引言

 

整個20世(shi)紀(ji)，電(dian)能(neng)已(yi)經(jing)變(bian)得(de)無(wu)處(chu)不(bu)在(zai)，成(cheng)為(wei)了(le)日(ri)常(chang)生(sheng)活(huo)的(de)必(bi)需(xu)品(pin)。不(bu)難(nan)想(xiang)象(xiang)
，如(ru)今(jin)支(zhi)持(chi)我(wo)們(men)每(mei)天(tian)的(de)電(dian)能(neng)需(xu)求(qiu)的(de)電(dian)力(li)網(wang)絡(luo)極(ji)為(wei)複(fu)雜(za)。人(ren)們(men)需(xu)要(yao)處(chu)理(li)多(duo)種(zhong)問(wen)題(ti)，如(ru)維(wei)護(hu)或(huo)替(ti)換(huan)老(lao)舊(jiu)的(de)係(xi)統(tong)、連接舊設施和新的綠色發電解決方案
、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。在過去的幾十年裏，電力服務中斷一直是人們關注的焦點

，並推動了監測、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於檢測這些問題。本文將簡要介紹局部放電的概念和優點


，以及不同的捕捉技術
，著重介紹超高頻(UHF)係統

，特別是其數據采集係統，然後介紹構建這種係統的數據轉換解決方案。

局部放電以及為什麼應該檢測局部放電

 

局部放電是發生在電氣設備（電纜、開關設備、斷路器等）絕緣層的放電。由於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

 

局部放電可能發生在電網的許多部分
，通常是傳輸高壓並被某種絕緣介質（固體、液體
、空氣）包圍的地方。由於局部放電的局部性和重複性，隨著時間的推移將導致變壓器、電(dian)力(li)線(xian)纜(lan)和(he)附(fu)件(jian)的(de)絕(jue)緣(yuan)損(sun)壞(huai)。局(ju)部(bu)放(fang)電(dian)是(shi)表(biao)征(zheng)將(jiang)來(lai)需(xu)更(geng)換(huan)材(cai)料(liao)的(de)故(gu)障(zhang)的(de)良(liang)好(hao)指(zhi)標(biao)，非(fei)常(chang)值(zhi)得(de)監(jian)測(ce)。人(ren)們(men)可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)局(ju)部(bu)電(dian)網(wang)的(de)中(zhong)斷(duan)盡(jin)早(zao)發(fa)現(xian)故(gu)障(zhang)並(bing)進(jin)行(xing)預(yu)防(fang)性(xing)更(geng)換(huan)，對(dui)電(dian)力(li)用(yong)戶(hu)產(chan)生(sheng)最(zui)小(xiao)的(de)影(ying)響(xiang)。

 

如ru今jin，現xian代dai電dian纜lan的de製zhi造zao工gong藝yi非fei常chang成cheng熟shu，很hen少shao會hui生sheng產chan出chu有you缺que陷xian的de產chan品pin，這zhe些xie產chan品pin通tong常chang在zai到dao達da安an裝zhuang環huan節jie之zhi前qian就jiu被bei檢jian測ce出chu並bing丟diu棄qi。局ju部bu放fang電dian導dao致zhi的de最zui重zhong要yao的de問wen題ti通tong常chang發fa生sheng在zai接jie頭tou和he附fu件jian處chu。

如ru前qian所suo述shu，監jian測ce任ren何he類lei型xing電dian網wang的de局ju部bu放fang電dian，都dou有you助zhu於yu製zhi定ding維wei護hu計ji劃hua。此ci外wai，通tong過guo確que定ding局ju部bu放fang電dian的de位wei置zhi
，有you助zhu於yu快kuai速su發fa現xian和he解jie決jue問wen題ti。這zhe對dui於yu地di下xia部bu分fen特te別bie有you用yong，因yin為wei挖wa掘jue的de成cheng本ben高gao昂ang，還hai會hui產chan生sheng如ru道dao路lu封feng閉bi等deng其qi他ta的de影ying響xiang。

 

如何檢測並定位局部放電

 

當前有多種技術可檢測局部放電，每種技術都有自己的優點、挑戰和使用案例。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係統來正確檢測捕捉的短脈衝。表1簡單總結了檢測局部放電的不同技術。注意以下列出的技術並不適用於所有類型的設備。例如，UHF和光學技術更適用於氣體絕緣(GIS)超高壓(EHV)變壓器。此外，可以使用多種技術提高整個監視係統的性能。關於不同技術的使用案例
、優點和挑戰的更多細節，請參考參考文獻[A]、[B]和[C]。

