引言

整個20世紀,，電能已經變得無處不在,，成為了日常生活的必需品。不難想象,，如今支持我們每天的電能需求的電力網絡極為復雜,。人們需要處理多種問題,，如維護或替換老舊的系統(tǒng)、連接舊設施和新的綠色發(fā)電解決方案,、支持和應對能源需求的波動,、長距離傳輸能源、擁擠地區(qū)的輸配電和對應標準以及保證客戶的整體滿意度,。在過去的幾十年里,，電力服務中斷一直是人們關注的焦點，并推動了監(jiān)測,、預測和預防設備問題的研究,。一種被稱為局部放電(PD)的物理現象已經被用于檢測這些問題。本文將簡要介紹局部放電的概念和優(yōu)點,，以及不同的捕捉技術,，著重介紹超高頻(UHF)系統(tǒng)，特別是其數據采集系統(tǒng),，然后介紹構建這種系統(tǒng)的數據轉換解決方案,。

局部放電以及為什么應該檢測局部放電

局部放電是發(fā)生在電氣設備（電纜、開關設備,、斷路器等）絕緣層的放電,。由于這種放電沒有完全連接兩個導電端子，因此被稱為局部放電,。

圖1 局部放電

局部放電可能發(fā)生在電網的許多部分,，通常是傳輸高壓并被某種絕緣介質（固體,、液體、空氣）包圍的地方,。由于局部放電的局部性和重復性,，隨著時間的推移將導致變壓器、電力線纜和附件的絕緣損壞,。局部放電是表征將來需更換材料的故障的良好指標,，非常值得監(jiān)測。人們可以通過局部電網的中斷盡早發(fā)現故障并進行預防性更換,，對電力用戶產生最小的影響,。

如今，現代電纜的制造工藝非常成熟,，很少會生產出有缺陷的產品,，這些產品通常在到達安裝環(huán)節(jié)之前就被檢測出并丟棄。局部放電導致的最重要的問題通常發(fā)生在接頭和附件處,。

如前所述,，監(jiān)測任何類型電網的局部放電，都有助于制定維護計劃,。此外,，通過確定局部放電的位置，有助于快速發(fā)現和解決問題,。這對于地下部分特別有用，因為挖掘的成本高昂,，還會產生如道路封閉等其他的影響,。

如何檢測并定位局部放電

當前有多種技術可檢測局部放電，每種技術都有自己的優(yōu)點,、挑戰(zhàn)和使用案例,。本文主要關注的是超高頻(UHF)技術，這種技術需要一個高速檢測系統(tǒng)來正確檢測捕捉的短脈沖,。表1簡單總結了檢測局部放電的不同技術,。

圖表1：主要局部放電檢測技術概述

注意以下列出的技術并不適用于所有類型的設備。例如,，UHF和光學技術更適用于氣體絕緣(GIS)超高壓(EHV)變壓器,。此外，可以使用多種技術提高整個監(jiān)視系統(tǒng)的性能,。

原則上,，UHF局部放電檢測器可監(jiān)測產生的短放電脈沖（通常持續(xù)幾納秒）。由于脈沖時間非常短,，放電信號的頻率范圍可從直流跨越到幾GHz,。使用信號的UHF部分有很多優(yōu)點,。這個頻段受干擾的影響小，且更容易采取減少干擾的措施,。此外,，采用最新的UHF傳感器和數據轉換器技術可實現高靈敏度，而且UHF檢測系統(tǒng)可實現更好的定位精度和默認模式識別,。對于電網監(jiān)視,，這意味著能更好地找出故障發(fā)生的位置，并評估它的影響,。

局部放電定位可通過多種技術實現,。每種技術都需要多個傳感通道，并通過比較每個通道捕獲的脈沖的不同參數確定位置,。大多數解決方案至少需要4個傳感通道,，以實現1米或更優(yōu)的局部放電定位精度。

