基于检测10 kV电缆故障的高压脉冲信号发生器的设计与实现

摘要：首先介绍了检测电缆故障的方法及原理并介绍高压脉冲信号源的总体设计方案和组成部分。信号源硬件的主要器件为IGBT驱动模块VLA517和数码管液晶显示模块，设计并实现了信号源的电路功能。接下来简要介绍了所选用的单片机C8051F310的主要特性，并对于软件设计中使用的开发语言及开发环境进行了简要说明。本文的最后一部分内容是软件部分的设计，包括定时程序和数码管显示程序两部分。实验中验证了信号源软硬件设计方案的可行性和正确性。

随着社会的发展，10 kV电力电缆的应用越来越广泛，用电缆供电有很多优点，但是由于系统扩容等因素的冲击，运行时间越久，故障越来越频繁，为了提高供电可靠性就必须以短时间修复这些电缆故障，但是电缆是埋在地下的不便于直接观察发现故障点。而如何查找故障点成为我们不断深入研究的课题。目前经常用的测距法是脉冲反射法、但是这种方法误差比较大，配合此测距方法经常使用的精确定点法是声测法和声磁同步法，然而在脉冲反射法和声测法中关键是高压脉冲信号源的设计与实现。

1 脉冲信号源系统组成

高压脉冲发生器的作用是产生并发送幅值为10 kV的周期脉冲信号，脉冲的宽度及周期都是可调的。系统主要由主回路、控制回路、显示器三部分组成。系统总体设计图如图1所示。

主回路部分，首先将220 V交流电源经整流、滤波后变为直流，电压为270 V左右，开关管采用绝缘栅双极型晶体管(Isolated Gate Bipo lar Transistor，IGBT)，并选用了VLA517作为IGBT专用驱动模块进行驱动，当控制回路输出脉冲信号加到IGBT时，使IGBT导通，脉冲变压器的原边有一个脉冲电流流过，脉冲变压器的变比为1：40，随即在脉冲变压器的副边产生一个高压脉冲，显示器部分将脉冲信号的周期、脉宽和脉冲发送间隔显示在数码管上。

2 信号源控制电路

信号源的控制回路即是单片机的硬件系统，如图2所示。图中，显示部分采用数码管，驱动芯片用2003，该芯片驱动能力可达20个TTL芯片，电源用三端稳压块AS1117提供，输入5 V，输出3.2 V。

5个按键K1、K2、K3、K4、K3用来控制信号源正常工作，并用五位数码管实时显示，其功能如下：

复位键K5：是单片机复位，数码管显示全零，表示复位成功。

启动/停止键K4：实现脉冲的发射与停止功能，如果我们按下K4的时间不到3 s那么发送脉冲，数码管显示“RUN”;如果按键时间大于3 s则停止发送脉冲，数码管显示“STOP”。

设置按键K3：用来控制脉宽还是脉冲周期的设置，如果按键时间小于3 s那么进行脉宽的设置，数码管显示脉宽初值“1”单位是μs;如果在3～10 s之间则进入脉冲周期的设置，数码管显示初值“1000”单位是μs;大于10秒则进入发脉冲间隔时间设置，数码管显示初值“60 00”单位是μs。

减少按键K2：用于设置减少相应的数值(脉宽、周期、间隔)，从数码管显示的数值变化可以看出其数值减小。

增加/间隔按键K1：用于设置增加相应的数值(脉宽、周期、间隔)，从数码管显示的数值变化可以看出其数值增加。

P1.0用来触发脉冲源的IGBT，用以产生高压脉冲。

3 软件设计

3.1 编程语言及开发工具

单片机的编程语言可以是汇编语言，也可以是高级语言(C语言)，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势。本文采用的编程语言为C语言和Keil C51软件开发系统，它是美国KeilSoflware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统。

C8051控制回路采用单片机C8051F310，该单片机运行可靠，体积小，功能强大，与8051单片机兼容，其管脚排列如图3所示。

如图4所示该单片机采用32脚封装的芯片，4个端口P0～P3通过交叉网络输出，接上拉电阻时可以承受5 V的耐压，即输出电压为5 V，此时为漏极开路输出。如果不接上拉电阻，则为推挽输出，输出电压为3.2 V，由PxMDOUT决定。C8051F310最大的优点是其内部带有振荡器，不必外接晶体，而且可编程分频，最大频率为24.5 MHz。只要让OSCICN=OSCICN10x03，就表示内部时钟且不分频。

3.2 整体程序流程图

如图5所示在开机初始化后，定时计数器T0周期扫描数码管对其进行逐位显示即动态显示，由于人的视觉暂留时间为0.1～0.4 s，而我们的每位间隔扫描时间为l ms所以我们看到五位数码管显示的数字是不变的;然后我们对键盘扫描，K4控制启动或停止发送脉冲，K3选择设置脉宽、周期、发送脉冲间隔，K2埘K3选取的设置项将其数值减少，K1对K3选取的设置项将其数值增加。

