为UHF局部放电在线监测系统设计最佳前端

作者：Van Yang， Meng Wang， Lance Wu， and Aaron He

本文介绍使用ADI信号链的超高频（UHF）局部放电在线监控系统的RF前端设计。前端灵敏度低，动态范围大，符合国家电网公司企业标准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技术规范》的要求。

介绍

根据IEC 60270标准，局部放电（PD）是一种电气 在两个绝缘的局部区域发生的放电 导电电极，无需完全弥合间隙。PD被广泛认可 作为电气绝缘劣化的最佳预警指标 电网中的资产。

当PD发生时，它将产生一个频率范围很宽的信号，所以有 是四种专注于不同频率范围的PD检测技术。 超声波检测技术专注于 20 kHz 的频率范围 至 ~200 kHz，高频电流互感器 （HFCT） 检测技术 专注于 3 MHz 至 ~30 MHz 的频率范围，瞬态接地 电压 （TEV） 检测技术专注于 3 MHz 的频率范围 至 ~100 MHz，聚焦超高频 （UHF） 检测技术 频率范围为 300 MHz 至 ~1500 MHz。 灵敏度，UHF技术广泛应用于PD在线监测系统中 气体绝缘开关设备 （GIS）、变压器和环网单元 （RMU）。

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柜局部放电UHF耦合器现场检查规范》第7.1节，标准PD信号发生器可产生以下PD脉冲信号特性：脉冲上升时间不大于300 ps和脉冲 宽度在 10 ns 到 500 ns 之间。然后，此信息用于构建PD Python中的模拟器信号。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。脉冲被放入 采样时间的中间以及上升波形和下降波形 是线性拟合的。

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，PD信号 能量最大的是在小于1 GHz的频率范围内。对于脉搏 上升时间小于300 ps，更多的能量将位于更高的频率。

图1.局部放电信号时域波形。

图2.PD信号频域波形。

在现代复杂的电磁环境中，有许多无线 工作频率范围为 300 MHz 的 UHF PD 之间的干扰信号 至 1500 MHz。为了对抗这种干扰，客户通常会选择 300 MHz至1.5 GHz范围内的子频段，用于捕获PD脉冲。通常，无线 900 MHz左右GSM的通信信号将是最大的干扰 信号。这个问题的一个解决方案是实现一个带阻滤波器（BRF） 抑制 800 MHz 至 1000 MHz 的信号。典型的子带划分方案 如表1所示。当然，子频段划分是灵活的，客户 可以根据真实的电磁环境进行调整。

 

子带	频率范围
全频段	300兆赫至~1500兆赫
低通频段	300 兆赫至 ~800 兆赫
高通带	1000 MHz 至 ~1500 MHz
带阻带	300 MHz 至 ~1500 MHz，800 MHz 至 ~1000 MHz 频段被拒绝

 

根据表1中的子波段划分，我们只保留相应的 PD信号频谱的频率分量如图2所示，然后 我们执行逆快速傅里叶变换（IFFT）来研究什么时间 域波形将在相应的滤波后进行。时域 波形后滤波如图3所示。根据图3，滤波后， PD脉冲峰值将降低。滤波后，PD脉冲上升时间 将增加，下降时间将减少。在之后的所有波形中 滤波后，全波段具有最大的峰值，其次是值 用于频段抑制带和低通频段。高通带的峰值最小，但PD脉冲仍然可以捕获。

图3.滤波后的PD信号时域波形。

采用 ADI公司信号链

可以使用以下方法开发具有四个通道的UHF PD检测RF前端板 ADI公司的信号链。显示了一个示例及其框图 在图4中，而其电路板前视图如图5所示。

图4.UHF PD检测射频前端板框图。

图5.UHF PD 检测射频前端板的前视图。

开发该前端的第一阶段涉及ADL5611 RF增益模块。 ADL5611具有2.1 dB的低噪声系数（NF）和21 dBm的高P1dB，其 提供高动态范围。ADL5611具有22 dB增益及其增益平坦度 UHF PD 工作频率为 300 MHz 至 1500 MHz，非常平坦，具有较少 增益纹波大于0.4 dB。所有这些特性使ADL5611非常适合 用于超高频局部放电检测应用。

第二个开发阶段涉及基于以下条件的电感器和电容器 一个 300 MHz 至 1500 MHz 带通滤波器 （BPF），提供带外 干扰抑制。

第三级使用两个单刀四掷（SP4T）RF HMC7992开关 实现频段选择电路。第一个RF路径是DC-to800 MHz低通路径，第二个RF路径是1 GHz高通路径，第三个 路径是 800 MHz 至 1 GHz 频段抑制路径，第四条路径是直接路径 通过路径。根据不同的射频路径选择，客户可以 选择不同的射频频段以捕获频率内的PD脉冲 无干扰或最小干扰的频段。HMC7992具有低插入损耗 0.6 dB，45 dB 的高隔离度和 33 dBm 的高 P0.1dB。

第四级是300 MHz至1500 MHz BPF，与BPF相同。 用于第二阶段，它提供了进一步的带外干扰抑制。

最后阶段涉及RF对数检波器ADL5513，其转换 将UHF PD信号转换为几十MHz的低频信号。这使得 可以使用采样速率为40 MSPS或65 MSPS的ADC进行转换 将模拟PD信号转换为数字信号。对于局部放电检测应用，主要 RF检波器所需的特性是响应时间和动态 范围。ADL5513的响应时间低至20 ns，响应时间高达80 dB 动态范围，使其非常适合PD检测应用。这 RF对数检波器AD8318也适用于PD检测应用。 与ADL5513相比，它具有更快的响应时间，但动态范围 略低。

测试结果

测试了电路板的关键性能，屏幕截图如图6所示。 通过图 8。

图6显示了从第一级到最后一级的ADL5513的S参数 在直通路径中输入。它表明，从300 MHz到1500 MHz全频段， 增益约为14 dB，增益平坦度优于2 dB，输入返回 损耗优于 –8 dB。

图6.从第一级到最后一级的ADL5513输入的直通路径中的S参数。

图7显示了测得的输出电压与中间输入功率的关系 频率 900 MHz 连续波信号。两个通道测量 输入功率。根据测试结果，整个信号链具有线性 在 –75 dBm 至 –5 dBm 的输入功率范围内提供响应。通道间性能也是一致的。

图7.输出电压与输入功率的关系

在图8中，输入连续脉冲时测得的输出波形 900 MHz 的波信号。信号功率为 –75 dBm，脉冲宽度为 5 μs， 脉冲周期为10 μs。根据波形，当信号功率为 低至 –75 dBm，输出信号仍具有相当大的信噪比。

图8.–75 dBm 脉冲连续波输入的输出响应。

结论

本文演示了如何使用 ADI公司的信号链。这种完整的参考设计提供了灵活性 选择不同的频段来对抗复杂的干扰 电磁环境。它还符合Q/GDW11059.8-2013标准 的中国。

审核编辑：郭婷