當前最引入注目的解決方案是三邊測量技術,。脈沖從局部放電到傳感通道位置的傳播時間（飛行時間）與兩者之間的距離有關,。通過比較不同傳感通道之間脈沖到達的相對時間，可推斷出局部放電的位置,，一般能實現1米或更優(yōu)的精度,。

另一種解決方案是考慮不同傳感通道捕獲的信號強度。信號強度與局部放電與傳感通道之間的距離有關,。因此,，通過比較不同傳感通道捕獲的信號強度，可準確定位局部放電事件,。

UHF 采集系統(tǒng)是檢測性能的關鍵

采集系統(tǒng)的目標是準確捕獲包含局部放電信息的局部放電傳感器的模擬輸出,。經過信號調理環(huán)節(jié)后，模擬信號被轉換到數字域,，然后被處理,，以判斷是否發(fā)生局部放電，并獲取局部放電的位置和任何其他感興趣的參數,。

圖 2：采集系統(tǒng)的高級框圖

采集系統(tǒng)中最關鍵的部件之一是ADC(模數轉換器),，用于將傳感器的輸出轉換成主機PC能夠處理的數字數據流。由于局部放電的脈沖特性,，其UHF分量可達到1ns以下的瞬態(tài)時間,。為了準確捕獲脈沖，需要考慮ADC的多個參數,。如-3dB模擬輸入帶寬,，分辨率，采樣速度，通道數等,。

-3dB模擬輸入帶寬：為了準確捕捉脈沖頻率,，ADC的帶寬需要足夠高。如果脈沖頻率高于ADC的帶寬,，部分脈沖信息會被系統(tǒng)過濾掉,。一個經驗法則是，ADC的帶寬需要超過脈沖的最大頻率分量的5到10倍,，以獲得足夠的精度,。下式可用于將脈沖瞬態(tài)時間轉換為頻率：

Bp是脈沖的帶寬，Tr是脈沖的10-90%的上升/下降時間,。這個公式基于RC低通濾波器響應,，是一種簡單估算捕獲脈沖所需的帶寬的方法。例如,，10-90%的上升時間是1ns,，脈沖的帶寬是350MHz，要準確恢復脈沖,，ADC的-3dB模擬輸入帶寬應在1.75~3.5GHz之間,。

請注意，不同的系統(tǒng)有不同的要求,，因此對更高的ADC帶寬的需求也不同,。一般來說，我們希望從設備中獲得的信息越多,，所需的脈沖捕獲的精度就越高,，對帶寬的要求也就越高。反之,，如果設備的目標僅僅是識別是否發(fā)生局部放電,，達到2到3倍脈沖頻率的帶寬就足夠了。

分辨率：也可以理解為垂直（電壓）分辨率,。它表示每次采樣的值的精確度,。更高的分辨率可以提高轉換的精度,。例如,，分辨率為10位的ADC對應滿量程的1024個可能的值。假設滿量程電壓為1V,，每個步長對應977μV,，對于理想ADC，輸入信號以+/-488μV的垂直誤差進行采樣和轉換,。由此,，容易理解若是增加2位的分辨率，精度將提高4倍 。雖然為了捕捉更大的脈沖而提高滿量程電壓會降低電壓分辨率,，但應該注意的是,，垂直分辨率表征的是理論上的性能。在實際應用中,，不同類型的噪聲會影響ADC的性能,。因此，在評估垂直分辨率時,，最好同時考慮ENOB(有效位數),，因為它包含了噪聲的影響。

類似地,，系統(tǒng)的要求決定了ENOB的需求,。一般來說，ENOB越大,，處理的復雜度越高,，而從局部放電脈沖中提取的信息也越詳細。

采樣速度：也可以理解為水平（時間）分辨率,。它表示ADC每秒采樣的次數,。較高的采樣率對應較短的連續(xù)采樣的持續(xù)時間，以及更高的脈沖時序精度,。理論上,，根據香農-奈奎斯特定理，恢復給定脈沖的最小采樣速度是2*Bp,。在我們前面的350MHz脈沖寬度的例子中,，700Msps采樣率的ADC即可滿足要求。如前所述,，設備的目標決定需求,。如果需要從脈沖中提取更復雜的信息，如局部放電的位置,、局部放電的能量或能量模式等,，則需要更高的采樣速度。

