引言

整個20世紀,，電能已經(jīng)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(wǎng)絡(luò)極為復(fù)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(shè)施和新的綠色發(fā)電解決方案,、支持和應(yīng)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(yīng)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(wù)中斷一直是人們關(guān)注的焦點，并推動了監(jiān)測,、預(yù)測和預(yù)防設(shè)備問題的研究,。一種被稱為局部放電(PD)的物理現(xiàn)象已經(jīng)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(shù),，著重介紹超高頻(UHF)系統(tǒng)，特別是其數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),，然后介紹構(gòu)建這種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換解決方案,。

局部放電以及為什么應(yīng)該檢測局部放電

局部放電是發(fā)生在電氣設(shè)備（電纜、開關(guān)設(shè)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(dǎo)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(wǎng)的許多部分,，通常是傳輸高壓并被某種絕緣介質(zhì)（固體、液體,、空氣）包圍的地方,。由于局部放電的局部性和重復(fù)性,，隨著時間的推移將導(dǎo)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(wǎng)的中斷盡早發(fā)現(xiàn)故障并進行預(yù)防性更換,，對電力用戶產(chǎn)生最小的影響。

如今,，現(xiàn)代電纜的制造工藝非常成熟,，很少會生產(chǎn)出有缺陷的產(chǎn)品，這些產(chǎn)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(dǎo)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(wǎng)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(xiàn)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(chǎn)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(shù)可檢測局部放電，每種技術(shù)都有自己的優(yōu)點,、挑戰(zhàn)和使用案例,。本文主要關(guān)注的是超高頻(UHF)技術(shù)，這種技術(shù)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(jié)了檢測局部放電的不同技術(shù),。

圖表1：主要局部放電檢測技術(shù)概述

注意以下列出的技術(shù)并不適用于所有類型的設(shè)備。例如,，UHF和光學(xué)技術(shù)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(shù)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(chǎn)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器技術(shù)可實現(xiàn)高靈敏度，而且UHF檢測系統(tǒng)可實現(xiàn)更好的定位精度和默認模式識別,。對于電網(wǎng)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(shù)實現(xiàn),。每種技術(shù)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(shù)確定位置,。大多數(shù)解決方案至少需要4個傳感通道,，以實現(xiàn)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(shù),。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(guān),。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(xiàn)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(guān),。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(guān)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(jīng)過信號調(diào)理環(huán)節(jié)后，模擬信號被轉(zhuǎn)換到數(shù)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(shù),。

圖 2：采集系統(tǒng)的高級框圖

采集系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部件之一是ADC(模數(shù)轉(zhuǎn)換器),，用于將傳感器的輸出轉(zhuǎn)換成主機PC能夠處理的數(shù)字數(shù)據(jù)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(shù),。如-3dB模擬輸入帶寬,，分辨率，采樣速度,，通道數(shù)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(jīng)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(zhuǎn)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(yīng),，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(fù)脈沖,，ADC的-3dB模擬輸入帶寬應(yīng)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(shè)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(shè)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(zhuǎn)換的精度,。例如,，分辨率為10位的ADC對應(yīng)滿量程的1024個可能的值。假設(shè)滿量程電壓為1V,，每個步長對應(yīng)977μV,，對于理想ADC，輸入信號以+/-488μV的垂直誤差進行采樣和轉(zhuǎn)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(yīng)該注意的是，垂直分辨率表征的是理論上的性能,。在實際應(yīng)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(shù)),，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(fù)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(shù),。較高的采樣率對應(yīng)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(jù)香農(nóng)-奈奎斯特定理，恢復(fù)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(shè)備的目標決定需求,。如果需要從脈沖中提取更復(fù)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(shù)：可簡單理解為可用的采集通道的數(shù)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(shù)確定故障發(fā)生的位置,。此外,，更多的通道數(shù)可實現(xiàn)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(guān)鍵部分是與ADC接口的前端處理單元,。在大多數(shù)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(shù)據(jù)發(fā)給主機PC,，主機PC會對數(shù)據(jù)進行額外的后期處理,、存儲和轉(zhuǎn)譯，決定當檢測到局部放電時應(yīng)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(yīng)用,。

此外，F(xiàn)PGA需要能夠處理高速ADC產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù),。例如,，以2Gsps采樣率工作的四通道10位ADC會產(chǎn)生80Gbps或10Gbps的原始數(shù)據(jù)。FPGA能夠與ADC對接,，恢復(fù)所有數(shù)據(jù),，進行第一級實時處理（如數(shù)字濾波、非線性噪聲抑制,、數(shù)字基線穩(wěn)定等）,，然后根據(jù)復(fù)雜的觸發(fā)機制選擇有用的數(shù)據(jù)。在某些情況下,，為了進一步減少傳輸?shù)街鳈CPC的數(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)采集卡特別為UHF局部放電 檢測設(shè)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(shù)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(shù)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(fù)雜檢測系統(tǒng)的設(shè)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?qū)崿F(xiàn)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(yīng)的系統(tǒng),。

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

這三款高速數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)。另外,，API和設(shè)計例程可幫助優(yōu)化軟件,，以滿足更復(fù)雜和/或?qū)Ｓ孟到y(tǒng)的需求。

此外,，ADQ14和ADQ7DC都可提供10GbE的形狀參數(shù),。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(shù)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(shù)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(shè)備。

文章來源：Teledyne Imaging