如何通過(guò)UHF局部放電檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效電網(wǎng)監(jiān)控

整個(gè)20世紀(jì)，電能已經(jīng)變得無(wú)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(wèn)題，如維護(hù)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(duì)能源需求的波動(dòng)、長(zhǎng)距離傳輸能源、擁擠地區(qū)的輸配電和對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)以及保證客戶的整體滿意度。在過(guò)去的幾十年里，電力服務(wù)中斷一直是人們關(guān)注的焦點(diǎn)，并推動(dòng)了監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和預(yù)防設(shè)備問(wèn)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(cè)這些問(wèn)題。本文將簡(jiǎn)要介紹局部放電的概念和優(yōu)點(diǎn)，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(cè)局部放電

局部放電是發(fā)生在電氣設(shè)備（電纜、開(kāi)關(guān)設(shè)備、斷路器等）絕緣層的放電。由于這種放電沒(méi)有完全連接兩個(gè)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(shí)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(lái)需更換材料的故障的良好指標(biāo)，非常值得監(jiān)測(cè)。人們可以通過(guò)局部電網(wǎng)的中斷盡早發(fā)現(xiàn)故障并進(jìn)行預(yù)防性更換，對(duì)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(huì)生產(chǎn)出有缺陷的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品通常在到達(dá)安裝環(huán)節(jié)之前就被檢測(cè)出并丟棄。局部放電導(dǎo)致的最重要的問(wèn)題通常發(fā)生在接頭和附件處。

如前所述，監(jiān)測(cè)任何類型電網(wǎng)的局部放電，都有助于制定維護(hù)計(jì)劃。此外，通過(guò)確定局部放電的位置，有助于快速發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題。這對(duì)于地下部分特別有用，因?yàn)橥诰虻某杀靖甙?，還會(huì)產(chǎn)生如道路封閉等其他的影響。

如何檢測(cè)并定位局部放電

當(dāng)前有多種技術(shù)可檢測(cè)局部放電，每種技術(shù)都有自己的優(yōu)點(diǎn)、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(gè)高速檢測(cè)系統(tǒng)來(lái)正確檢測(cè)捕捉的短脈沖。表1簡(jiǎn)單總結(jié)了檢測(cè)局部放電的不同技術(shù)。

圖表1：主要局部放電檢測(cè)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(gè)監(jiān)視系統(tǒng)的性能。

原則上，UHF局部放電檢測(cè)器可監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的短放電脈沖（通常持續(xù)幾納秒）。由于脈沖時(shí)間非常短，放電信號(hào)的頻率范圍可從直流跨越到幾GHz。使用信號(hào)的UHF部分有很多優(yōu)點(diǎn)。這個(gè)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(shí)現(xiàn)高靈敏度，而且UHF檢測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)更好的定位精度和默認(rèn)模式識(shí)別。對(duì)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(píng)估它的影響。

局部放電定位可通過(guò)多種技術(shù)實(shí)現(xiàn)。每種技術(shù)都需要多個(gè)傳感通道，并通過(guò)比較每個(gè)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(gè)傳感通道，以實(shí)現(xiàn)1米或更優(yōu)的局部放電定位精度。

當(dāng)前最引入注目的解決方案是三邊測(cè)量技術(shù)。脈沖從局部放電到傳感通道位置的傳播時(shí)間（飛行時(shí)間）與兩者之間的距離有關(guān)。通過(guò)比較不同傳感通道之間脈沖到達(dá)的相對(duì)時(shí)間，可推斷出局部放電的位置，一般能實(shí)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(hào)強(qiáng)度。信號(hào)強(qiáng)度與局部放電與傳感通道之間的距離有關(guān)。因此，通過(guò)比較不同傳感通道捕獲的信號(hào)強(qiáng)度，可準(zhǔn)確定位局部放電事件。

