芯耀
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作者：David Zhang 公司：駿龍科技
隨著我國高壓電的快速發(fā)展，電氣設(shè)備的安全問題也越來越受國家的重視。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，其局部放電的檢測技術(shù)就顯得尤為重要，關(guān)系到這些電氣設(shè)備的運行安全。ADI 在局放檢測領(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，確保安全隱患的及時排查，為我國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，往往會伴隨許多現(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、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)生放電的機理隨氣壓和電極系統(tǒng)的變化而異。根據(jù)放電過程，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窮大，同時在放電中可能發(fā)生沿氣隙或氣泡壁表面放電等原因，所以實際的正、負(fù)工頻周期放電圖形是不完全對稱的，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)越對稱，正、負(fù)工頻周期放電圖形就更對稱。
- 表面放電
在電氣設(shè)備的高電壓端，由于電場集中，沿面放電場強又比較低，往往會產(chǎn)生表面局部放電。絕緣體表面放電的過程及機理，它與絕緣體內(nèi)部氣隙或氣泡放電的過程及機理相似，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)是不對稱的，發(fā)生在工頻正、負(fù)半波的放電圖形也是不對稱的。當(dāng)放電的一端是高壓電極，不放電的電極接地時，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，放電產(chǎn)生的帶電質(zhì)點不會固定在空間某一位置上。對于針-板電極系統(tǒng)，針尖附近場強最高而發(fā)生放電，由于負(fù)極性時容易發(fā)射電子，同時正離子撞擊陰極發(fā)生二次電子發(fā)射，使得放電在負(fù)極性時最先出現(xiàn)。當(dāng)外加電壓較低時，電暈放電脈沖出現(xiàn)在外加電壓負(fù)半周 90° 相位附近，并幾乎對稱于 90°；當(dāng)電壓升高時，正半周會出現(xiàn)少量幅值大的放電脈沖。
局部放電的監(jiān)測方法
發(fā)生局部放電時往往會伴隨多種物理現(xiàn)象，而局放的監(jiān)測方法正是從這些電、聲、光、熱、振動、化學(xué)變化現(xiàn)象中提取出相關(guān)的信號，并進(jìn)行信號的處理和分析，從而判斷絕緣體劣化的程度。ADI 的局放監(jiān)測解決方案主要關(guān)注以下表（表1）頻段范圍：
表1 局放信號類型和頻段范圍
在針對不同頻段信號檢測時，不同局放檢測產(chǎn)品會根據(jù)待檢測的電氣設(shè)備的類型及特點，進(jìn)行主要特性的信號頻段檢測。并非一個局放檢測產(chǎn)品同時具備檢測所有相關(guān)頻段的信號，比如在特高壓變壓器局放檢測中往往會檢測振動、工頻、超聲波、TEV 等頻段信號，而 GIS 局放檢測中通常只會檢測 UHF 頻段的信號。不同頻段信號代表不同的局放放電機理和類型。
ADI 局放檢測解決方案推薦
振動信號檢測方案
在電氣設(shè)備因局部放電產(chǎn)生的振動信號檢測中，ADI 獨有的 MEMS ADXL1002 單軸加速計及ADXL1002 IEPE 模塊，搭配 ADI 精密信號鏈方案，可以提供優(yōu)異的解決方案，如下圖（圖1）所示的單通道振動檢測和圖2所示的多通道振動檢測：
圖1 單通道振動檢測方案
- 單通道振動檢測方案特點
高精度，超低功耗，整體尺寸小，噪聲低，成本低
圖2 多通道振動檢測方案
- 多通道振動檢測方案特點
高精度，高集成度，設(shè)計簡單，成本低
- 超聲信號檢測方案
電氣設(shè)備因局放產(chǎn)生的超聲信號中，頻率范圍通常在20KHz - 300KHz之間，同時也會進(jìn)行多測量點檢測，一般也需要檢測多路信號，ADI 關(guān)于超聲信號的多通道解決方案如下圖（圖3）所示：
圖3 多通道超聲檢測方案
- 多通道超聲檢測方案特點
高集成度，設(shè)計簡單，高動態(tài)范圍
HFCT 高頻電流檢測方案
局部放電產(chǎn)生的高脈沖信號，該信號頻段一般在300KHz - 30MHz之間，通常的做法是選用高速ADC做信號直采， HFCT 直采方案如下圖（圖4）所示：
圖4 HFCT 信號直接采集方案
- HFCT 信號直接采集方案特點
高信噪比，設(shè)計簡單，成本低
TEV 暫態(tài)地電壓檢測方案
TEV 暫態(tài)地電壓檢測范圍為20MHz - 100MHz，目前通常的做法也是采用信號直采的方式，ADC 采樣率一般要求達(dá)到200M SPS以上，ADI 推薦的 TEV 暫態(tài)低電壓檢測方案如下圖（圖5）所示：
圖5 TEV 信號直接采集方案
- TEV 信號直接采集方案特點
高靈敏度，設(shè)計簡單，成本低
UHF 特高頻信號采集方案
超高頻率（UHF）檢測技術(shù)針對300MHz - 1500MHz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。ADI 推薦的UHF 局放檢測前端方案如下圖（圖6）所示，它包括了五級信號調(diào)理單元：
圖6 UHF 局放檢測前端方案
- 第一級信號調(diào)理單元
第一級為射頻增益模塊 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 檢測應(yīng)用。
- 第二級信號調(diào)理單元
第二級是基于電感電容的300 MHz - 1500 MHz的帶通濾波器 (BPF)，該濾波器提供帶外干擾抑制。
- 第三級信號調(diào)理單元
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 - 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。
- 第四級信號調(diào)理單元
第四級是一個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。
- 第五級信號調(diào)理單元
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是 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，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，AD8318 的響應(yīng)時間更快，但動態(tài)范圍稍小。
- UHF 局放檢測前端方案特點
高靈敏度，高動態(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)備會發(fā)生不同類型的局部放電，只有準(zhǔn)確地檢測放電信號的特性，才能更好判斷絕緣體的惡化程度，獲取更加準(zhǔn)確的檢測結(jié)果。ADI 有著業(yè)內(nèi)先進(jìn)的局放檢測技術(shù)，能更好為電力設(shè)備的安全保駕護(hù)航。
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