【導讀】發生局部放電時，會產生具有較寬頻率范圍的信號，因此有4種針對不同頻率范圍的局部放電檢測技術。超聲波檢測技術針對20 kHz至~200 kHz頻率范圍，高頻電流互感器(HFCT)檢測技術針對3 MHz至~30 MHz頻率范圍，瞬態接地電壓(TEV)檢測技術針對3 MHz至~100 MHz頻率范圍，超高頻率(UHF)檢測技術針對300 MHz至~1500 MHz頻率范圍。
根據IEC 60270標準，局部放電(PD)是兩個存在間隙的導電電極之間的部分絕緣區域發生的放電。局部放電被廣泛認為是電網內的電氣資產絕緣老化的最佳預警指示。
發生局部放電時，會產生具有較寬頻率范圍的信號，因此有4種針對不同頻率范圍的局部放電檢測技術。超聲波檢測技術針對20 kHz至~200 kHz頻率范圍，高頻電流互感器(HFCT)檢測技術針對3 MHz至~30 MHz頻率范圍，瞬態接地電壓(TEV)檢測技術針對3 MHz至~100 MHz頻率范圍，超高頻率(UHF)檢測技術針對300 MHz至~1500 MHz頻率范圍。UHF檢測技術具有高檢測靈敏度，廣泛用于氣體絕緣開關設備(GIS)、變壓器和環網柜(RMU)的局部放電在線監測系統中。
局部放電信號分析
根據Q/GDW11282-2014標準"氣體絕緣金屬封閉開關設備的局部放電UHF耦合器現場檢測規范"第7.1節，標準PD信號發生器可以產生以下PD脈沖信號特性：脈沖上升時間不超過300 ps，脈沖寬度在10 ns和500 ns之間。然后，利用該信息在Python中構建PD仿真器信號。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。將脈沖置于采樣時間中間，上升波形和下降波形均進行線性擬合。
仿真的PD信號時域波形如圖1所示，頻域波形如圖2所示。根據圖2，能量最高的PD信號在1 GHz以下的頻率范圍內。脈沖上升時間低于300 ps時，更多能量分布在更高的頻率范圍內。
圖1. PD信號時域波形。
圖2. PD信號頻域波形。
在現代復雜的電磁環境中，UHF PD之間有很多工作頻率在300 MHz至1500 MHz之間的無線干擾信號。為了消除這種干擾，客戶一般會選擇300 MHz至1.5 GHz之間的子頻段來捕捉PD脈沖。正常情況下，約900 MHz左右的GSM的無線通信信號將會是最大的干擾信號。解決此問題的一種方法是采用帶阻濾波器(BRF)來抑制800 MHz至1000 MHz的信號。典型的子頻段劃分方案如表1所示。當然，子頻段劃分是靈活的，客戶可以根據實際的電磁環境進行調整。
表1. 典型的UHF PD子頻段劃分方案
根據表1中的子頻段劃分，我們只保留圖2所示的PD信號頻譜的對應能量譜分量，然后執行快速傅里葉逆變換(IFFT)來研究在對應的濾波之后，時域波形會是什么樣子。濾波后的時域波形如圖3所示。根據圖3，在濾波之后，PD脈沖峰值會下降。濾波之后，PD脈沖上升時間會增加，下降時間會減少。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信號時域波形。
使用ADI信號鏈的UHF PD檢測RF前端
可以使用ADI信號鏈開發帶4個通道的UHF PD檢測RF前端板。其中一個通道的框圖如圖4所示,整個電路板的前視圖如圖5所示。
圖4. UHF PD檢測RF前端板框圖。
圖5. UHF PD檢測RF前端板的前視圖。
這個前端的第一級是射頻增益模塊 ADL5611 。ADL5611具有2.1 dB低噪聲系數(NF)和21 dBm高P1dB，可提供高動態范圍。ADL5611具有22 dB增益，在300 MHz至1500 Mhz UHF PD工作頻率內其增益極為平坦，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檢測應用。
第二級是基于電感電容的300 MHz至1500 MHz的帶通濾波器(BPF)，該濾波器提供帶外干擾抑制。
第三級使用兩個單刀四擲(SP4T)射頻開關 HMC7992 來實現頻段選擇 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。根據不同的RF路徑選擇，客戶可以選擇不同的RF頻段，在沒有干擾或干擾最小的頻段內捕捉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級是一個300 MHz至1500 MHz BPF，這與第2階段使用的BPF相同，可以進一步提供帶外干擾抑制。
最后一級是RF對數檢波器 ADL5513，它將UHF PD信號轉化為幾十MHz的低頻信號。所以，可以使用采樣速率為40 MSPS或65 MSPS的ADC將模擬PD信號轉化為數字信號。對于PD檢測應用，所需的RF檢波器主要特性為響應時間和動態范圍。ADL5513具有低至20 ns的響應時間和高至80 dB的動態范圍，所以非常適合用于PD檢測應用。RF對數檢波器 AD8318 也適用于PD檢測應用。與ADL5513相比，它的響應時間更快，但動態范圍稍小。
測試結果
對該板的關鍵性能進行了測試，圖6至圖8為屏幕截圖。
圖6顯示的是從第一級輸入到最后一級ADL5513的輸入端口，設置在直通路徑上的S參數。圖中顯示，從300 MHz至1500 Mhz全頻段，增益約為14 dB，增益平坦度優于2 dB，輸入回波損耗優于–8 dB。
圖6. 從第一級輸入到最后一級ADL5513輸入在直通路徑下的S參數。
圖7顯示的是在PD工作的中心頻點900MHz，輸出電壓與輸入連續波信號的功率的響應曲線。使用輸入功率測量了兩個通道。根據測試結果，在–75 dBm至–5 dBm輸入功率范圍內，整個信號鏈具有線性響應。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系。
圖8為輸入900 MHz連續波信號脈沖時測得的輸出波形。信號功率為–75 dBm，脈沖寬度為5 μs，脈沖周期為10 μs。根據該波形，當信號功率低至–75 dBm時，輸出信號的信噪比仍然相當可觀。
圖8. –75 dBm脈沖連續波輸入的輸出響應。
結論
本文展示了如何使用ADI信號鏈來構建UHF PD檢測板。這個完整的參考設計允許用戶靈活選擇不同頻段，以消除復雜電磁環境中的干擾。它還符合中國Q/GDW11059.8-2013標準的要求。
（來源：亞德諾半導體）
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