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作者：David Zhang 公司：駿龍科技
隨著我國(guó)高壓電的快速發(fā)展，電氣設(shè)備的安全問(wèn)題也越來(lái)越受國(guó)家的重視。電氣設(shè)備如特高壓變壓器、GIS、開關(guān)柜、高壓電纜以及高壓斷路器等，其局部放電的檢測(cè)技術(shù)就顯得尤為重要，關(guān)系到這些電氣設(shè)備的運(yùn)行安全。ADI 在局放檢測(cè)領(lǐng)域擁有領(lǐng)先的解決方案，滿足各類高壓電氣設(shè)備局部放電的檢測(cè)，確保安全隱患的及時(shí)排查，為我國(guó)高壓電力傳輸保駕護(hù)航。
什么是局部放電現(xiàn)象
絕緣體中只有局部區(qū)域發(fā)生的放電，而沒有貫穿施加電壓的導(dǎo)體之間，放電可以發(fā)生在導(dǎo)體附近，也可以發(fā)生在其他區(qū)域，我們稱之為局部放電現(xiàn)象。這種現(xiàn)象一般是指高壓電氣設(shè)備的局部放電，這是造成高壓電氣設(shè)備發(fā)生絕緣擊穿的主要原因，也是衡量絕緣惡化的重要指征。
局部放電的特點(diǎn)和危害
當(dāng)電氣設(shè)備絕緣介質(zhì)內(nèi)部發(fā)生局部放電時(shí)，往往會(huì)伴隨許多現(xiàn)象。有些是屬于電的現(xiàn)象，比如電脈沖的產(chǎn)生；還有一些是非電現(xiàn)象，比如聲音、振動(dòng)、光以及相關(guān)的化學(xué)變化引起的局部發(fā)熱等。
上文提及的局部放電現(xiàn)象是衡量絕緣惡化的指征，隨著放電的發(fā)生所產(chǎn)生的不良化合物會(huì)慢慢損壞絕緣體，最后導(dǎo)致絕緣被擊穿，發(fā)生電氣設(shè)備突發(fā)性故障。
局部放電類型
- 內(nèi)部放電
造成內(nèi)部局部放電的常見原因是固體絕緣體內(nèi)部存在氣隙，或液體絕緣內(nèi)部存在氣泡。絕緣內(nèi)部氣隙發(fā)生放電的機(jī)理隨氣壓和電極系統(tǒng)的變化而異。根據(jù)放電過(guò)程，可分為電子碰撞電離放電和流注放電兩類；從放電形式上，可分為脈沖型 (火花型) 放電和非脈沖型 (輝光型) 放電兩種基本形式。
一般情況下，局部放電都屬于脈沖型放電，可以在外加工頻電壓的一定相位上觀察到單個(gè)分離的放電脈沖。在理論上，內(nèi)部放電的放電圖形在工頻正、負(fù)半波是對(duì)稱的。但由于氣隙或氣泡周圍絕緣材料的絕緣電阻，并非是理想情況下的無(wú)窮大，同時(shí)在放電中可能發(fā)生沿氣隙或氣泡壁表面放電等原因，所以實(shí)際的正、負(fù)工頻周期放電圖形是不完全對(duì)稱的，而且與電極系統(tǒng)的形式有很大的關(guān)系：電極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)越對(duì)稱，正、負(fù)工頻周期放電圖形就更對(duì)稱。
- 表面放電
在電氣設(shè)備的高電壓端，由于電場(chǎng)集中，沿面放電場(chǎng)強(qiáng)又比較低，往往會(huì)產(chǎn)生表面局部放電。絕緣體表面放電的過(guò)程及機(jī)理，它與絕緣體內(nèi)部氣隙或氣泡放電的過(guò)程及機(jī)理相似，不同的是放電空間一端是絕緣介質(zhì)，另一端是電極。如果電極系統(tǒng)是不對(duì)稱的，發(fā)生在工頻正、負(fù)半波的放電圖形也是不對(duì)稱的。當(dāng)放電的一端是高壓電極，不放電的電極接地時(shí)，正半周放電量大而次數(shù)少，負(fù)半周放電次數(shù)多而放電量小。如果電極系統(tǒng)相反，則放電圖形也相反。
電暈放電通常發(fā)生在高壓導(dǎo)體周圍完全是氣體的情況下。由于氣體中的分子自由移動(dòng)，放電產(chǎn)生的帶電質(zhì)點(diǎn)不會(huì)固定在空間某一位置上。對(duì)于針-板電極系統(tǒng)，針尖附近場(chǎng)強(qiáng)最高而發(fā)生放電，由于負(fù)極性時(shí)容易發(fā)射電子，同時(shí)正離子撞擊陰極發(fā)生二次電子發(fā)射，使得放電在負(fù)極性時(shí)最先出現(xiàn)。當(dāng)外加電壓較低時(shí)，電暈放電脈沖出現(xiàn)在外加電壓負(fù)半周 90° 相位附近，并幾乎對(duì)稱于 90°；當(dāng)電壓升高時(shí)，正半周會(huì)出現(xiàn)少量幅值大的放電脈沖。
局部放電的監(jiān)測(cè)方法
發(fā)生局部放電時(shí)往往會(huì)伴隨多種物理現(xiàn)象，而局放的監(jiān)測(cè)方法正是從這些電、聲、光、熱、振動(dòng)、化學(xué)變化現(xiàn)象中提取出相關(guān)的信號(hào)，并進(jìn)行信號(hào)的處理和分析，從而判斷絕緣體劣化的程度。ADI 的局放監(jiān)測(cè)解決方案主要關(guān)注以下表（表1）頻段范圍：
表1 局放信號(hào)類型和頻段范圍
在針對(duì)不同頻段信號(hào)檢測(cè)時(shí)，不同局放檢測(cè)產(chǎn)品會(huì)根據(jù)待檢測(cè)的電氣設(shè)備的類型及特點(diǎn)，進(jìn)行主要特性的信號(hào)頻段檢測(cè)。并非一個(gè)局放檢測(cè)產(chǎn)品同時(shí)具備檢測(cè)所有相關(guān)頻段的信號(hào)，比如在特高壓變壓器局放檢測(cè)中往往會(huì)檢測(cè)振動(dòng)、工頻、超聲波、TEV 等頻段信號(hào)，而 GIS 局放檢測(cè)中通常只會(huì)檢測(cè) UHF 頻段的信號(hào)。不同頻段信號(hào)代表不同的局放放電機(jī)理和類型。
ADI 局放檢測(cè)解決方案推薦
振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)方案