 

表1：主要局部放電檢測技術概述

 

原則上，UHF局部放電檢測器可監測產生的短放電脈衝（通常持續幾納秒）。由於脈衝時間非常短
，放電信號的頻率範圍可從直流跨越到幾GHz。使用信號的UHF部分有很多優點。這個頻段受幹擾的影響小，且更容易采取減少幹擾的措施。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檢測係統可實現更好的定位精度和默認模式識別。對於電網監視，這意味著能更好地找出故障發生的位置
，並評估它的影響。

 

jubufangdiandingweiketongguoduozhongjishushixian。meizhongjishudouxuyaoduogechuangantongdao，bingtongguobijiaomeigetongdaobuhuodemaichongdebutongcanshuquedingweizhi。daduoshujiejuefanganzhishaoxuyao4個傳感通道，以實現1米或更優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。脈衝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衝到達的相對時間，可推斷出局部放電的位置，一般能實現1米或更優的精度（參考文獻[D]）。

 

另(ling)一(yi)種(zhong)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)是(shi)考(kao)慮(lv)不(bu)同(tong)傳(chuan)感(gan)通(tong)道(dao)捕(bu)獲(huo)的(de)信(xin)號(hao)強(qiang)度(du)。信(xin)號(hao)強(qiang)度(du)與(yu)局(ju)部(bu)放(fang)電(dian)與(yu)傳(chuan)感(gan)通(tong)道(dao)之(zhi)間(jian)的(de)距(ju)離(li)有(you)關(guan)。因(yin)此(ci)，通(tong)過(guo)比(bi)較(jiao)不(bu)同(tong)傳(chuan)感(gan)通(tong)道(dao)捕(bu)獲(huo)的(de)信(xin)號(hao)強(qiang)度(du)，可(ke)準(zhun)確(que)定(ding)位(wei)局(ju)部(bu)放(fang)電(dian)事(shi)件(jian)。在(zai)過(guo)去(qu)的(de)幾(ji)年(nian)裏(li)發(fa)表(biao)了(le)很(hen)多(duo)關(guan)於(yu)這(zhe)種(zhong)技(ji)術(shu)的(de)研(yan)究(jiu)論(lun)文(wen)（參考文件[E]、[F]和[G]）。

 

UHF采集係統是檢測性能的關鍵

 

采(cai)集(ji)係(xi)統(tong)的(de)目(mu)標(biao)是(shi)準(zhun)確(que)捕(bu)獲(huo)包(bao)含(han)局(ju)部(bu)放(fang)電(dian)信(xin)息(xi)的(de)局(ju)部(bu)放(fang)電(dian)傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)模(mo)擬(ni)輸(shu)出(chu)。經(jing)過(guo)信(xin)號(hao)調(tiao)理(li)環(huan)節(jie)後(hou)，模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)被(bei)轉(zhuan)換(huan)到(dao)數(shu)字(zi)域(yu)
，然(ran)後(hou)被(bei)處(chu)理(li)，以(yi)判(pan)斷(duan)是(shi)否(fou)發(fa)生(sheng)局(ju)部(bu)放(fang)電(dian)
，並(bing)獲(huo)取(qu)局(ju)部(bu)放(fang)電(dian)的(de)位(wei)置(zhi)和(he)任(ren)何(he)其(qi)他(ta)感(gan)興(xing)趣(qu)的(de)參(can)數(shu)。

 

圖2：采集係統的高級框圖

 

采集係統中最關鍵的部件之一是ADC(模數轉換器)，用於將傳感器的輸出轉換成主機PC能夠處理的數字數據流。由於局部放電的脈衝特性，其UHF分量可達到1ns以下的瞬態時間。為了準確捕獲脈衝，需要考慮ADC的多個參數：

 

-3dB模擬輸入帶寬：為了準確捕捉脈衝頻率，ADC的帶寬需要足夠高。如果脈衝頻率高於ADC的帶寬，部分脈衝信息會被係統過濾掉。一個經驗法則是，ADC的帶寬需要超過脈衝的最大頻率分量的5到10倍，以獲得足夠的精度。下式可用於將脈衝瞬態時間轉換為頻率：

 

 

