為UHF局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計最好的前端

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

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

簡介

根據(jù)IEC 60270標(biāo)準(zhǔn)，局部放電(PD)是兩個存在間隙的導(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，會產(chǎn)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(shù)。超聲波檢測技術(shù)針對20 kHz至~200 kHz頻率范圍，高頻電流互感器(HFCT)檢測技術(shù)針對3 MHz至~30 MHz頻率范圍，瞬態(tài)接地電壓(TEV)檢測技術(shù)針對3 MHz至~100 MHz頻率范圍，超高頻率(UHF)檢測技術(shù)針對300 MHz至~1500 MHz頻率范圍。UHF檢測技術(shù)具有高檢測靈敏度，廣泛用于氣體絕緣開關(guān)設(shè)備(GIS)、變壓器和環(huán)網(wǎng)柜(RMU)的局部放電在線監(jiān)測系統(tǒng)中。

局部放電信號分析

根據(jù)Q/GDW11282-2014標(biāo)準(zhǔn)"氣體絕緣金屬封閉開關(guān)設(shè)備的局部放電UHF耦合器現(xiàn)場檢測規(guī)范"第7.1節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)PD信號發(fā)生器可以產(chǎn)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(gòu)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(jìn)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(jù)圖2，能量最高的PD信號在1 GHz以下的頻率范圍內(nèi)。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(nèi)。

圖1. PD信號時域波形。

圖2. PD信號頻域波形。

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(dāng)然，子頻段劃分是靈活的，客戶可以根據(jù)實際的電磁環(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信號頻譜的對應(yīng)能量譜分量，然后執(zhí)行快速傅里葉逆變換(IFFT)來研究在對應(yīng)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(jù)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(fā)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(shù)(NF)和21 dBm高P1dB，可提供高動態(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檢測應(yīng)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(guān) HMC7992來實現(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級是一個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。

最后一級是RF對數(shù)檢波器 ADL5513，它將UHF PD信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為數(shù)字信號。對于PD檢測應(yīng)用，所需的RF檢波器主要特性為響應(yīng)時間和動態(tài)范圍。ADL5513具有低至20 ns的響應(yīng)時間和高至80 dB的動態(tài)范圍，所以非常適合用于PD檢測應(yīng)用。RF對數(shù)檢波器 AD8318也適用于PD檢測應(yīng)用。與ADL5513相比，它的響應(yīng)時間更快，但動態(tài)范圍稍小。

測試結(jié)果

對該板的關(guān)鍵性能進(jìn)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(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. 從第一級輸入到最后一級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900MHz，輸出電壓與輸入連續(xù)波信號的功率的響應(yīng)曲線。使用輸入功率測量了兩個通道。根據(jù)測試結(jié)果，在–75 dBm至–5 dBm輸入功率范圍內(nèi)，整個信號鏈具有線性響應(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(jù)該波形，當(dāng)信號功率低至–75 dBm時，輸出信號的信噪比仍然相當(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信號鏈來構(gòu)建UHF PD檢測板。這個完整的參考設(shè)計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Q/GDW11059.8-2013標(biāo)準(zhǔn)的要求。

審核編輯：郭婷