高速采集方案使利用UHF局部放電檢測技術(shù)

引言

整個(gè)20世紀(jì)，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(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、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(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(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需更換材料的故障的良好指標(biāo)，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(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(hù)計(jì)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(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。

如何檢測并定位局部放電

當(dāng)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(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)。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。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]。

圖表1 主要局部放電檢測技術(shù)概述

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(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)過濾掉。一個(gè)經(jīng)驗(yàn)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(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(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(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(shí)現(xiàn)同時(shí)測量，對(duì)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(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

除了上述的兩個(gè)關(guān)鍵部分，采集系統(tǒng)還包括其他的組件，如調(diào)理模擬信號(hào)的前端、支持更大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的板上存儲(chǔ)器、與主機(jī)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面向局部放電設(shè)備制造商提供兩種類型的解決方案：

■   Teledyne SP Devices開發(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。它們通過加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)、縮短上市時(shí)間并降低項(xiàng)目層面的風(fēng)險(xiǎn)，為局部放電設(shè)備帶來額外的優(yōu)點(diǎn)。

■   Teledyne e2v開發(fā)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器。這些ADC為局部放電設(shè)備帶來很多優(yōu)點(diǎn)，適用于不犧牲性能卻追求低成本、小尺寸的設(shè)備。

下面的兩個(gè)章節(jié)將分享更多這兩種解決方案的細(xì)節(jié)。

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(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，可用于包含多個(gè)分布于大區(qū)域的測量點(diǎn)的大型設(shè)備。

Teledyne e2v – 模數(shù)轉(zhuǎn)換器

位于法國的Teledyne e2v在過去的25年里一直致力于開發(fā)高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器，并一直在高速四通道ADC技術(shù)上保持業(yè)內(nèi)領(lǐng)先。圖表3 列出了2款主要的適用于UHF局部放電檢測設(shè)備的ADC。

圖表3 適用于UHF局部放電系統(tǒng)的Teledyne e2v的ADC

EV10AQ190和EV12AQ60x分別提供高達(dá)1.25Gsps和1.6Gsps的四通道的性能。用于局部放電定位的設(shè)備可通過使用單個(gè)ADC芯片實(shí)現(xiàn)。此外，與兩個(gè)器件上的四通道相比，這種單個(gè)器件實(shí)現(xiàn)的四通道可大大減少通道間的差異，提高捕獲的局部放電之間的相關(guān)性，從而實(shí)現(xiàn)更精確的三邊測量。

EV12AQ60x是EV10AQ190的升級(jí)產(chǎn)品，有以下的額外的優(yōu)點(diǎn)：

■   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(yōu)秀的同步能力，適用于覆蓋整個(gè)變電站的復(fù)雜系統(tǒng)

此外，由于使用了Bipolar和BiCMOS工藝，這些ADC可提供非?？斓纳仙⑾陆岛驮O(shè)置時(shí)間，以實(shí)現(xiàn)更精確的脈沖捕獲。圖4是EV12AQ60x的測試結(jié)果。這里輸入信號(hào)性能的影響已經(jīng)被去除，只考慮ADC本身的性能，因此表中的值表征ADC的實(shí)際性能。EV12AQ60x能支持精確測量上升/下降時(shí)間約250ps的信號(hào)。注意，這種測量沒有經(jīng)過優(yōu)化，特別是測試硬件上存在的交流耦合電容會(huì)導(dǎo)致上升/下降時(shí)間減少。因此，當(dāng)硬件被優(yōu)化為捕捉高速脈沖時(shí)，預(yù)計(jì)會(huì)達(dá)到比下圖更好的性能。

對(duì)于通過使用并行數(shù)據(jù)捕獲路徑和交錯(cuò)衰減設(shè)置來擴(kuò)展動(dòng)態(tài)范圍，擁有4個(gè)通道的芯片會(huì)非常有用。它允許提高測量信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，同時(shí)一個(gè)芯片上的4個(gè)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(dǎo)致反射的阻抗不匹配。這種架構(gòu)也可以擴(kuò)展到多片ADC上，以進(jìn)一步提高動(dòng)態(tài)性能（參考文獻(xiàn)[H]）。

圖4 EV12AQ600, 脈沖測量

結(jié)語

為了應(yīng)對(duì)日益增長的能源消耗，電網(wǎng)不斷地提高發(fā)電、儲(chǔ)電和輸電的能力。檢測這些復(fù)雜的設(shè)備對(duì)于提高電網(wǎng)的可靠性并避免破壞性中斷是至關(guān)重要的。如前所述，UHF局部放電檢測是一種可行的解決方案，并與互補(bǔ)的技術(shù)結(jié)合，使檢測和預(yù)防局部放電相關(guān)的故障成為可能。此外，Teledyne SP Devices和Teledynee2v在硬件或元器件層面提供滿足高速采集系統(tǒng)要求的COTS產(chǎn)品，幫助我們的客戶設(shè)計(jì)中高性能的UHF局部放電設(shè)備。

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