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

請注意，不同的係統有不同的要求，因此對更高的ADC帶(dai)寬(kuan)的(de)需(xu)求(qiu)也(ye)不(bu)同(tong)。一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)

，我(wo)們(men)希(xi)望(wang)從(cong)設(she)備(bei)中(zhong)獲(huo)得(de)的(de)信(xin)息(xi)越(yue)多(duo)
，所(suo)需(xu)的(de)脈(mai)衝(chong)捕(bu)獲(huo)的(de)精(jing)度(du)就(jiu)越(yue)高(gao)，對(dui)帶(dai)寬(kuan)的(de)要(yao)求(qiu)也(ye)就(jiu)越(yue)高(gao)。反(fan)之(zhi)，如(ru)果(guo)設(she)備(bei)的(de)目(mu)標(biao)僅(jin)僅(jin)是(shi)識(shi)別(bie)是(shi)否(fou)發(fa)生(sheng)局(ju)部(bu)放(fang)電(dian)，達(da)到(dao)2到3倍脈衝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（210）個可能的值。假設滿量程電壓為1V，每個步長對應977µV，對於理想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（212 = 4096）。雖sui然ran為wei了le捕bu捉zhuo更geng大da的de脈mai衝chong而er提ti高gao滿man量liang程cheng電dian壓ya會hui降jiang低di電dian壓ya分fen辨bian率lv

，但dan應ying該gai注zhu意yi的de是shi
，垂chui直zhi分fen辨bian率lv表biao征zheng的de是shi理li論lun上shang的de性xing能neng。在zai實shi際ji應ying用yong中zhong，不bu同tong類lei型xing的de噪zao聲sheng會hui影ying響xiangADC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。

ENOB的需求。一般來說，ENOB越大，處理的複雜度越高，而從局部放電脈衝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采樣的持續時間，以及更高的脈衝時序精度。理論上
，根據香農-奈奎斯特定理，恢複給定脈衝的最小采樣速度是2 * Bp。在我們前麵的350MHz脈衝寬度的例子中，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。如果需要從脈衝中提取更複雜的信息，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。多通道局部放電係統的一個主要優點是
，當使用4個(ge)通(tong)道(dao)時(shi)
，可(ke)通(tong)過(guo)三(san)邊(bian)測(ce)量(liang)技(ji)術(shu)確(que)定(ding)故(gu)障(zhang)發(fa)生(sheng)的(de)位(wei)置(zhi)。此(ci)外(wai)，更(geng)多(duo)的(de)通(tong)道(dao)數(shu)可(ke)實(shi)現(xian)同(tong)時(shi)測(ce)量(liang)

，對(dui)大(da)型(xing)係(xi)統(tong)來(lai)說(shuo)非(fei)常(chang)有(you)用(yong)，例(li)如(ru)在(zai)變(bian)電(dian)站(zhan)控(kong)製(zhi)大(da)樓(lou)采(cai)集(ji)所(suo)有(you)局(ju)部(bu)放(fang)電(dian)信(xin)息(xi)，和(he)/或傳輸這些信息以進行遠程監控。

 

采集係統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，然後把處理後的數據發給主機PC，主機PC會對數據進行額外的後期處理、存儲和轉譯

，決定當檢測到局部放電時應如何采取行動。FPGA的並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，恢複所有數據
，進行第一級實時處理（如數字濾波、非線性噪聲抑製

、數字基線穩定等），然後根據複雜的觸發機製選擇有用的數據。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（如脈衝分析）也需要在FPGA中執行。當然
，也可以選擇在主機PC中執行第二級處理。

 

圖3：處理步驟概述

 

除了上述的兩個關鍵部分

，采集係統還包括其他的組件，如調理模擬信號的前端
、支持更大數據存儲的板上存儲器、與主機PC匹配的特定接口，和支持這一解決方案的所有的電源模塊，如圖2所示。

 

Teledyne麵向局部放電設備製造商提供兩種類型的解決方案：

●Teledyne SP Devices開發高性能數字采集卡（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。這些數字化儀可直接與主機PC連接，並提供強大的固件功能和軟件解決方案。它們通過加速產品設計

、縮短上市時間並降低項目層麵的風險，為局部放電設備帶來額外的優點。

 

●Teledyne e2v開發高速模數轉換器。這些ADC為局部放電設備帶來很多優點，適用於不犧牲性能卻追求低成本

、小尺寸的設備。

 

下麵的兩個章節將分享更多這兩種解決方案的細節。

 

