ADI 局部放电检测技术解决方案

作者：David Zhang 公司：骏龙科技

随着我国高压电的快速发展，电气设备的安全问题也越来越受国家的重视。电气设备如特高压变压器、GIS、开关柜、高压电缆以及高压断路器等，其局部放电的检测技术就显得尤为重要，关系到这些电气设备的运行安全。ADI 在局放检测领域拥有领先的解决方案，满足各类高压电气设备局部放电的检测，确保安全隐患的及时排查，为我国高压电力传输保驾护航。

什么是局部放电现象

绝缘体中只有局部区域发生的放电，而没有贯穿施加电压的导体之间，放电可以发生在导体附近，也可以发生在其他区域，我们称之为局部放电现象。这种现象一般是指高压电气设备的局部放电，这是造成高压电气设备发生绝缘击穿的主要原因，也是衡量绝缘恶化的重要指征。

局部放电的特点和危害

当电气设备绝缘介质内部发生局部放电时，往往会伴随许多现象。有些是属于电的现象，比如电脉冲的产生；还有一些是非电现象，比如声音、振动、光以及相关的化学变化引起的局部发热等。

上文提及的局部放电现象是衡量绝缘恶化的指征，随着放电的发生所产生的不良化合物会慢慢损坏绝缘体，最后导致绝缘被击穿，发生电气设备突发性故障。

局部放电类型

内部放电

造成内部局部放电的常见原因是固体绝缘体内部存在气隙，或液体绝缘内部存在气泡。绝缘内部气隙发生放电的机理随气压和电极系统的变化而异。根据放电过程，可分为电子碰撞电离放电和流注放电两类；从放电形式上，可分为脉冲型 (火花型) 放电和非脉冲型 (辉光型) 放电两种基本形式。

一般情况下，局部放电都属于脉冲型放电，可以在外加工频电压的一定相位上观察到单个分离的放电脉冲。在理论上，内部放电的放电图形在工频正、负半波是对称的。但由于气隙或气泡周围绝缘材料的绝缘电阻，并非是理想情况下的无穷大，同时在放电中可能发生沿气隙或气泡壁表面放电等原因，所以实际的正、负工频周期放电图形是不完全对称的，而且与电极系统的形式有很大的关系：电极系统结构越对称，正、负工频周期放电图形就更对称。

表面放电

在电气设备的高电压端，由于电场集中，沿面放电场强又比较低，往往会产生表面局部放电。绝缘体表面放电的过程及机理，它与绝缘体内部气隙或气泡放电的过程及机理相似，不同的是放电空间一端是绝缘介质，另一端是电极。如果电极系统是不对称的，发生在工频正、负半波的放电图形也是不对称的。当放电的一端是高压电极，不放电的电极接地时，正半周放电量大而次数少，负半周放电次数多而放电量小。如果电极系统相反，则放电图形也相反。

电晕放电

电晕放电通常发生在高压导体周围完全是气体的情况下。由于气体中的分子自由移动，放电产生的带电质点不会固定在空间某一位置上。对于针-板电极系统，针尖附近场强最高而发生放电，由于负极性时容易发射电子，同时正离子撞击阴极发生二次电子发射，使得放电在负极性时最先出现。当外加电压较低时，电晕放电脉冲出现在外加电压负半周 90° 相位附近，并几乎对称于 90°；当电压升高时，正半周会出现少量幅值大的放电脉冲。

局部放电的监测方法

发生局部放电时往往会伴随多种物理现象，而局放的监测方法正是从这些电、声、光、热、振动、化学变化现象中提取出相关的信号，并进行信号的处理和分析，从而判断绝缘体劣化的程度。ADI 的局放监测解决方案主要关注以下表（表1）频段范围：

表1 局放信号类型和频段范围

在针对不同频段信号检测时，不同局放检测产品会根据待检测的电气设备的类型及特点，进行主要特性的信号频段检测。并非一个局放检测产品同时具备检测所有相关频段的信号，比如在特高压变压器局放检测中往往会检测振动、工频、超声波、TEV 等频段信号，而 GIS 局放检测中通常只会检测 UHF 频段的信号。不同频段信号代表不同的局放放电机理和类型。

