直流电弧放电信号检测电路设计【字数：14015】
直流电弧放电信号检测电路设计[160515204332944x]
摘 要直流供电具有节省空间资源，提高能源效率，以及便于接入储能设备等优点，广泛应用于航空航天，电动汽车，太阳能发电等新能源系统中。在直流电源系统中，受环境及运行条件的影响，震动导致金属接头松动，线路绝缘老化，发生接地等故障时都可能引发直流电弧。随和直流供电系统应用范围的扩大，电源电压水平也提高到数百伏，如太阳能电池板逆变器或直流母线的工作电压通常为几百伏，电动汽车的内部直流电机额定电压可达650 V。随着电压的增加，DC系统中电弧故障的可能性大大增加。随着电压的升高，直流系统发生电弧故障的可能性也大大提高。直流电弧很难熄灭，因为其电流不过零点。如果直流电弧发生在元件内部紧凑的电路中，甚至会发生爆炸，严重影响设备和财产安全。因此能分析直流电弧特性，从而能提出检测电弧的有效方法，对及时切断电弧故障，提高直流电路稳定性具有重大意义。本课题基于电弧的产生机理及电磁信号特征设计了一款检测电路。本课题通过三阶分形天线采集电弧电磁辐射信号。根据已有文献的研究，电弧电磁辐射的频带集中在十几MHz，我们对采集的电磁辐射进行滤波，去除杂声，并且进行放大处理，经过滤波器观察图像。并且绘制图像完成最终检测。本系统经过多次测试使用，实践证明，该测试系统能够准确、快速、安全的完成对电弧的检测。该测试系统可以极大的减少安全事故，提高生产效率，同时将测得的电磁辐射实时的显示出来，并且保存数据，具有很好的应用前景。目 录
1.绪论 1
1.1课题研究的背景和意义 1
1.2国内外的研究现状 1
1.3主要研究内容 2
1.4论文主要章节安排 3
2.检测电路总体设计方案 5
2.1检测电路设计的需求分析 5
2.2硬件设计方案 5
2.2.1系统总体方案 5
2.2.2检测传感器 6
2.2.3运算放大器 7
2.2.4检测滤波器 7
2.3实验环境介绍 7
2.3.1直流脉冲信号发生源 7
2.3.2信号采集单元 8
2.3.3信号发生器 9
3.检测用天线传感 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
器的设计 11
3.1天线传感器的选型 11
3.2传感器的仿真设计 11
3.3传感器的制作及测试 12
4.信号调理单元选型设计 14
4.1运算放大器 14
4.1.1运算放大器的选型设计 14
4.1.2运算放大器的测试 14
4.2检测滤波器 16
4.2.1检测滤波器的选型设计 16
4.2.2检测滤波器的测试 17
5.测试及分析 19
5.1测试环境介绍 19
5.2高压直流模块脉冲放电检测 19
5.2.1不同放电电压对电弧电磁辐射的影响 20
5.2.2两极间距离对电弧电磁辐射的影响 26
5.3不同类型放电 31
5.4数据分析与结论 33
6.总结与展望 34
6.1总结 34
6.2对社会的影响 35
6.3展望 35
参考文献 36
致 谢 37
1.绪论
1.1课题研究的背景和意义
随着检测技术的飞速发展，并且人们对于电气安全要求的逐步提高，供电设备的故障检测及诊断已经成为国内外研究的一个热点。特别是直流输变电技术的跨越式发展，强迫着相关设备商不断提升设备绝缘水平和运行可靠性。电弧放电作为设备绝缘劣化的征兆，其有效检测可预警设备绝缘故障，是目前设备状态检测中一个十分重要的检测参量。电弧的故障检测相关的研究已经成为业内研究的重点，在输电、变电及配电领域都有十分广阔的应用前景。
电弧的温度很高。它是一种游离气体，所以它的质量也很轻。在电动力，热力和其他外力的作用下可以快速伸长，弯曲迅速移动和变形。所以电弧的存在会对电力设备和电力系统造成危害，主要有：
1）电弧会使开关电器关闭故障电路的时间延长，加重电气设备的故障危害。由于电弧的不稳定性，电弧会随机的移动，很容易造成线路短路甚至伤到人员。造成事故的扩大。
2）电弧具有很高的温度，触头表面会融化，从而使绝缘材料发生破损。在有油气的环境下甚至会发生爆炸。
3）电弧会使开关电器关闭故障电路的时间延长，加重电气设备的故障危害。
总之，对直流电弧放电信号进行检测，可以更迅速的解决工业和民用的直流电路问题。可以很大幅度的降低因为直流电弧而产生的火灾事件，可以给生命财产安全得到保障。
1.2国内外的研究现状
随着检测智能化的飞速发展，电弧检测故障检测手段也层出不穷。国内外对于直流电弧放电信号检测均开展了相关的研究。但总的来说，相关的检测技术还不够成熟，业内对于直流电弧检测也没有统一的标准。在直流电弧放电检测硬件方面和传感器检测电弧部分都有极大的提升空间。
检测直流电弧主要有很多方法，但是一般把它们分为两类：基于时域频域特性的检测方法和基于电弧物理特性的检测方法。比如可以检测红外热能，强气压和弧光。也可以检测电流电压变化率。刘源的《直流电源系统中直流电弧特性机器检测方法》研究中对直流电弧放电特性的影响因素及其变化规律进行了分析，发现电源输出的电压在产生电弧时指数会发生突变。并且以此提出有关电压的检测方式，但是该方法在不同电压时的可靠性还需要检测。SEO G S, KIM K A, LEE K C的《一种新的直流电弧故障检测方法，采用直流系统元件建模和分析低频范围》提出了一种基于电流频谱分析的直流电弧故障检测方法，采用多带宽分析方法处理数据，能够区别故障电弧和正常操作，而将该方法应用到实际直流系统中还需要进行更多的开关电源以及负载操作相关实验。
近年来，国外学者开始研究不同系统中直流电弧的影响及其检测方法。OH Y S, JUNG T H, KIM D U的《一种检测低压配电系统直流串联电弧故障的方案》利用小波奇异值分解算法检测低压直流配电系统中的直流电弧故障，并通过EMTP仿真验证检测方法的正确性，但其仅讨论了两种故障类型，所以检测方 法仍存在局限性。目前针对直流电弧电磁辐射特性的研究较少， KIM C J的《低压电弧故障的电磁辐射特性》提出了计算电弧辐射电场功率谱的方法，电弧辐射电磁场与电流变化率成正比，而直流电弧与不同开关操作的电磁辐射特性的区别还有待研究。
以上的学者研究成果为本系统的测试提供了参考。
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