引言

根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 60270的定義，局部放電（Partial Discharge，簡(jiǎn)稱PD）是指在電氣絕緣系統(tǒng)中，由于局部區(qū)域的電場(chǎng)強(qiáng)度超過(guò)其絕緣材料的擊穿強(qiáng)度，從而在絕緣體局部區(qū)域發(fā)生的瞬間放電現(xiàn)象，通常這種放電表現(xiàn)為持續(xù)時(shí)間小于1μs的脈沖。局部放電是一種常見(jiàn)的電力設(shè)備故障前兆，廣泛存在于變壓器、電纜等高壓電器設(shè)備，物理本質(zhì)是強(qiáng)電場(chǎng)下介質(zhì)局部區(qū)域的電離擊穿與能量釋放過(guò)程。由于局部放電并不足以引起完全的電氣擊穿，其持續(xù)存在會(huì)導(dǎo)致絕緣性能下降，最終引發(fā)重大電力事故，因此對(duì)絕緣體的局部放電檢測(cè)是一項(xiàng)具有重要意義的安全檢驗(yàn)。

傳統(tǒng)的局部放電檢測(cè)技術(shù)（如脈沖電流法、超聲波法，參考圖1）在復(fù)雜電磁環(huán)境中普遍面臨準(zhǔn)確性低、抗干擾性能弱的技術(shù)瓶頸。

圖1. 左為脈沖電流法，右為超聲波法

不過(guò)局部放電檢測(cè)的技術(shù)也在不斷更新中，其中特高頻法（Ultra High Frequency，簡(jiǎn)稱UHF，國(guó)內(nèi)有的地方也翻譯成“超高頻”，本文沿用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的名稱）是目前局部放電高端檢測(cè)設(shè)備中較為常見(jiàn)的方法。與傳統(tǒng)方法相比，UHF技術(shù)測(cè)量精度更高，受外部電磁干擾影響較小，適合在現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境中長(zhǎng)期運(yùn)行。下面將結(jié)合UHF技術(shù)原理和具體案例，來(lái)詳細(xì)說(shuō)明數(shù)字化儀在局部放電中的應(yīng)用。

一、UHF技術(shù)原理

局部放電檢測(cè)不同方法的共性都是將放電信息傳輸至采集設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、處理和顯示。此外，為了進(jìn)一步驗(yàn)證局部放電信號(hào)的特征，有時(shí)還需對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和二次處理。局部放電的信號(hào)特征如下表1所示：

表1. 局部放電的信號(hào)特征

UHF方法的原理在于，每一次局部放電過(guò)程都伴隨著正負(fù)電荷的中和，產(chǎn)生的脈沖電流會(huì)輻射出高頻分量比較豐富的電磁波信號(hào)，最高頻率可達(dá)數(shù)GHz，通過(guò)天線作為傳感器接收局部放電過(guò)程輻射的UHF電磁波，再通過(guò)ADC采樣將接收到的電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最后通過(guò)特定的信號(hào)處理硬件和專用算法（如包絡(luò)提取）即可實(shí)現(xiàn)局部放電的檢測(cè)。

業(yè)界基于UHF技術(shù)原理的產(chǎn)品類型主要包括：手持式巡檢儀、臺(tái)式檢測(cè)儀、在線式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、高端實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)系統(tǒng)等，在應(yīng)用方面特別適合GIS（Gas Insulated Switchgear，氣體絕緣開(kāi)關(guān)設(shè)備）、變壓器等電力設(shè)備的檢測(cè)。

二、信號(hào)采集需求痛點(diǎn)

雖然業(yè)界已經(jīng)普遍擁有各種不同類型的UHF檢測(cè)儀器或設(shè)備或系統(tǒng)，但針對(duì)局部放電的信號(hào)采集需求，用戶仍然會(huì)有一些常見(jiàn)的痛點(diǎn)，總結(jié)如下：

1采樣率與帶寬的限制

局部放電脈沖持續(xù)時(shí)間極短，需高采樣率（如GS/s級(jí)）才能準(zhǔn)確還原波形。臺(tái)式高端局部放電檢測(cè)儀的帶寬和采樣率都可以滿足要求，但普遍體積龐大、移動(dòng)不便，只適合放在實(shí)驗(yàn)室作為專門的測(cè)試設(shè)備，而普通手持式巡檢儀則帶寬與采樣率不夠，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)采集失真或遺漏。