UHF 采集系統(tǒng)是檢測(cè)性能的關(guān)鍵

采集系統(tǒng)的目標(biāo)是準(zhǔn)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(guò)信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)后，模擬信號(hào)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(jí)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(jī)PC能夠處理的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)流。由于局部放電的脈沖特性，其UHF分量可達(dá)到1ns以下的瞬態(tài)時(shí)間。為了準(zhǔn)確捕獲脈沖，需要考慮ADC的多個(gè)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(zhǔn)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(huì)被系統(tǒng)過(guò)濾掉。一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則是，ADC的帶寬需要超過(guò)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(shí)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(shí)間。這個(gè)公式基于RC低通濾波器響應(yīng)，是一種簡(jiǎn)單估算捕獲脈沖所需的帶寬的方法。例如，10-90%的上升時(shí)間是1ns，脈沖的帶寬是350MHz，要準(zhǔn)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(qǐng)注意，不同的系統(tǒng)有不同的要求，因此對(duì)更高的ADC帶寬的需求也不同。一般來(lái)說(shuō)，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(duì)帶寬的要求也就越高。反之，如果設(shè)備的目標(biāo)僅僅是識(shí)別是否發(fā)生局部放電，達(dá)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(duì)應(yīng)滿量程的1024個(gè)可能的值。假設(shè)滿量程電壓為1V，每個(gè)步長(zhǎng)對(duì)應(yīng)977μV，對(duì)于理想ADC，輸入信號(hào)以+/-488μV的垂直誤差進(jìn)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(huì)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(shí)際應(yīng)用中，不同類型的噪聲會(huì)影響ADC的性能。因此，在評(píng)估垂直分辨率時(shí)，最好同時(shí)考慮ENOB（有效位數(shù)），因?yàn)樗嗽肼暤挠绊憽?/p>

類似地，系統(tǒng)的要求決定了ENOB的需求。一般來(lái)說(shuō)，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(xì)。

采樣速度：也可以理解為水平（時(shí)間）分辨率。它表示ADC每秒采樣的次數(shù)。較高的采樣率對(duì)應(yīng)較短的連續(xù)采樣的持續(xù)時(shí)間，以及更高的脈沖時(shí)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(biāo)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(jiǎn)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(gè)主要優(yōu)點(diǎn)是，當(dāng)使用4個(gè)通道時(shí)，可通過(guò)三邊測(cè)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(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量，對(duì)大型系統(tǒng)來(lái)說(shuō)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(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

采集系統(tǒng)的另一個(gè)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(huì)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(jī)PC，主機(jī)PC會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行額外的后期處理、存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)譯，決定當(dāng)檢測(cè)到局部放電時(shí)應(yīng)如何采取行動(dòng)。FPGA的并行處理能力和高級(jí)接口選項(xiàng)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(huì)產(chǎn)生80Gbps或10Gbps的原始數(shù)據(jù)。FPGA能夠與ADC對(duì)接，恢復(fù)所有數(shù)據(jù)，進(jìn)行第一級(jí)實(shí)時(shí)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(jī)制選擇有用的數(shù)據(jù)。在某些情況下，為了進(jìn)一步減少傳輸?shù)街鳈C(jī)PC的數(shù)據(jù)量，第二級(jí)處理（如脈沖分析）也需要在FPGA中執(zhí)行。當(dāng)然，也可以選擇在主機(jī)PC中執(zhí)行第二級(jí)處理。

圖 3：處理步驟概述

解決方案

Teledyne SP Devices開(kāi)發(fā)高性能數(shù)字采集卡（數(shù)字化儀），將ADC和FPGA集成到一個(gè)支持信號(hào)捕獲和處理的完整硬件解決方案中。這些數(shù)字化儀可直接與主機(jī)PC連接，并提供強(qiáng)大的固件功能和軟件解決方案。

如圖表2 所示，這三款數(shù)字化儀特別為UHF局部放電檢測(cè)設(shè)備提供了很好的解決方案。

如上表所示，ADQ8-4X提供了一個(gè)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(gè)板卡和機(jī)箱之間的同步，精度為200ps，為大區(qū)域的多個(gè)復(fù)雜檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(cè)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(dá)到極致的性能，ADQ7DC提供更少的通道數(shù)，但具有高達(dá)10Gsps的采樣速度，可用于高性能、大帶寬的設(shè)備。

這三款數(shù)字化儀都有不同的固件選項(xiàng)，包含一般的采集和觸發(fā)功能，以及固件開(kāi)發(fā)工具選項(xiàng)，用戶可以在板上FPGA上實(shí)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(chǔ)存數(shù)據(jù)。另外，API和設(shè)計(jì)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(duì)變電站之類的嚴(yán)苛環(huán)境是一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樗峁┝藬?shù)字化儀和主機(jī)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(zhǎng)，可用于包含多個(gè)分布于大區(qū)域的測(cè)量點(diǎn)的大型設(shè)備。

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