Teledyne SP Devices – 數字化儀/采集卡：

位於瑞典的Teledyne SP Devices在過去的15年裏一直致力於開發高速數字化儀，專注於高速解決方案及其靈活性，使客戶能根據特定的應用情況優化數字化儀。如表2所示，這三款數字化儀特別為UHF局部放電檢測設備提供了很好的解決方案。

 

表2：適用於UHF局部放電係統的Teledyne SP Devices數字化儀

 

如上表所示，ADQ8-4X提供了一個成本優化的解決方案
，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，為大區域的多個複雜檢測係統的設計提供便利。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衝測量。它可配置為單通道、雙通道或四通道，後者更適合於需定位或量化局部放電效應的係統。

 

最後，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，可用於高性能
、大帶寬的設備。

 

這三款數字化儀都有不同的固件選項
，包含一般的采集和觸發功能，以及固件開發工具選項，用戶可以在板上FPGA上實現自己的定製算法。在軟件方麵，易於使用的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化軟件

，以滿足更複雜和/或專用係統的需求。

 

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境是一個優點
，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，可用於包含多個分布於大區域的測量點的大型設備。

 

Teledyne e2v – 模數轉換器：

 

位於法國的Teledyne e2v在過去的25年裏一直致力於開發高速數據轉換器，並一直在高速四通道ADC技術上保持業內領先。表3列出了2款主要的適用於UHF局部放電檢測設備的ADC。

 

表3：適用於UHF局部放電係統的Teledyne e2v的ADC

 

EV10AQ190和EV12AQ60x分別提供高達1.25Gsps和1.6Gsps的四通道的性能。用於局部放電定位的設備可通過使用單個ADC芯xin片pian實shi現xian。此ci外wai，與yu兩liang個ge器qi件jian上shang的de四si通tong道dao相xiang比bi，這zhe種zhong單dan個ge器qi件jian實shi現xian的de四si通tong道dao可ke大da大da減jian少shao通tong道dao間jian的de差cha異yi
，提ti高gao捕bu獲huo的de局ju部bu放fang電dian之zhi間jian的de相xiang關guan性xing
，從cong而er實shi現xian更geng精jing確que的de三san邊bian測ce量liang。

 

EV12AQ60x是EV10AQ190的升級產品，有以下的額外的優點：

●分辨率從10位提高到12位，從而提高測量精度

●串行接口簡化與FPGA的連接，特別是方便布線

●多器件之間的更優秀的同步能力
，適用於覆蓋整個變電站的複雜係統

 

此外，由於使用了Bipolar和BiCMOS工藝，這些ADC可提供非常快的上升
、下降和設置時間，以實現更精確的脈衝捕獲。圖4是EV12AQ60x的測試結果。這裏輸入信號性能的影響已經被去除，隻考慮ADC本身的性能，因此表中的值表征ADC的實際性能。EV12AQ60x能支持精確測量上升/下降時間約250ps的信號。注意，這種測量沒有經過優化，特別是測試硬件上存在的交流耦合電容會導致上升/下降時間減少。因此
，當硬件被優化為捕捉高速脈衝時，預計會達到比下圖更好的性能。

 

對於通過使用並行數據捕獲路徑和交錯衰減設置來擴展動態範圍，擁有4個通道的芯片會非常有用。它允許提高測量信號的動態範圍，同時一個芯片上的4個通道可減少不必要的影響，如通道之間的不匹配（偏置、增益和相位）和導致反射的阻抗不匹配。這種架構也可以擴展到多片ADC上
，以進一步提高動態性能（參考文獻[H]）。

 

圖4：EV12AQ600，脈衝測量

 

結語

 

為了應對日益增長的能源消耗，電網不斷地提高發電、儲電和輸電的能力。檢測這些複雜的設備對於提高電網的可靠性並避免破壞性中斷是至關重要的。如前所述，UHF局部放電檢測是一種可行的解決方案，並與互補的技術結合，使檢測和預防局部放電相關的故障成為可能。此外，Teledyne SP Devices和Teledyne e2v在硬件或元器件層麵提供滿足高速采集係統要求的COTS產品，幫助我們的客戶設計中高性能的UHF局部放電設備。

注：參考文獻[H]：RFEL stretches the Dynamic Range of ADCs to provide ''''''''Best in Class'''''''' Product Performance, Press release published in Design & Reuse in October 2012