2垂直分辨率的限制

高端臺(tái)式檢測(cè)儀在高采樣率和高帶寬的配置條件下，通常無(wú)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(hào)變得非常困難。

3觸發(fā)功能單一

局部放電的信號(hào)幅值小且隨機(jī)性強(qiáng)，專用UHF局部放電檢測(cè)儀雖然專門針對(duì)放電特征而設(shè)計(jì)，但常受限于觸發(fā)能力單一（很多國(guó)產(chǎn)中低端檢測(cè)儀僅支持幅值觸發(fā)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)相位關(guān)聯(lián)觸發(fā)），面對(duì)這種局部放電信號(hào)基本是無(wú)能為力的，所以很可能無(wú)法穩(wěn)定捕捉微弱或復(fù)雜的信號(hào)。

4采集存儲(chǔ)深度不夠

長(zhǎng)時(shí)間采集信號(hào)需要大存儲(chǔ)容量，普通UHF檢測(cè)儀的存儲(chǔ)深度通常都不是為連續(xù)采集數(shù)據(jù)而設(shè)計(jì)的，無(wú)法滿足長(zhǎng)時(shí)間記錄數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)需求，所以存儲(chǔ)深度會(huì)依賴外部設(shè)備（如外掛硬盤），導(dǎo)致觸發(fā)間隙丟失數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)升高。

5數(shù)據(jù)分析功能受限

并非所有的局部放電檢測(cè)儀都具備局部放電特征參數(shù)（如相位分布圖譜、相位分辨分析等）的分析與統(tǒng)計(jì)功能，而這些功能恰好對(duì)應(yīng)的是局部放電專業(yè)領(lǐng)域的需求，其實(shí)是很重要的。

6便攜性與高性能無(wú)法兼顧

變電站、輸電線路、高鐵等戶外檢測(cè)場(chǎng)景中，局部放電現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)所需的設(shè)備都是需要便攜的。能滿足帶寬和采樣率要求的高端臺(tái)式檢測(cè)儀通常沒(méi)有移動(dòng)電源，加上體積與重量的限制，不易攜帶，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)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(wú)法滿足高性能檢測(cè)需求。

三、數(shù)字化儀的優(yōu)勢(shì)

數(shù)字化儀作為一種高性能數(shù)據(jù)采集設(shè)備，在局部放電檢測(cè)中展現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠有效提升檢測(cè)精度、抗干擾能力和數(shù)據(jù)分析效率。其優(yōu)勢(shì)如下：

- 01 -高采樣率

數(shù)字化儀的采樣率可達(dá)GS/s，能夠精確捕捉局部放電產(chǎn)生的超高頻（UHF）或高頻（HF）瞬態(tài)脈沖（脈寬低至 ns 級(jí)）。相較于普通局部放電檢測(cè)儀的采樣率，數(shù)字化儀是專門強(qiáng)調(diào)以高采樣率為核心指標(biāo)、專注于高速數(shù)據(jù)采集的高精度設(shè)備。

- 02 -高分辨率

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

- 03 -更強(qiáng)大的觸發(fā)能力

數(shù)字化儀相較于普通局部放電檢測(cè)儀的觸發(fā)功能可謂是豐富而強(qiáng)大，因?yàn)閿?shù)字化儀支持算法級(jí)可編程觸發(fā)?（如局部放電檢測(cè)中需同時(shí)滿足相位相關(guān)性、脈沖簇密度、幅值變化率等復(fù)合條件），以及脈寬/斜率/相位窗口組合觸發(fā)等更智能的觸發(fā)方式。

- 04 -超大的采集存儲(chǔ)深度

數(shù)字化儀通常配備比普通局部放電檢測(cè)儀更高的板載緩存，而且支持多通道擴(kuò)展存儲(chǔ)架構(gòu)，可輕松配置出TB級(jí)的存儲(chǔ)空間。而且，數(shù)字化儀因?yàn)椴捎肞CIe等高速總線架構(gòu)，可以輕松實(shí)現(xiàn)GB/s級(jí)別的數(shù)據(jù)吞吐率，遠(yuǎn)超任何類型的局部放電檢測(cè)儀。