通道數：可簡單理解為可用的采集通道的數量,。多通道局部放電系統(tǒng)的一個主要優(yōu)點是,，當使用4個通道時，可通過三邊測量技術確定故障發(fā)生的位置,。此外,，更多的通道數可實現同時測量，對大型系統(tǒng)來說非常有用,，例如在變電站控制大樓采集所有局部放電信息,，和/或傳輸這些信息以進行遠程監(jiān)控。

采集系統(tǒng)的另一個關鍵部分是與ADC接口的前端處理單元。在大多數情況下會使用FPGA完成這一工作,。FPGA與ADC連接,，完成第一階段的處理，然后把處理后的數據發(fā)給主機PC,，主機PC會對數據進行額外的后期處理,、存儲和轉譯，決定當檢測到局部放電時應如何采取行動,。FPGA的并行處理能力和高級接口選項特別適合這種應用,。

此外，FPGA需要能夠處理高速ADC產生的海量數據,。例如,，以2Gsps采樣率工作的四通道10位ADC會產生80Gbps或10Gbps的原始數據。FPGA能夠與ADC對接,，恢復所有數據,，進行第一級實時處理（如數字濾波、非線性噪聲抑制,、數字基線穩(wěn)定等）,，然后根據復雜的觸發(fā)機制選擇有用的數據。在某些情況下,，為了進一步減少傳輸到主機PC的數據量,，第二級處理（如脈沖分析）也需要在FPGA中執(zhí)行。當然,，也可以選擇在主機PC中執(zhí)行第二級處理,。

圖 3：處理步驟概述

解決方案

Teledyne SP Devices開發(fā)高性能的高速采集卡（數字化儀），將ADC和FPGA集成到一個支持信號捕獲和處理的完整硬件解決方案中,。這些高速數據采集卡可直接與主機PC連接,，并提供強大的固件功能和軟件解決方案。

如圖表2 所示,，這三款高速數據采集卡特別為UHF局部放電 檢測設備提供了很好的解決方案。

圖表 2：適用于UHF局部放電系統(tǒng)的Teledyne SP Devices數字化儀

如上表所示,，ADQ8-4X提供了一個成本優(yōu)化的解決方案,，具有緊湊的尺寸和較多的通道數量。它還支持多個板卡和機箱之間的同步,，精度為200ps,，為大區(qū)域的多個復雜檢測系統(tǒng)的設計提供便利,。除此之外,，還可提供8通道1Gsps采樣率的版本(ADQ8-8C)。

ADQ14提供了比ADQ8更高的分辨率，因此能夠實現更精確的脈沖測量,。它可配置為單通道,、雙通道或四通道，后者更適合于需定位或量化局部放電效應的系統(tǒng),。

最后,，為了達到極致的性能，ADQ7DC提供更少的通道數,，但具有高達10Gsps的采樣速度,，可用于高性能、大帶寬的設備,。

這三款高速數據采集卡都有不同的固件選項,，包含一般的采集和觸發(fā)功能，以及固件開發(fā)工具選項,，用戶可以在板上FPGA上實現自己的定制算法,。在軟件方面，易于使用的Digitizer Studio GUI可方便地配置,、采集,、顯示、分析和儲存數據,。另外,，API和設計例程可幫助優(yōu)化軟件，以滿足更復雜和/或專用系統(tǒng)的需求,。

此外,，ADQ14和ADQ7DC都可提供10GbE的形狀參數。這對變電站之類的嚴苛環(huán)境是一個優(yōu)點,，因為它提供了數字化儀和主機PC之間的完全電氣隔離,。光纖還意味著PC和數字化儀之間的距離可以很長，可用于包含多個分布于大區(qū)域的測量點的大型設備,。

文章來源：Teledyne Imaging

1/5