為UHF局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計最佳前端

作者：Van Yang， Meng Wang， Lance Wu， and Aaron He

本文介紹使用ADI信號鏈的超高頻（UHF）局部放電在線監(jiān)控系統(tǒng)的RF前端設(shè)計。前端靈敏度低，動態(tài)范圍大，符合國家電網(wǎng)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW11059.8-2013《電氣設(shè)備通電試驗裝置技術(shù)規(guī)范第8部分：超高頻局部放電檢測器技術(shù)規(guī)范》的要求。

介紹

根據(jù)IEC 60270標(biāo)準(zhǔn)，局部放電（PD）是一種電氣 在兩個絕緣的局部區(qū)域發(fā)生的放電 導(dǎo)電電極，無需完全彌合間隙。PD被廣泛認(rèn)可 作為電氣絕緣劣化的最佳預(yù)警指標(biāo) 電網(wǎng)中的資產(chǎn)。

當(dāng)PD發(fā)生時，它將產(chǎn)生一個頻率范圍很寬的信號，所以有 是四種專注于不同頻率范圍的PD檢測技術(shù)。 超聲波檢測技術(shù)專注于 20 kHz 的頻率范圍 至 ~200 kHz，高頻電流互感器 （HFCT） 檢測技術(shù) 專注于 3 MHz 至 ~30 MHz 的頻率范圍，瞬態(tài)接地 電壓 （TEV） 檢測技術(shù)專注于 3 MHz 的頻率范圍 至 ~100 MHz，聚焦超高頻 （UHF） 檢測技術(shù) 頻率范圍為 300 MHz 至 ~1500 MHz。 靈敏度，UHF技術(shù)廣泛應(yīng)用于PD在線監(jiān)測系統(tǒng)中 氣體絕緣開關(guān)設(shè)備 （GIS）、變壓器和環(huán)網(wǎng)單元 （RMU）。

局部放電信號分析

根據(jù)Q/GDW11282-2014標(biāo)準(zhǔn)《氣體絕緣金屬封閉開關(guān)柜局部放電UHF耦合器現(xiàn)場檢查規(guī)范》第7.1節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)PD信號發(fā)生器可產(chǎn)生以下PD脈沖信號特性：脈沖上升時間不大于300 ps和脈沖 寬度在 10 ns 到 500 ns 之間。然后，此信息用于構(gòu)建PD Python中的模擬器信號。上升時間為300 ps，下降時間為10 ns。 脈沖信號峰值幅度為100 mV，峰峰值噪聲為10 mV。 采樣速率為10 GSPS，采樣時間為10 μs。脈沖被放入 采樣時間的中間以及上升波形和下降波形 是線性擬合的。

仿真的PD信號時域波形如圖1所示，頻域波形如圖2所示。根據(jù)圖2，PD信號 能量最大的是在小于1 GHz的頻率范圍內(nèi)。對于脈搏 上升時間小于300 ps，更多的能量將位于更高的頻率。

圖1.局部放電信號時域波形。

圖2.PD信號頻域波形。

在現(xiàn)代復(fù)雜的電磁環(huán)境中，有許多無線 工作頻率范圍為 300 MHz 的 UHF PD 之間的干擾信號 至 1500 MHz。為了對抗這種干擾，客戶通常會選擇 300 MHz至1.5 GHz范圍內(nèi)的子頻段，用于捕獲PD脈沖。通常，無線 900 MHz左右GSM的通信信號將是最大的干擾 信號。這個問題的一個解決方案是實現(xiàn)一個帶阻濾波器（BRF） 抑制 800 MHz 至 1000 MHz 的信號。典型的子帶劃分方案 如表1所示。當(dāng)然，子頻段劃分是靈活的，客戶 可以根據(jù)真實的電磁環(huán)境進行調(diào)整。

根據(jù)表1中的子波段劃分，我們只保留相應(yīng)的 PD信號頻譜的頻率分量如圖2所示，然后 我們執(zhí)行逆快速傅里葉變換（IFFT）來研究什么時間 域波形將在相應(yīng)的濾波后進行。時域 波形后濾波如圖3所示。根據(jù)圖3，濾波后， PD脈沖峰值將降低。濾波后，PD脈沖上升時間 將增加，下降時間將減少。在之后的所有波形中 濾波后，全波段具有最大的峰值，其次是值 用于頻段抑制帶和低通頻段。高通帶的峰值最小，但PD脈沖仍然可以捕獲。

