为UHF局部放电在线监测系统设计最好的前端

摘要

本文介绍如何使用ADI信号链进行超高频(UHF)局部放电在线监测系统的RF前端设计。该前端灵敏度低,动态范围高,可以满足中国国家电网企业标准Q/GDW11059.8-2013"电气设备通电试验装置技术规范第8部分:超高频局部放电检测器的技术规范"的要求,并且提供不错的裕量。

简介

根据IEC 60270标准,局部放电(PD)是两个存在间隙的导电电极之间的部分绝缘区域发生的放电。局部放电被广泛认为是电网内的电气资产绝缘老化的最佳预警指示。

发生局部放电时,会产生具有较宽频率范围的信号,因此有4种针对不同频率范围的局部放电检测技术。超声波检测技术针对20 kHz至~200 kHz频率范围,高频电流互感器(HFCT)检测技术针对3 MHz至~30 MHz频率范围,瞬态接地电压(TEV)检测技术针对3 MHz至~100 MHz频率范围,超高频率(UHF)检测技术针对300 MHz至~1500 MHz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。

局部放电信号分析

根据Q/GDW11282-2014标准"气体绝缘金属封闭开关设备的局部放电UHF耦合器现场检测规范"第7.1节,标准PD信号发生器可以产生以下PD脉冲信号特性:脉冲上升时间不超过300 ps,脉冲宽度在10 ns和500 ns之间。然后,利用该信息在Python中构建PD仿真器信号。上升时间为300 ps,下降时间为10 ns。脉冲信号峰值幅度为100 mV,峰峰值噪声为10 mV。采样速率为10 GSPS,采样时间为10 μs。将脉冲置于采样时间中间,上升波形和下降波形均进行线性拟合。

仿真的PD信号时域波形如图1所示,频域波形如图2所示。根据图2,能量最高的PD信号在1 GHz以下的频率范围内。脉冲上升时间低于300 ps时,更多能量分布在更高的频率范围内。

图1. PD信号时域波形。

图2. PD信号频域波形。

在现代复杂的电磁环境中,UHF PD之间有很多工作频率在300 MHz至1500 MHz之间的无线干扰信号。为了消除这种干扰,客户一般会选择300 MHz至1.5 GHz之间的子频段来捕捉PD脉冲。正常情况下,约900 MHz左右的GSM的无线通信信号将会是最大的干扰信号。解决此问题的一种方法是采用带阻滤波器(BRF)来抑制800 MHz至1000 MHz的信号。典型的子频段划分方案如表1所示。当然,子频段划分是灵活的,客户可以根据实际的电磁环境进行调整。

表1. 典型的UHF PD子频段划分方案
子频段 频率范围
全频段 300 MHz 至 ~1500 MHz
低通频段 300 MHz 至 ~800 MHz
高通频段 1000 MHz 至 ~1500 MHz
带阻频段 300 MHz 至 ~1500 MHz 抑制 800 MHz 至
~1000 MHz 频段

根据表1中的子频段划分,我们只保留图2所示的PD信号频谱的对应能量谱分量,然后执行快速傅里叶逆变换(IFFT)来研究在对应的滤波之后,时域波形会是什么样子。滤波后的时域波形如图3所示。根据图3,在滤波之后,PD脉冲峰值会下降。滤波之后,PD脉冲上升时间会增加,下降时间会减少。滤波之后,在所有波形中,全频段具有最大峰值,之后是带阻频段和低通频段。高通频段的峰值最小,但仍可捕捉到PD脉冲。

图3. 滤波之后的PD信号时域波形。

使用ADI信号链的UHF PD检测RF前端

可以使用ADI信号链开发带4个通道的UHF PD检测RF前端板。其中一个通道的框图如图4所示,整个电路板的前视图如图5所示。

图4. UHF PD检测RF前端板框图。

图5. UHF PD检测RF前端板的前视图。

这个前端的第一级是射频增益模块 ADL5611 。ADL5611具有2.1 dB低噪声系数(NF)和21 dBm高P1dB,可提供高动态范围。ADL5611具有22 dB增益,在300 MHz至1500 Mhz UHF PD工作频率内其增益极为平坦,具有低于0.4 dB的增益纹波。所有这些特性使得ADL5611非常适合UHF PD检测应用。

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

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至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,客户可以选择不同的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P0.1dB。

第4级是一个300 MHz至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。

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,可以使用采样速率为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,所以非常适合用于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,它的响应时间更快,但动态范围稍小。

测试结果

对该板的关键性能进行了测试,图6至图8为屏幕截图。

图6显示的是从第一级输入到最后一级ADL5513的输入端口,设置在直通路径上的S参数。图中显示,从300 MHz至1500 Mhz全频段,增益约为14 dB,增益平坦度优于2 dB,输入回波损耗优于–8 dB。

图6. 从第一级输入到最后一级ADL5513输入在直通路径下的S参数。

图7显示的是在PD工作的中心频点900MHz,输出电压与输入连续波信号的功率的响应曲线。使用输入功率测量了两个通道。根据测试结果,在–75 dBm至–5 dBm输入功率范围内,整个信号链具有线性响应。通道间的性能一致性也非常好。

图7. 输出电压与输入功率的关系。

图8为输入900 MHz连续波信号脉冲时测得的输出波形。信号功率为–75 dBm,脉冲宽度为5 μs,脉冲周期为10 μs。根据该波形,当信号功率低至–75 dBm时,输出信号的信噪比仍然相当可观。

图8. –75 dBm脉冲连续波输入的输出响应。

结论

本文展示了如何使用ADI信号链来构建UHF PD检测板。这个完整的参考设计允许用户灵活选择不同频段,以消除复杂电磁环境中的干扰。它还符合中国Q/GDW11059.8-2013标准的要求。

参考电路

Fernando Álvarez、Fernando Garnacho、Javier Ortego、Miguel Ángel Sánchez-Urán。“在线局部放电测量中通过使用HFCT和UHF传感器实现对“在线局部放电测量中通过使用HFCT和UHF传感器实现对高压设备的绝缘诊断传感器,第15卷第4期,2015年4月。

Q/GDW11059.8-2013“电气设备通电试验装置技术规范第8部分:超高频局部放电检测器的技术规范”。

作者

Van Yang

Van Yang

Van Yang是ADI公司上海分公司的现场应用工程师。他于2015年加入ADI公司,负责为中国医疗和工业客户提供支持。加入ADI之前,Van曾在TI担任4年的现场应用工程师。Van在2011年从武汉华中科技大学获得通信和信息系统专业硕士学位。业余时间他酷爱篮球和徒步旅行。

Meng Wang

Meng Wang

Meng Wang是ADI北京公司的一名产品应用工程师,拥有10年应用、硬件和嵌入式系统开发经验。他于2014年加入ADI,为工业测试、物联网和3D相机系统提供设计技术支持。他拥有北京科技大学机械设计与理论专业的学士和硕士学位(2011年)。

Lance Wu

Lance Wu

Lance Wu是ADI上海公司的一名现场应用工程师。他于2018年加入ADI担任现场应用工程师,为中国通信客户提供支持。加入ADI之前,Lance曾在Lattice担任RF工程师。他于2016年获得中国科学院上海微系统与信息技术研究所微电子学硕士学位。

Aaron He

Aaron He

Aaron He是ADI上海公司的系统应用工程师,于2017年加入ADI。加入ADI之前,Aaron曾在爱立信担任高级RF工程师。Aaron拥有超过十年的无线通信基站设计、集成和生产测试系统开发工作经验。Aaron于2001年获得西安交通大学通信工程学士学位,并于2006年获得华中科技大学微波工程硕士学位。