在電氣設(shè)備因局部放電產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)檢測(cè)中，ADI 獨(dú)有的 MEMS ADXL1002 單軸加速計(jì)及ADXL1002 IEPE 模塊，搭配 ADI 精密信號(hào)鏈方案，可以提供優(yōu)異的解決方案，如下圖（圖1）所示的單通道振動(dòng)檢測(cè)和圖2所示的多通道振動(dòng)檢測(cè)：
圖1 單通道振動(dòng)檢測(cè)方案
- 單通道振動(dòng)檢測(cè)方案特點(diǎn)
高精度，超低功耗，整體尺寸小，噪聲低，成本低
圖2 多通道振動(dòng)檢測(cè)方案
- 多通道振動(dòng)檢測(cè)方案特點(diǎn)
高精度，高集成度，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低
- 超聲信號(hào)檢測(cè)方案
電氣設(shè)備因局放產(chǎn)生的超聲信號(hào)中，頻率范圍通常在20KHz - 300KHz之間，同時(shí)也會(huì)進(jìn)行多測(cè)量點(diǎn)檢測(cè)，一般也需要檢測(cè)多路信號(hào)，ADI 關(guān)于超聲信號(hào)的多通道解決方案如下圖（圖3）所示：
圖3 多通道超聲檢測(cè)方案
- 多通道超聲檢測(cè)方案特點(diǎn)
高集成度，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，高動(dòng)態(tài)范圍
HFCT 高頻電流檢測(cè)方案
局部放電產(chǎn)生的高脈沖信號(hào)，該信號(hào)頻段一般在300KHz - 30MHz之間，通常的做法是選用高速ADC做信號(hào)直采， HFCT 直采方案如下圖（圖4）所示：
圖4 HFCT 信號(hào)直接采集方案
- HFCT 信號(hào)直接采集方案特點(diǎn)
高信噪比，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低
TEV 暫態(tài)地電壓檢測(cè)方案
TEV 暫態(tài)地電壓檢測(cè)范圍為20MHz - 100MHz，目前通常的做法也是采用信號(hào)直采的方式，ADC 采樣率一般要求達(dá)到200M SPS以上，ADI 推薦的 TEV 暫態(tài)低電壓檢測(cè)方案如下圖（圖5）所示：
圖5 TEV 信號(hào)直接采集方案
- TEV 信號(hào)直接采集方案特點(diǎn)
高靈敏度，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，成本低
UHF 特高頻信號(hào)采集方案
超高頻率（UHF）檢測(cè)技術(shù)針對(duì)300MHz - 1500MHz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。ADI 推薦的UHF 局放檢測(cè)前端方案如下圖（圖6）所示，它包括了五級(jí)信號(hào)調(diào)理單元：
圖6 UHF 局放檢測(cè)前端方案
- 第一級(jí)信號(hào)調(diào)理單元
第一級(jí)為射頻增益模塊 ADL5611。ADL5611 具有2.1 dB低噪聲系數(shù)（NF）和21 dBm高 P1 dB，可提供高動(dòng)態(tài)范圍；它還具有22 dB增益，在300 MHz - 1500 Mhz UHF PD工作頻率內(nèi)其增益極為平坦，含有低于0.4 dB的增益紋波。這些特性使得 ADL5611 非常適合 UHF PD 檢測(cè)應(yīng)用。
- 第二級(jí)信號(hào)調(diào)理單元
第二級(jí)是基于電感電容的300 MHz - 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)信號(hào)調(diào)理單元
第三級(jí)使用兩個(gè)單刀四擲（SP4T）射頻開關(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 - 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，適配不同的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P0.1 dB。
- 第四級(jí)信號(hào)調(diào)理單元
第四級(jí)是一個(gè)300 MHz - 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。
- 第五級(jí)信號(hào)調(diào)理單元
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是 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，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，AD8318 的響應(yīng)時(shí)間更快，但動(dòng)態(tài)范圍稍小。
- UHF 局放檢測(cè)前端方案特點(diǎn)
高靈敏度，高動(dòng)態(tài)范圍，成本低
總結(jié)
根據(jù) IEC 60270 標(biāo)準(zhǔn)，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。不同電氣設(shè)備會(huì)發(fā)生不同類型的局部放電，只有準(zhǔn)確地檢測(cè)放電信號(hào)的特性，才能更好判斷絕緣體的惡化程度，獲取更加準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié)果。ADI 有著業(yè)內(nèi)先進(jìn)的局放檢測(cè)技術(shù)，能更好為電力設(shè)備的安全保駕護(hù)航。
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