- 05 -強(qiáng)大的分析功能

數(shù)字化儀可以與工頻電壓信號(hào)進(jìn)行精確的相位同步，將局部放電信號(hào)與工頻電壓的相位關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)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(nèi)的分布情況。PRPD圖譜可以顯示放電的強(qiáng)度和頻率分布，幫助評(píng)估放電的嚴(yán)重程度，并分析放電的發(fā)展趨勢(shì)，為故障預(yù)測(cè)提供依據(jù)。另外，數(shù)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(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)管理、高級(jí)統(tǒng)計(jì)分析等多種專業(yè)功能。

- 06 -高性能與便攜性兼顧

數(shù)字化儀因?yàn)槭悄K化架構(gòu)?，所以更容易實(shí)現(xiàn)?高采樣率、小體積、低功耗?。相較于便攜式或臺(tái)式的局部放電檢測(cè)儀，數(shù)字化儀在局部放電檢測(cè)中憑借輕量化設(shè)計(jì)、靈活擴(kuò)展性和便攜性，可以很容易支持移動(dòng)巡檢、分布式在線監(jiān)測(cè)（GIS設(shè)備）、電纜隧道監(jiān)測(cè)、機(jī)架部署與復(fù)雜的系統(tǒng)集成等，通過(guò)高精度采集、多維度分析等強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)高性能與便攜性的兼顧。

除此以外，數(shù)字化儀還有以下特性和優(yōu)勢(shì)：

- 07 -更高的有效位數(shù)

數(shù)字化儀通過(guò)專用ADC架構(gòu)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(shù)（ENOB），而局部放電檢測(cè)儀和數(shù)字示波器類似，由于硬件架構(gòu)和多級(jí)信號(hào)鏈的緣故，通常在高采樣率下的有效位數(shù)會(huì)顯著降低，所以同樣都是基于ADC原理，數(shù)字化儀更能確保微弱放電脈沖觸發(fā)的可靠性。

- 08 -多通道同步采集

數(shù)字化儀通常支持2~8通道同步采集，而且擴(kuò)展出更多通道也很容易，所以能夠同時(shí)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(shí)采集可以探測(cè)放電信號(hào)的快慢與強(qiáng)弱，實(shí)現(xiàn)電-聲-電磁聯(lián)合檢測(cè)，提供更全面的放電信息；通過(guò)對(duì)不同位置傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行分析，可以更準(zhǔn)確地定位放電源的位置。

- 09 -實(shí)時(shí)處理

數(shù)字化儀內(nèi)置的FPGA可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)處理（如濾波、降噪、脈沖提取、峰值檢測(cè)等），從而減少后端計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)處理效率。

通過(guò)上述列舉數(shù)字化儀在局部放電中的優(yōu)勢(shì)，用戶可以很清楚地了解到數(shù)字化儀不僅解決了普通局部放電檢測(cè)儀在應(yīng)用中的痛點(diǎn)，還表現(xiàn)出專業(yè)檢測(cè)工具才擁有的特質(zhì)。

四、具體案例和解決方案

案例一：某電力客戶選擇德國(guó)Spectrum公司的數(shù)字化儀產(chǎn)品，目的是為了模擬局部放電的脈沖電流經(jīng)過(guò)高頻傳感器之后完成信號(hào)采集這一完整過(guò)程，具體方案流程如下圖2所示：

圖2. 局部放電的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)高頻傳感器的采集方案流程圖

按照上圖2的流程完成實(shí)物連接，如下圖3顯示。該系統(tǒng)中高壓電源輸出端通過(guò)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(guò)檢測(cè)阻抗（通常為50Ω或1kΩ）接地，形成回路。通過(guò)線纜將脈沖電流傳導(dǎo)出去，經(jīng)過(guò)安裝的高頻傳感器檢測(cè)高頻電流信號(hào)，通過(guò)傳感器的BNC輸出接口將信號(hào)傳輸出去，最終由數(shù)字化儀采集設(shè)備進(jìn)行采集顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

