安裝在接地點，也可以安裝在不接地點，使用測量方便。

（3）頻率帶寬從1Hz到幾百kHz均可測量，有利于諧波分析。

（4）一次母線與二次測量回路無直接電氣聯系，使用安全可靠。

（5）不存在動、熱穩定電流的要求，特別適用于熔斷器、限流斷路器開斷短路電流的試驗，此類試驗中，試品的預期短路電流很大，有的達100kA以上，而實際開斷電流很小，如果選用電流互感器或低感分流器，考慮實際開斷電流小，而選小量程的傳感器，則在試品未斷開時，這些傳感器將承受很大的預期短路電流，有可能造成損壞，而ROGOWSKI線圈則無動熱穩定電流的限制，使用安全、方便。

ROGOWSKI線圈是將繞阻導線均勻地繞在一個非鐵磁性材料環行骨架上，母線從線圈中心穿過，當母線上有電流通過時，線圈兩端會產生一個感應電動勢，在這兩端接上合適的電阻，就可根據電磁感應原理測量電流，由于繞組本身與電流回路沒有電的聯系，而是通過電磁場耦合，故與主回路有良好的電氣絕緣，線圈上的感應電動勢為：

其中，N為線圈匝數，；I（t）為被測電流；r為線圈的平均半徑；S 為線圈的橫截面積；μ0為4×10－7H／m（真空磁導率）。

但是該組合在采集電流時無法保證非周期分量的準確性。無感（低感）分流器則能很好地解決了這一問題，但低感分流器直接接于主回路中，有電的聯系，測量時特別是由于數據采集系統應該是將分流器處于接地端，這會給使用帶來限制和不便，例如有的成套裝置試驗，要求將電流傳感器裝在試品的前面，試品出線端直接接地，此時如使用低感分流器，它就處于高電位，對測量系統不利。同時低感分流器的應用還受到本身熱容量的限制，它本身是個電阻元件，在反復大電流的工作狀況下，會導致熱容量變大，尺寸也會增大。解決這一難題，需要通過進行高壓數據采集的前端抗干擾試驗進行研究。

4 采集系統的抗干擾測試分析

高壓數據采集是高壓試驗中的一個極其重要的環節，數據的精確度、抗干擾能力等等一系列因素都會直接影響到試驗人員對試驗結果的判定。并且開關電器強電流實驗室測試系統的隔離保護環節，不僅關系到能否準確的測試各參量的數據，更關系到系統設備安全及操作人員生命安全，由于計算機數據處理系統各通道共地不可分，一般輸入電壓為土5V，而強電流試驗室中傳感器多，且分散，接地開關的電位有時相差很大，有高至2000V的共模過電壓，此共模過電壓會連同信號電壓一起加在瞬態波形記錄儀上，波形記錄儀很難承受。若是浮地系統，更會經過各通道的共地點短路，因此沒有可靠的隔離是完全不可能勝任強電流試驗室的工作環境的。特別是在試驗中，不僅地電位可能產生數千伏的抬高，且還可能發生試品的閃絡爆炸，都會導致測試電纜直接被主回路的高電壓擊中，因而有效的隔離高電壓的產生，是保證昂貴復雜測試系統及工作人員人身安全的關鍵。分流器是采集回路電流的一個重要儀器，能夠精確地對電流進行采集反饋，分流器的采集精度和抗干擾性要優于羅氏線圈等其他采集設備，但分流器的缺陷是體積大，隨著采集電流等級不同的電流就要更換不同的分流器，并且分流器采集量程的局限性，如何解決這些存在的問題就成為了研究的重點。

5 抗干擾試驗的具體原理及實施

試驗時將采集前端放在試驗小室，高壓電信號先由高壓信號線采集至分流器低壓側，再通過傳輸電纜線傳輸到采集前端，前端通過A／D轉換及E／O轉換將電信號轉化為光信號，由光纖傳導至主控室的采集系統主機，由主機將光信號轉化為數字模擬信號后傳至計算機，最后由計算機上的采集系統進行示波圖的顯示和還原，此過程如圖2所示。

圖2 光纖采集系統框圖

這樣做就可以通過光纖的作用將采集的主機和位于試驗小室的前端隔離，保障了采集人員的人身安全，又做到一二次側隔離，解決共模干擾和地電位抬高的問題就成為了另一難點。

6 試驗數據的分析、改進及驗證

在試驗開始階段，試驗發現通過該系統采集到的示波圖中電流和電壓波形存在毛刺，共模干擾問題十分明顯，如圖3所示。

圖3 試驗方式O－CO示波圖

首先，從采集系統原理考慮到采集卡是將緩沖放大器采樣保持多路轉化、A／D轉換器及緩存器集成在一張卡上且自帶緩沖區。同時采集卡在研制過程中，充分考慮到了電器試驗站干擾嚴重，不可重復等特點。其次，就大量的試驗現場接線布局而言，分流器和測量前端都位于試驗小室。再次，在大量的現場試驗過程中，發現所做的調整如將采集前端移位至試驗小室以外，采集到示波圖的抗共模干擾明顯好轉等現象，決定從試驗前端做調整改進。

反復的試驗，并通過數據的積累和分析，反復的研究，先后對采集前端的外殼進行了加厚改造，抗干擾處理，并對采集前端內部主板上的電阻電容進行了不斷的調試搭配改造，最終順利解決了分流器采集電流信號存在的相關問題，實現了采集波形完整化、穩定性的處理，進一步提高了電流采集的精度。圖4和圖5所示為改善后試驗方式O－CO和CO的示波圖。

圖4 試驗方式O－CO示波圖

圖5 試驗方式CO示波圖

7 結束語

本文詳細介紹了開關電器強電流試驗的數據采集系統，并對采集系統的抗干擾能力進行了試驗和測試。數字光纖數據采集與處理系統在大容量試驗室的運行只有幾年的時間，尚需對此進行大量的工作才可對此系統進行更為詳盡地調整完善。在大容量試驗室運行期間，該數據采集系統有很強的抗干擾能力，很好地完成了開關電器大電流的采集任務。