圖3.濾波后的PD信號時域波形。

采用 ADI公司信號鏈

可以使用以下方法開發(fā)具有四個通道的UHF PD檢測RF前端板 ADI公司的信號鏈。顯示了一個示例及其框圖 在圖4中，而其電路板前視圖如圖5所示。

圖4.UHF PD檢測射頻前端板框圖。

圖5.UHF PD 檢測射頻前端板的前視圖。

開發(fā)該前端的第一階段涉及ADL5611 RF增益模塊。 ADL5611具有2.1 dB的低噪聲系數(shù)（NF）和21 dBm的高P1dB，其 提供高動態(tài)范圍。ADL5611具有22 dB增益及其增益平坦度 UHF PD 工作頻率為 300 MHz 至 1500 MHz，非常平坦，具有較少 增益紋波大于0.4 dB。所有這些特性使ADL5611非常適合 用于超高頻局部放電檢測應(yīng)用。

第二個開發(fā)階段涉及基于以下條件的電感器和電容器 一個 300 MHz 至 1500 MHz 帶通濾波器 （BPF），提供帶外 干擾抑制。

第三級使用兩個單刀四擲（SP4T）RF HMC7992開關(guān) 實現(xiàn)頻段選擇電路。第一個RF路徑是DC-to800 MHz低通路徑，第二個RF路徑是1 GHz高通路徑，第三個 路徑是 800 MHz 至 1 GHz 頻段抑制路徑，第四條路徑是直接路徑 通過路徑。根據(jù)不同的射頻路徑選擇，客戶可以 選擇不同的射頻頻段以捕獲頻率內(nèi)的PD脈沖 無干擾或最小干擾的頻段。HMC7992具有低插入損耗 0.6 dB，45 dB 的高隔離度和 33 dBm 的高 P0.1dB。

第四級是300 MHz至1500 MHz BPF，與BPF相同。 用于第二階段，它提供了進一步的帶外干擾抑制。

最后階段涉及RF對數(shù)檢波器ADL5513，其轉(zhuǎn)換 將UHF PD信號轉(zhuǎn)換為幾十MHz的低頻信號。這使得 可以使用采樣速率為40 MSPS或65 MSPS的ADC進行轉(zhuǎn)換 將模擬PD信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。對于局部放電檢測應(yīng)用，主要 RF檢波器所需的特性是響應(yīng)時間和動態(tài) 范圍。ADL5513的響應(yīng)時間低至20 ns，響應(yīng)時間高達80 dB 動態(tài)范圍，使其非常適合PD檢測應(yīng)用。這 RF對數(shù)檢波器AD8318也適用于PD檢測應(yīng)用。 與ADL5513相比，它具有更快的響應(yīng)時間，但動態(tài)范圍 略低。

測試結(jié)果

測試了電路板的關(guān)鍵性能，屏幕截圖如圖6所示。 通過圖 8。

圖6顯示了從第一級到最后一級的ADL5513的S參數(shù) 在直通路徑中輸入。它表明，從300 MHz到1500 MHz全頻段， 增益約為14 dB，增益平坦度優(yōu)于2 dB，輸入返回 損耗優(yōu)于 –8 dB。

圖6.從第一級到最后一級的ADL5513輸入的直通路徑中的S參數(shù)。

圖7顯示了測得的輸出電壓與中間輸入功率的關(guān)系 頻率 900 MHz 連續(xù)波信號。兩個通道測量 輸入功率。根據(jù)測試結(jié)果，整個信號鏈具有線性 在 –75 dBm 至 –5 dBm 的輸入功率范圍內(nèi)提供響應(yīng)。通道間性能也是一致的。

圖7.輸出電壓與輸入功率的關(guān)系

在圖8中，輸入連續(xù)脈沖時測得的輸出波形 900 MHz 的波信號。信號功率為 –75 dBm，脈沖寬度為 5 μs， 脈沖周期為10 μs。根據(jù)波形，當(dāng)信號功率為 低至 –75 dBm，輸出信號仍具有相當(dāng)大的信噪比。

圖8.–75 dBm 脈沖連續(xù)波輸入的輸出響應(yīng)。

結(jié)論

本文演示了如何使用 ADI公司的信號鏈。這種完整的參考設(shè)計提供了靈活性 選擇不同的頻段來對抗復(fù)雜的干擾 電磁環(huán)境。它還符合Q/GDW11059.8-2013標(biāo)準(zhǔn) 的中國。

審核編輯：郭婷