3.3 脉冲发送软件设计

单片机内部有4个16位计数器/定时器，这些定时器可以用于测量时间间隔，对外部事件计数或产生周期性的中断请求。发送脉冲程序流程图如图6所示。

本文选用单片机内的定时器T0、T1、T2，T3方式1。方式1的计数器/定时器使用全部16位，选择系统时钟，作为定时器0的时钟源。用T0定时1ms扫描数码管显示;T2定时器的定时时间为脉冲间隔时间，T2计时期间IGBT是关断的;当T2计时结束后开始T3计时，计时长度为脉冲的宽度，T3计时期间IGBT打开;当T3计时结束T1开始计时，计时长度为脉冲周期减去脉冲宽度，T1计时期间IGBT关闭，T1的中断次数为100的时候关闭IGBT，打开T2定时器开始再次休息-发射脉冲的循环。

T0定时程序的主要代码：

单片机中交叉开关的配置，C8051F310有29个I/O引脚(3个8位口和一个5位口)，每个端口引脚都可以被配置为模拟输入或数字I/O。被选择作为数字I/O的引脚还可以被配置为推挽或漏极开路输出。数字交叉开关允许将内部数字系统资源映射到端口I/O引脚。在脉冲信号源的设计中，使用到单片机的4个I/O端口，分别是P1.0，主要是输出脉冲信号，还有下面小节用到的与液晶显示模块的连接所用到的P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、PI_5 5个接口。

交叉开关根据优先权译码表为所选择的内部数字资源分配I/O引脚，寄存器XBRO和XBR1用于选择内部数字功能寄存器XBRO和XBR1必须被装入正确的值以选择设计所需要的数字I/O功能。置‘1’XBR1中的XBARE位将使能交叉开关。

用端口输出方式寄存器(PnMDOUT)选择所有端口引脚的输出方式(漏极开路或推挽)。I/O引脚的输出驱动器特性由端口输出方式寄存器PnMDOUT中的对应位决定，每个端口输出驱动器都可被配置为漏极开路或推挽方式。本设计中将端口P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5所对应的端口1输出方式寄存器P1MDOUT中的相应位置1，设置为推挽方式。

具体配置如下：

3.4 数码管显示软件设计

本设计显示部分采用的是共阴极8位数码管，并用2003驱动，由于数码管是8位即a(P0.0)、b(P0.1)、c(P0.2)、d(P0.3)、e(P0.4)、f(P0.5)、g(P0.6)、dp，dp是显示小数点的位，本设计中并未用到。由于驱动2003是由8个非门构成，所以要想点亮我们的共阴极数码管那么相应的P0.X应设为0，数字0-9的ASCII码为0x40，0x79，0x24，0x30，0x19，0x12，0x02，0x78，0x00，0x10。例如我们想显示数字0那么P0=0x40。

而我们的段选是由P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5控制的，第一段数码管选中用P1 |=0x02;P1 &=0xC3;第二段数码管选中用P1 |=0x04;P1 &=0xC5;第三段数码管选中用P1 |=0x08;P1 &=0xC9;第四段数码管选中用P1 |=0x10;P1 &=0xD1;第五段数码管选中用P1 |=0x20;P1 &=0xE1;

如图7所示在开机初始化后我们设置不同的标志位用来显示不同的内容：flage为1表示要显示脉冲宽度，flage为2表示显示脉冲的周期，flage为3表示显示发送脉冲的时间间隔，flage为4表示发送脉冲，flage为5表示停止发送脉冲。

4 发送脉冲波形图

我们设置的脉冲的宽度为4μs，脉冲周期是1 ms，脉冲的间隔时间是6 s时候的发射脉冲波形图如图8所示。

本文实验所用电缆型号ZRYJLV22额定电压8.7/15 kV，变压器为1：40的高频变压器，脉冲信号经变压器变压达到10 kV的脉冲被直接送到线路，启动运行按键向线路注入脉冲，形成入射信号。由图1可知入射信号经电阻R4(1k)分压被送到示波器，便于实验中观察信号，示波器测量到的波形如图9所示。

5 结论

本高压脉冲信号发生器不但可以实现基本的脉冲信号的发送与停止功能，而且脉冲宽度、周期和脉冲间隔时间是可以设置的，可以根据我们的需要进行设置。本设计用的变压器最大匝数比是1：40，而且有4个档可以调节即1：10、1：20、1：30、1：40，输入为220 V因此输出的高压脉冲电压最大可以达到10 kV。可以根据实际的个人需要变换使用其他的变压器，把电压升到你需要的高压值。本设计成本低、使用方便而且有较高的可行性。