該數(shù)字化儀采型號(hào)為M4i.2211-x8，采用PCIe接口，可實(shí)現(xiàn)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(shè)置不同的采樣率，滿足不同帶寬信號(hào)的采集要求。在模擬過(guò)程中，高壓電源系統(tǒng)產(chǎn)生不同大小的放電信號(hào)，隨著高壓電源產(chǎn)生放電信號(hào)的減弱，傳感器接收并轉(zhuǎn)換的信號(hào)也會(huì)隨之變小，利用數(shù)字化儀的通道觸發(fā)可以有效采集信號(hào)并捕獲信號(hào)的變化（如圖3所示）。

圖3. 數(shù)字化儀通過(guò)高頻傳感器采集到的局部放電信號(hào)示意圖

在檢測(cè)到微弱信號(hào)時(shí)，可預(yù)先設(shè)定一個(gè)略高于背景噪聲的閾值，只有當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度超過(guò)此閾值時(shí)，數(shù)字化儀才啟動(dòng)采集工作。利用數(shù)字化儀的頻譜分析功能，能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行深入處理，從而實(shí)現(xiàn)相位信息的精確計(jì)算（如圖4），這對(duì)于分析信號(hào)的特性和來(lái)源具有重要意義。此外，考慮到局部放電檢測(cè)可能需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)的需求，理想的數(shù)字化儀應(yīng)具備將采集到的數(shù)據(jù)持續(xù)存儲(chǔ)至硬盤的能力，以便完整記錄某段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的全部放電信息，為后續(xù)的詳細(xì)分析和處理提供全面的數(shù)據(jù)支持。

圖4. 左邊為數(shù)字化儀的時(shí)域和頻域圖，右邊為局部放電關(guān)注的相位圖

案例二：某電力檢測(cè)公司客戶選擇坤馳科技自研的數(shù)字化儀（型號(hào)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(jī)放電信號(hào)通過(guò)數(shù)字化儀的4通道進(jìn)行采集，用于判斷信號(hào)的方位與距離測(cè)量。具體方案流程如下圖5所示（圖中的圓圈表示每個(gè)通道等待信號(hào)的過(guò)程）：

圖5. 用4通道數(shù)字化儀對(duì)隨機(jī)放電信號(hào)進(jìn)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(shù)字化儀的4路通道，同步采集來(lái)自不同位置的隨機(jī)放電信號(hào)，實(shí)際采集效果如圖6所示。借助數(shù)字化儀的通道觸發(fā)功能，判斷各位置信號(hào)到達(dá)的先后順序，從而確定放電源的大致方位。再利用時(shí)間戳功能獲取精確的時(shí)間信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)放電源距離的測(cè)量。

圖6. 利用數(shù)字化儀QT12131+DC采集到的隨機(jī)放電信號(hào)

五、結(jié)論

綜上所述，UHF技術(shù)的本質(zhì)是利用了高速ADC對(duì)高頻寬帶信號(hào)進(jìn)行采集和處理，所以隨著技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，原理完全類似的數(shù)字化儀方案也逐漸被引入到該應(yīng)用中。數(shù)字化儀具備以下顯著特點(diǎn)，使其成為局部放電應(yīng)用中不可或缺的工具：

1. 卓越的多通道擴(kuò)展性：相比各種局部放電檢測(cè)設(shè)備，能夠更高效地進(jìn)行多路信號(hào)同步采集，輕松應(yīng)對(duì)多點(diǎn)監(jiān)測(cè)需求。

2. 精準(zhǔn)的同步與觸發(fā)采集功能：可以有效捕捉瞬時(shí)窄脈沖信號(hào)，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)不丟失，為精確分析提供保障。

3. 強(qiáng)大的專業(yè)功能自定義與二次開(kāi)發(fā)能力：憑借開(kāi)放的軟件架構(gòu)，滿足專業(yè)客戶的個(gè)性化需求，實(shí)現(xiàn)定制化功能開(kāi)發(fā)。

4. 出色的便攜性與系統(tǒng)集成性：小巧輕便、低功耗且具備大存儲(chǔ)容量，便于集成到復(fù)雜測(cè)試系統(tǒng)中，適應(yīng)多樣化的應(yīng)用場(chǎng)景。

5. 顯著的成本優(yōu)勢(shì)：采用模塊化設(shè)計(jì)，在保證性能的同時(shí)，成本大幅低于臺(tái)式儀器，降低用戶的設(shè)備投資成本。

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審核編輯 黃宇