為UHF局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)最好的前端

Van Yang, Meng Wang, Lance Wu, 和 Aaron He

本文介紹如何使用ADI信號(hào)鏈進(jìn)行超高頻(UHF)局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的RF前端設(shè)計(jì)。該前端靈敏度低，動(dòng)態(tài)范圍高，可以滿足中國(guó)國(guó)家電網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW11059.8-2013"電氣設(shè)備通電試驗(yàn)裝置技術(shù)規(guī)范第8部分：超高頻局部放電檢測(cè)器的技術(shù)規(guī)范"的要求，并且提供不錯(cuò)的裕量。

簡(jiǎn)介

根據(jù)IEC 60270標(biāo)準(zhǔn)，局部放電(PD)是兩個(gè)存在間隙的導(dǎo)電電極之間的部分絕緣區(qū)域發(fā)生的放電。局部放電被廣泛認(rèn)為是電網(wǎng)內(nèi)的電氣資產(chǎn)絕緣老化的最佳預(yù)警指示。

發(fā)生局部放電時(shí)，會(huì)產(chǎn)生具有較寬頻率范圍的信號(hào)，因此有4種針對(duì)不同頻率范圍的局部放電檢測(cè)技術(shù)。超聲波檢測(cè)技術(shù)針對(duì)20 kHz至~200 kHz頻率范圍，高頻電流互感器(HFCT)檢測(cè)技術(shù)針對(duì)3 MHz至~30 MHz頻率范圍，瞬態(tài)接地電壓(TEV)檢測(cè)技術(shù)針對(duì)3 MHz至~100 MHz頻率范圍，超高頻率(UHF)檢測(cè)技術(shù)針對(duì)300 MHz至~1500 MHz頻率范圍。UHF檢測(cè)技術(shù)具有高檢測(cè)靈敏度，廣泛用于氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備(GIS)、變壓器和環(huán)網(wǎng)柜(RMU)的局部放電在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。

局部放電信號(hào)分析

根據(jù)Q/GDW11282-2014標(biāo)準(zhǔn)"氣體絕緣金屬封閉開(kāi)關(guān)設(shè)備的局部放電UHF耦合器現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)規(guī)范"第7.1節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)PD信號(hào)發(fā)生器可以產(chǎn)生以下PD脈沖信號(hào)特性：脈沖上升時(shí)間不超過(guò)300 ps，脈沖寬度在10 ns和500 ns之間。然后，利用該信息在Python中構(gòu)建PD仿真器信號(hào)。上升時(shí)間為300 ps，下降時(shí)間為10 ns。脈沖信號(hào)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(shí)間為10 μs。將脈沖置于采樣時(shí)間中間，上升波形和下降波形均進(jìn)行線性擬合。

仿真的PD信號(hào)時(shí)域波形如圖1所示，頻域波形如圖2所示。根據(jù)圖2，能量最高的PD信號(hào)在1 GHz以下的頻率范圍內(nèi)。脈沖上升時(shí)間低于300 ps時(shí)，更多能量分布在更高的頻率范圍內(nèi)。

圖1. PD信號(hào)時(shí)域波形。

圖2. PD信號(hào)頻域波形。

在現(xiàn)代復(fù)雜的電磁環(huán)境中，UHF PD之間有很多工作頻率在300 MHz至1500 MHz之間的無(wú)線干擾信號(hào)。為了消除這種干擾，客戶一般會(huì)選擇300 MHz至1.5 GHz之間的子頻段來(lái)捕捉PD脈沖。正常情況下，約900 MHz左右的GSM的無(wú)線通信信號(hào)將會(huì)是最大的干擾信號(hào)。解決此問(wèn)題的一種方法是采用帶阻濾波器(BRF)來(lái)抑制800 MHz至1000 MHz的信號(hào)。典型的子頻段劃分方案如表1所示。當(dāng)然，子頻段劃分是靈活的，客戶可以根據(jù)實(shí)際的電磁環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。

根據(jù)表1中的子頻段劃分，我們只保留圖2所示的PD信號(hào)頻譜的對(duì)應(yīng)能量譜分量，然后執(zhí)行快速傅里葉逆變換(IFFT)來(lái)研究在對(duì)應(yīng)的濾波之后，時(shí)域波形會(huì)是什么樣子。濾波后的時(shí)域波形如圖3所示。根據(jù)圖3，在濾波之后，PD脈沖峰值會(huì)下降。濾波之后，PD脈沖上升時(shí)間會(huì)增加，下降時(shí)間會(huì)減少。濾波之后，在所有波形中，全頻段具有最大峰值，之后是帶阻頻段和低通頻段。高通頻段的峰值最小，但仍可捕捉到PD脈沖。

