引言

 

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(hù)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(chēng)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(chēng)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(hù)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(lèi)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)橥诰虻某杀靖甙海€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)。注意以下列出的技術(shù)并不適用于所有類(lèi)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。關(guān)于不同技術(shù)的使用案例、優(yōu)點(diǎn)和挑戰(zhàn)的更多細(xì)節(jié)，請(qǐng)參考參考文獻(xiàn)[A]、[B]和[C]。

 

表1：主要局部放電檢測(cè)技術(shù)概述

 

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（參考文獻(xiàn)[D]）。

 

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。在過(guò)去的幾年里發(fā)表了很多關(guān)于這種技術(shù)的研究論文（參考文件[E]、[F]和[G]）。

 

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)：

 

-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（210）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（212 = 4096）。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(lèi)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?/div>

（來(lái)源：Teledyne e2v）