ADI 局放检测解决方案推荐

振动信号检测方案

在电气设备因局部放电产生的振动信号检测中，ADI 独有的 MEMS ADXL1002 单轴加速计及ADXL1002 IEPE 模块，搭配 ADI 精密信号链方案，可以提供优异的解决方案，如下图（图1）所示的单通道振动检测和图2所示的多通道振动检测：

图1 单通道振动检测方案

单通道振动检测方案特点

高精度，超低功耗，整体尺寸小，噪声低，成本低

图2 多通道振动检测方案

多通道振动检测方案特点

高精度，高集成度，设计简单，成本低

超声信号检测方案

电气设备因局放产生的超声信号中，频率范围通常在20KHz - 300KHz之间，同时也会进行多测量点检测，一般也需要检测多路信号，ADI 关于超声信号的多通道解决方案如下图（图3）所示：

图3 多通道超声检测方案

多通道超声检测方案特点

高集成度，设计简单，高动态范围

HFCT 高频电流检测方案

局部放电产生的高脉冲信号，该信号频段一般在300KHz - 30MHz之间，通常的做法是选用高速ADC做信号直采， HFCT 直采方案如下图（图4）所示：

图4 HFCT 信号直接采集方案

HFCT 信号直接采集方案特点

高信噪比，设计简单，成本低

TEV 暂态地电压检测方案

TEV 暂态地电压检测范围为20MHz - 100MHz，目前通常的做法也是采用信号直采的方式，ADC 采样率一般要求达到200M SPS以上，ADI 推荐的 TEV 暂态低电压检测方案如下图（图5）所示：

图5 TEV 信号直接采集方案

TEV 信号直接采集方案特点

高灵敏度，设计简单，成本低

UHF 特高频信号采集方案

超高频率（UHF）检测技术针对300MHz - 1500MHz频率范围。UHF 检测技术具有高检测灵敏度，广泛用于气体绝缘开关设备（GIS）、变压器和环网柜（RMU）的局部放电在线监测系统中。ADI 推荐的UHF 局放检测前端方案如下图（图6）所示，它包括了五级信号调理单元：

图6 UHF 局放检测前端方案

第一级信号调理单元

第一级为射频增益模块 ADL5611。ADL5611 具有2.1 dB低噪声系数（NF）和21 dBm高 P1 dB，可提供高动态范围；它还具有22 dB增益，在300 MHz - 1500 Mhz UHF PD工作频率内其增益极为平坦，含有低于0.4 dB的增益纹波。这些特性使得 ADL5611 非常适合 UHF PD 检测应用。

第二级信号调理单元

第二级是基于电感电容的300 MHz - 1500 MHz的带通滤波器 (BPF)，该滤波器提供带外干扰抑制。

第三级信号调理单元

第三级使用两个单刀四掷（SP4T）射频开关 HMC7992 来实现频段选择电路：

第1条RF路径是直流至800 MHz低通路径

第2条RF路径是1 GHz高通路径

第3条路径是800 MHz - 1 GHz的带阻路径

第4条路径为直通路径

根据不同的RF路径选择，适配不同的RF频段，在没有干扰或干扰最小的频段内捕捉PD脉冲。HMC7992 具有0.6 dB低插入损耗、45 dB高隔离度和33 dBm的高P0.1 dB。

第四级信号调理单元

第四级是一个300 MHz - 1500 MHz BPF，这与第2阶段使用的 BPF 相同，可以进一步提供带外干扰抑制。

第五级信号调理单元

最后一级是RF对数检波器 ADL5513，它将UHF PD信号转化为几十MHz的低频信号，所以可以使用采样速率是 40 MSPS 或 65 MSPS 的 ADC 将模拟PD信号转化为数字信号。对于PD检测应用，所需的RF检波器主要特性为响应时间和动态范围。ADL5513 具有低至20 ns的响应时间和高至80 dB的动态范围，适合用于PD检测应用。RF对数检波器 AD8318 也适用于PD检测应用。与 ADL5513 相比，AD8318 的响应时间更快，但动态范围稍小。