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ADI 局部放电检测技术解决方案

ADI Partial Discharge Detection Technology Solution 2

随着我国高压电的快速发展,电气设备的安全问题也越来越受国家的重视。电气设备如特高压变压器、GIS、开关柜、高压电缆以及高压断路器等,其局部放电的检测技术就显得尤为重要,关系到这些电气设备的运行安全。ADI 在局放检测领域拥有领先的解决方案,满足各类高压电气设备局部放电的检测,确保安全隐患的及时排查,为我国高压电力传输保驾护航。

什么是局部放电现象

绝缘体中只有局部区域发生的放电,而没有贯穿施加电压的导体之间,放电可以发生在导体附近,也可以发生在其他区域,我们称之为局部放电现象。这种现象一般是指高压电气设备的局部放电,这是造成高压电气设备发生绝缘击穿的主要原因,也是衡量绝缘恶化的重要指征。

局部放电的特点和危害

当电气设备绝缘介质内部发生局部放电时,往往会伴随许多现象。有些是属于电的现象,比如电脉冲的产生;还有一些是非电现象,比如声音、振动、光以及相关的化学变化引起的局部发热等。

 

上文提及的局部放电现象是衡量绝缘恶化的指征,随着放电的发生所产生的不良化合物会慢慢损坏绝缘体,最后导致绝缘被击穿,发生电气设备突发性故障。

局部放电类型

内部放电

造成内部局部放电的常见原因是固体绝缘体内部存在气隙,或液体绝缘内部存在气泡。绝缘内部气隙发生放电的机理随气压和电极系统的变化而异。根据放电过程,可分为电子碰撞电离放电和流注放电两类;从放电形式上,可分为脉冲型 (火花型) 放电和非脉冲型 (辉光型) 放电两种基本形式。

 

一般情况下,局部放电都属于脉冲型放电,可以在外加工频电压的一定相位上观察到单个分离的放电脉冲。在理论上,内部放电的放电图形在工频正、负半波是对称的。但由于气隙或气泡周围绝缘材料的绝缘电阻,并非是理想情况下的无穷大,同时在放电中可能发生沿气隙或气泡壁表面放电等原因,所以实际的正、负工频周期放电图形是不完全对称的,而且与电极系统的形式有很大的关系:电极系统结构越对称,正、负工频周期放电图形就更对称。

表面放电

在电气设备的高电压端,由于电场集中,沿面放电场强又比较低,往往会产生表面局部放电。绝缘体表面放电的过程及机理,它与绝缘体内部气隙或气泡放电的过程及机理相似,不同的是放电空间一端是绝缘介质,另一端是电极。如果电极系统是不对称的,发生在工频正、负半波的放电图形也是不对称的。当放电的一端是高压电极,不放电的电极接地时,正半周放电量大而次数少,负半周放电次数多而放电量小。如果电极系统相反,则放电图形也相反。

电晕放电

电晕放电通常发生在高压导体周围完全是气体的情况下。由于气体中的分子自由移动,放电产生的带电质点不会固定在空间某一位置上。对于针-板电极系统,针尖附近场强最高而发生放电,由于负极性时容易发射电子,同时正离子撞击阴极发生二次电子发射,使得放电在负极性时最先出现。当外加电压较低时,电晕放电脉冲出现在外加电压负半周 90° 相位附近,并几乎对称于 90°;当电压升高时,正半周会出现少量幅值大的放电脉冲。

局部放电的监测方法

发生局部放电时往往会伴随多种物理现象,而局放的监测方法正是从这些电、声、光、热、振动、化学变化现象中提取出相关的信号,并进行信号的处理和分析,从而判断绝缘体劣化的程度。ADI 的局放监测解决方案主要关注以下表(表1)频段范围:

表1 局放信号类型和频段范围
测量方法频段范围
振动LF-20KHz
超声波20KHz - 300KHz
HF 高频300KHz - 30MHz
TEV 暂态地电压20MHz - 100MHz
UHF 特高频300MHz - 1500MHz

在针对不同频段信号检测时,不同局放检测产品会根据待检测的电气设备的类型及特点,进行主要特性的信号频段检测。并非一个局放检测产品同时具备检测所有相关频段的信号,比如在特高压变压器局放检测中往往会检测振动、工频、超声波、TEV 等频段信号,而 GIS 局放检测中通常只会检测 UHF 频段的信号。不同频段信号代表不同的局放放电机理和类型。

ADI 局放检测解决方案推荐

振动信号检测方案

在电气设备因局部放电产生的振动信号检测中,ADI 独有的 MEMS ADXL1002 单轴加速计及ADXL1002 IEPE 模块,搭配 ADI 精密信号链方案,可以提供优异的解决方案,如下图(图1)所示的单通道振动检测和图2所示的多通道振动检测:

