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數字化儀在局部放電中的應用

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瀏覽:- 發布日期:2025-06-23 22:50:51【

即時要聞 (1)


引言

根據國際標準IEC 60270的定義,局部放電(Partial Discharge,簡稱PD)是指在電氣絕緣系統中,由于局部區域的電場強度超過其絕緣材料的擊穿強度,從而在絕緣體局部區域發生的瞬間放電現象,通常這種放電表現為持續時間小于1μs的脈沖。局部放電是一種常見的電力設備故障前兆,廣泛存在于變壓器、電纜等高壓電器設備,物理本質是強電場下介質局部區域的電離擊穿與能量釋放過程。由于局部放電并不足以引起完全的電氣擊穿,其持續存在會導致絕緣性能下降,最終引發重大電力事故,因此對絕緣體的局部放電檢測是一項具有重要意義的安全檢驗。

傳統局部放電檢測技術(如脈沖電流法、超聲波法,參考圖1)在復雜電磁環境中普遍面臨準確性低、抗干擾性能弱的技術瓶頸

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1. 左為脈沖電流法,右為超聲波法

不過局部放電檢測的技術也在不斷更新中,其中特高頻法(Ultra High Frequency,簡稱UHF,國內有的地方也翻譯成“超高頻”,本文沿用國家標準和電力行業標準的名稱)是目前局部放電高端檢測設備中較為常見的方法。與傳統方法相比,UHF技術測量精度更高,受外部電磁干擾影響較小,適合在現場復雜電磁環境中長期運行。下面將結合UHF技術原理和具體案例,來詳細說明數字化儀在局部放電中的應用。

UHF技術原理

局部放電檢測不同方法的共性都是將放電信息傳輸至采集設備,以實現數據的采集、處理和顯示。此外,為了進一步驗證局部放電信號的特征,有時還需對采集到的數據進行保存和二次處理。局部放電的信號特征如下表1所示:

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1. 局部放電的信號特征

UHF方法的原理在于,每一次局部放電過程都伴隨著正負電荷的中和,產生的脈沖電流會輻射出高頻分量比較豐富的電磁波信號,最高頻率可達數GHz,通過天線作為傳感器接收局部放電過程輻射的UHF電磁波,再通過ADC采樣將接收到的電磁波信號轉換為數字信號,最后通過特定的信號處理硬件和專用算法(如包絡提取)即可實現局部放電的檢測。

業界基于UHF技術原理的產品類型主要包括:手持式巡檢儀、臺式檢測儀、在線式監測系統、高端實驗室檢測系統等,在應用方面特別適合GIS(Gas Insulated Switchgear,氣體絕緣開關設備)、變壓器等電力設備的檢測。

信號采集需求痛點

雖然業界已經普遍擁有各種不同類型的UHF檢測儀器或設備或系統,但針對局部放電的信號采集需求,用戶仍然會有一些常見的痛點,總結如下:

(1) 采樣率與帶寬的限制:局部放電脈沖持續時間極短,需高采樣率(如GS/s級)才能準確還原波形。臺式高端局部放電檢測儀的帶寬和采樣率都可以滿足要求,但普遍體積龐大、移動不便,只適合放在實驗室作為專門的測試設備,而普通手持式巡檢儀則帶寬與采樣率不夠,會導致信號采集失真或遺漏。

(2) 垂直分辨率的限制:高端臺式檢測儀在高采樣率和高帶寬的配置條件下,通常無法再兼顧高垂直分辨率(通常是在12 bit以下 ),所以分辨微弱放電信號變得非常困難。

(3) 觸發功能單一:局部放電的信號幅值小且隨機性強,專用UHF局部放電檢測儀雖然專門針對放電特征而設計,但常受限于觸發能力單一(很多國產中低端檢測儀僅支持幅值觸發,無法實現相位關聯觸發),面對這種局部放電信號基本是無能為力的,所以很可能無法穩定捕捉微弱或復雜的信號。

(4) 采集存儲深度不夠:長時間采集信號需要大存儲容量,普通UHF檢測儀的存儲深度通常都不是為連續采集數據而設計的,無法滿足長時間記錄數據的存儲需求,所以存儲深度依賴外部設備(如外掛硬盤),導致觸發間隙丟失數據風險升高。

(5) 數據分析功能受限:并非所有的局部放電檢測儀都具備局部放電特征參數(如相位分布圖譜、相位分辨分析等)的分析與統計功能,而這些功能恰好對應的是局部放電專業領域的需求,其實是很重要的。

(6) 便攜性與高性能無法兼顧:變電站、輸電線路、高鐵戶外檢測場景中,局部放電現場檢測所需的設備都是需要便攜的。能滿足帶寬和采樣率要求的高端臺式檢測儀通常沒有移動電源,加上體積與重量的限制,不易攜帶,難以滿足現場檢測的需求;而手持巡檢儀的帶寬和采樣率有限,垂直分辨率也不高,雖然攜帶方便但性能不足,無法滿足高性能檢測需求。

數字化儀的優勢

數字化儀作為一種高性能數據采集設備,在局部放電檢測中展現出顯著的技術優勢,能夠有效提升檢測精度、抗干擾能力和數據分析效率。其優勢如下:

(1) 高采樣率:數字化儀的采樣率可達GS/s,能夠精確捕捉局部放電產生的超高頻(UHF)或高頻(HF)瞬態脈沖(脈寬低至 ns 級)。相較于普通局部放電檢測儀的采樣率,數字化儀是專門強調以高采樣率為核心指標、專注于高速數據采集的高精度設備。

(2) 高分辨率數字化儀可以提供高分辨率(通常為14位或16位),能夠區分更微小的電壓或電流變化,從而可有效區分微弱放電信號與背景噪聲,尤其適用于低能量放電(如電暈放電)或強電磁干擾環境。

(3) 更強大的觸發能力:數字化儀相較于普通局部放電檢測儀的觸發功能可謂是豐富而強大,因為數字化儀支持算法級可編程觸發?(如局部放電檢測中需同時滿足相位相關性、脈沖簇密度、幅值變化率等復合條件),以及脈寬/斜率/相位窗口組合觸發等更智能的觸發方式。

(4) 超大的采集存儲深度:數字化儀通常配備比普通局部放電檢測儀更高的板載緩存,而且支持多通道擴展存儲架構,可輕松配置出TB級的存儲空間。而且,數字化儀因為采用PCIe等高速總線架構,可以輕松實現GB/s級別的數據吞吐率,遠超任何類型的局部放電檢測儀。

(5) 強大的分析功能:數字化儀可以與工頻電壓信號進行精確的相位同步,將局部放電信號與工頻電壓的相位關系進行關聯分析。這種相位同步功能可以生成PRPD(相位分辨局部放電)圖譜,顯示放電脈沖在工頻電壓周期內的分布情況。PRPD圖譜可以顯示放電的強度和頻率分布,幫助評估放電的嚴重程度,并分析放電的發展趨勢,為故障預測提供依據。另外,數字化儀還可以提供PRPS(相位分辨脈沖序列)、N-Q(放電量-相位)分析、頻譜分析、數據處理、數據管理、高級統計分析等多種專業功能。

(6) 高性能與便攜性兼顧:數字化儀因為是模塊化架構?,所以更容易實現?高采樣率、小體積、低功耗?。相較于便攜式或臺式的局部放電檢測儀,數字化儀在局部放電檢測中憑借輕量化設計、靈活擴展性和便攜性,可以很容易支持移動巡檢、分布式在線監測(GIS設備)電纜隧道監測、機架部署與復雜的系統集成等,通過高精度采集、多維度分析等強大功能實現高性能與便攜性的兼顧。

除此以外,數字化儀還有以下特性和優勢:

(7) 更高的有效位數:數字化儀通過專用ADC架構仍然可以在1GS/s以上的采樣率情況下仍然保持較高的有效位數(ENOB),而局部放電檢測儀和數字示波器類似,由于硬件架構和多級信號鏈的緣故,通常在高采樣率下的有效位數會顯著降低,所以同樣都是基于ADC原理,數字化儀更能確保微弱放電脈沖觸發的可靠性。

(8) 多通道同步采集數字化儀通常支持2~8通道同步采集,而且擴展出更多通道也很容易,所以能夠同時接入不同類型的傳感器,例如高頻電流互感器(HFCT)、超聲波傳感器(AE)等。多通道同時采集可以探測放電信號的快慢與強弱,實現電-聲-電磁聯合檢測,提供更全面的放電信息;通過對不同位置傳感器接收到的信號進行分析,可以更準確地定位放電源的位置。

(9) 實時處理數字化儀內置的FPGA可以實現實時信號處理(如濾波、降噪、脈沖提取、峰值檢測等),從而減少后端計算機的負擔,提高數據處理效率。

通過上述列舉數字化儀在局部放電中的優勢,用戶可以很清楚地了解到數字化儀不僅解決了普通局部放電檢測儀在應用中的痛點,還表現出專業檢測工具才擁有的特質。

具體案例和解決方案

案例一:某電力客戶選擇德國Spectrum公司的數字化儀產品,目的是為了模擬局部放電的脈沖電流經過高頻傳感器之后完成信號采集這一完整過程,具體方案流程如下圖2所示:

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2. 局部放電的脈沖信號經過高頻傳感器的采集方案流程圖

按照上圖2的流程完成實物連接,如下圖3顯示。該系統中高壓電源輸出端通過高壓電纜連接到被試品(變壓器)的高壓電極,被試品的低壓電極(或接地端)通過檢測阻抗(通常為50Ω或1kΩ)接地,形成回路。通過線纜將脈沖電流傳導出去,經過安裝的高頻傳感器檢測高頻電流信號,通過傳感器的BNC輸出接口將信號傳輸出去,最終由數字化儀采集設備進行采集顯示和數據存儲。

該數字化儀采型號為M4i.2211-x8,采用PCIe接口,可實現2通道同步采集,每通道最高1.25GS/s采樣率,分辨率為8bit。用戶也可以設置不同的采樣率,滿足不同帶寬信號的采集要求。在模擬過程中,高壓電源系統產生不同大小的放電信號,隨著高壓電源產生放電信號的減弱,傳感器接收并轉換的信號也會隨之變小,利用數字化儀的通道觸發可以有效采集信號并捕獲信號的變化(如圖3所示)。

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3. 數字化儀通過高頻傳感器采集到的局部放電信號示意圖

在檢測到微弱信號時,可預先設定一個略高于背景噪聲的閾值,只有當信號強度超過此閾值時,數字化儀才啟動采集工作。利用數字化儀的頻譜分析功能,能夠對信號進行深入處理,從而實現相位信息的精確計算(如圖4,這對于分析信號的特性和來源具有重要意義。此外,考慮到局部放電檢測可能需要長時間連續監測的需求,理想的數字化儀應具備將采集到的數據持續存儲至硬盤的能力,以便完整記錄某段時間內發生的全部放電信息,為后續的詳細分析和處理提供全面的數據支持。

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4. 左邊為數字化儀的時域和頻域圖,右邊為局部放電關注的相位圖

案例二某電力檢測公司客戶選擇坤馳科技自研的數字化儀(型號為QT12131+DC,4通道,每通道采樣率為2GS/s,帶寬900MHz,14 bit,PCIe 3.0 x8),將其電力線纜的隨機放電信號通過數字化儀的4通道進行采集,用于判斷信號的方位與距離測量。具體方案流程如下圖5所示(圖中的圓圈表示每個通道等待信號的過程):

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5. 用4通道數字化儀對隨機放電信號進行采集的方案流程圖

由上面的流程框圖可知,該方案利用數字化儀的4路通道,同步采集來自不同位置的隨機放電信號,實際采集效果如圖6所示。借助數字化儀的通道觸發功能,判斷各位置信號到達的先后順序,從而確定放電源的大致方位。再利用時間戳功能獲取精確的時間信息,進而實現對放電源距離的測量。

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6. 利用數字化儀QT12131+DC采集到的隨機放電信號

結論


綜上所述,UHF技術的本質是利用了高速ADC對高頻寬帶信號進行采集和處理,所以隨著技術的進步與發展,原理完全類似的數字化儀方案也逐漸被引入到該應用中。數字化儀具備以下顯著特點,使其成為局部放電應用中不可或缺的工具:

1. 卓越的多通道擴展性:相比各種局部放電檢測設備,能夠更高效地進行多路信號同步采集,輕松應對多點監測需求。

2. 精準的同步與觸發采集功能:可以有效捕捉瞬時窄脈沖信號,確保關鍵數據不丟失,為精確分析提供保障。

3. 強大的專業功能自定義與二次開發能力:憑借開放的軟件架構,滿足專業客戶的個性化需求,實現定制化功能開發。

4. 出色的便攜性與系統集成性:小巧輕便、低功耗且具備大存儲容量,便于集成到復雜測試系統中,適應多樣化的應用場景。

5. 顯著的成本優勢:采用模塊化設計,在保證性能的同時,成本大幅低于臺式儀器,降低用戶的設備投資成本。


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