圖3. 濾波之后的PD信號(hào)時(shí)域波形。

使用ADI信號(hào)鏈的UHF PD檢測(cè)RF前端

可以使用ADI信號(hào)鏈開(kāi)發(fā)帶4個(gè)通道的UHF PD檢測(cè)RF前端板。其中一個(gè)通道的框圖如圖4所示,整個(gè)電路板的前視圖如圖5所示。

圖4. UHF PD檢測(cè)RF前端板框圖。

圖5. UHF PD檢測(cè)RF前端板的前視圖。

這個(gè)前端的第一級(jí)是射頻增益模塊 ADL5611。ADL5611具有2.1 dB低噪聲系數(shù)(NF)和21 dBm高P1dB，可提供高動(dòng)態(tài)范圍。ADL5611具有22 dB增益，在300 MHz至1500 Mhz UHF PD工作頻率內(nèi)其增益極為平坦，具有低于0.4 dB的增益紋波。所有這些特性使得ADL5611非常適合UHF PD檢測(cè)應(yīng)用。

第二級(jí)是基于電感電容的300 MHz至1500 MHz的帶通濾波器(BPF)，該濾波器提供帶外干擾抑制。

第三級(jí)使用兩個(gè)單刀四擲(SP4T)射頻開(kāi)關(guān) HMC7992來(lái)實(shí)現(xiàn)頻段選擇電路。第1條RF路徑是直流至800 MHz低通路徑，第2條RF路徑是1 GHz高通路徑，第3條路徑是800 MHz至1 GHz的帶阻路徑，第4條路徑為直通路徑。根據(jù)不同的RF路徑選擇，客戶可以選擇不同的RF頻段，在沒(méi)有干擾或干擾最小的頻段內(nèi)捕捉PD脈沖。HMC7992具有0.6 dB低插入損耗、45 dB高隔離度和33 dBm的高P0.1dB。

第4級(jí)是一個(gè)300 MHz至1500 MHz BPF，這與第2階段使用的BPF相同，可以進(jìn)一步提供帶外干擾抑制。

最后一級(jí)是RF對(duì)數(shù)檢波器 ADL5513，它將UHF PD信號(hào)轉(zhuǎn)化為幾十MHz的低頻信號(hào)。所以，可以使用采樣速率為40 MSPS或65 MSPS的ADC將模擬PD信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。對(duì)于PD檢測(cè)應(yīng)用，所需的RF檢波器主要特性為響應(yīng)時(shí)間和動(dòng)態(tài)范圍。ADL5513具有低至20 ns的響應(yīng)時(shí)間和高至80 dB的動(dòng)態(tài)范圍，所以非常適合用于PD檢測(cè)應(yīng)用。RF對(duì)數(shù)檢波器 AD8318也適用于PD檢測(cè)應(yīng)用。與ADL5513相比，它的響應(yīng)時(shí)間更快，但動(dòng)態(tài)范圍稍小。

測(cè)試結(jié)果

對(duì)該板的關(guān)鍵性能進(jìn)行了測(cè)試，圖6至圖8為屏幕截圖。

圖6顯示的是從第一級(jí)輸入到最后一級(jí)ADL5513的輸入端口，設(shè)置在直通路徑上的S參數(shù)。圖中顯示，從300 MHz至1500 Mhz全頻段，增益約為14 dB，增益平坦度優(yōu)于2 dB，輸入回波損耗優(yōu)于–8 dB。

圖6. 從第一級(jí)輸入到最后一級(jí)ADL5513輸入在直通路徑下的S參數(shù)。

圖7顯示的是在PD工作的中心頻點(diǎn)900MHz，輸出電壓與輸入連續(xù)波信號(hào)的功率的響應(yīng)曲線。使用輸入功率測(cè)量了兩個(gè)通道。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在–75 dBm至–5 dBm輸入功率范圍內(nèi)，整個(gè)信號(hào)鏈具有線性響應(yīng)。通道間的性能一致性也非常好。

圖7. 輸出電壓與輸入功率的關(guān)系。

圖8為輸入900 MHz連續(xù)波信號(hào)脈沖時(shí)測(cè)得的輸出波形。信號(hào)功率為–75 dBm，脈沖寬度為5 μs，脈沖周期為10 μs。根據(jù)該波形，當(dāng)信號(hào)功率低至–75 dBm時(shí)，輸出信號(hào)的信噪比仍然相當(dāng)可觀。

圖8. –75 dBm脈沖連續(xù)波輸入的輸出響應(yīng)。

結(jié)論

本文展示了如何使用ADI信號(hào)鏈來(lái)構(gòu)建UHF PD檢測(cè)板。這個(gè)完整的參考設(shè)計(jì)允許用戶靈活選擇不同頻段，以消除復(fù)雜電磁環(huán)境中的干擾。它還符合中國(guó)Q/GDW11059.8-2013標(biāo)準(zhǔn)的要求。

審核編輯：郭婷