Figure 1- Single-channel vibration detection solution
图1 单通道振动检测方案

单通道振动检测方案特点

高精度,超低功耗,整体尺寸小,噪声低,成本低

图2 多通道振动检测方案
图2 多通道振动检测方案

多通道振动检测方案特点

高精度,高集成度,设计简单,成本低

超声信号检测方案

电气设备因局放产生的超声信号中,频率范围通常在20KHz - 300KHz之间,同时也会进行多测量点检测,一般也需要检测多路信号,ADI 关于超声信号的多通道解决方案如下图(图3)所示:

Figure 3-Multi-channel ultrasound inspection solution
图3 多通道超声检测方案

多通道超声检测方案特点

高集成度,设计简单,高动态范围

HFCT 高频电流检测方案

局部放电产生的高脉冲信号,该信号频段一般在300KHz - 30MHz之间,通常的做法是选用高速ADC做信号直采, HFCT 直采方案如下图(图4)所示:

Figure 4 HFCT signal direct acquisition scheme 2
图4 HFCT 信号直接采集方案

HFCT 信号直接采集方案特点

高信噪比,设计简单,成本低

TEV 暂态地电压检测方案

TEV 暂态地电压检测范围为20MHz - 100MHz,目前通常的做法也是采用信号直采的方式,ADC 采样率一般要求达到200M SPS以上,ADI 推荐的 TEV 暂态低电压检测方案如下图(图5)所示:

Figure 5 TEV signal direct acquisition scheme 1
图5 TEV 信号直接采集方案

TEV 信号直接采集方案特点

高灵敏度,设计简单,成本低

UHF 特高频信号采集方案

超高频率(UHF)检测技术针对300MHz - 1500MHz频率范围。UHF 检测技术具有高检测灵敏度,广泛用于气体绝缘开关设备(GIS)、变压器和环网柜 (RMU)的局部放电在线监测系统中。ADI 推荐的UHF 局放检测前端方案如下图(图6)所示,它包括了五级信号调理单元:

Figure 6 UHF local discharge detection front-end solution
图6 UHF 局放检测前端方案

第一级信号调理单元

第一级为射频增益模块 ADL5611。ADL5611 具有2.1 dB低噪声系数(NF)和21 dBm高 P1 dB,可提供高动态范围;它还具有22 dB增益,在300 MHz - 1500 Mhz UHF PD工作频率内其增益极为平坦,含有低于0.4 dB的增益纹波。这些特性使得 ADL5611 非常适合 UHF PD 检测应用。

第二级信号调理单元

第二级是基于电感电容的300 MHz - 1500 MHz的带通滤波器 (BPF),该滤波器提供带外干扰抑制。

第三级信号调理单元

第三级使用两个单刀四掷(SP4T)射频开关 HMC7992 来实现频段选择电路:

  • 第1条RF路径是直流至800 MHz低通路径
  • 第2条RF路径是1 GHz高通路径
  • 第3条路径是800 MHz - 1 GHz的带阻路径
  • 第4条路径为直通路径

根据不同的RF路径选择,适配不同的RF频段,在没有干扰或干扰最小的频段内捕捉PD脉冲。HMC7992 具有0.6 dB低插入损耗、45 dB高隔离度和33 dBm的高P0.1 dB。

第四级信号调理单元

第四级是一个300 MHz - 1500 MHz BPF,这与第2阶段使用的 BPF 相同,可以进一步提供带外干扰抑制。

第五级信号调理单元

最后一级是RF对数检波器 ADL5513,它将UHF PD信号转化为几十MHz的低频信号,所以可以使用采样速率是 40 MSPS 或 65 MSPS 的 ADC 将模拟PD信号转化为数字信号。对于PD检测应用,所需的RF检波器主要特性为响应时间和动态范围。ADL5513 具有低至20 ns的响应时间和高至80 dB的动态范围,适合用于PD检测应用。RF对数检波器 AD8318 也适用于PD检测应用。与 ADL5513 相比,AD8318 的响应时间更快,但动态范围稍小。

UHF 局放检测前端方案特点

高灵敏度,高动态范围,成本低

总结

根据 IEC 60270 标准,局部放电被广泛认为是电网内的电气资产绝缘老化的最佳预警指示。不同电气设备会发生不同类型的局部放电,只有准确地检测放电信号的特性,才能更好判断绝缘体的恶化程度,获取更加准确的检测结果。ADI 有着业内先进的局放检测技术,能更好为电力设备的安全保驾护航。欲了解更多技术细节和 ADI 相关方案,您可以点击下方「联系我们」,提交您的需求,我们骏龙科技公司愿意为您提供更详细的技术解答。

参考资料

更多信息: