作者：David Zhang  公司：駿龍科技

隨著我國高壓電的快速發展，電氣設備的安全問題也越來越受國家的重視。電氣設備如特高壓變壓器、GIS、開關柜、高壓電纜以及高壓斷路器等，其局部放電的檢測技術就顯得尤為重要，關系到這些電氣設備的運行安全。ADI 在局放檢測領域擁有領先的解決方案，滿足各類高壓電氣設備局部放電的檢測，確保安全隱患的及時排查，為我國高壓電力傳輸保駕護航。

什么是局部放電現象

絕緣體中只有局部區域發生的放電，而沒有貫穿施加電壓的導體之間，放電可以發生在導體附近，也可以發生在其他區域，我們稱之為局部放電現象。這種現象一般是指高壓電氣設備的局部放電，這是造成高壓電氣設備發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

當電氣設備絕緣介質內部發生局部放電時，往往會伴隨許多現象。有些是屬于電的現象，比如電脈沖的產生；還有一些是非電現象，比如聲音、振動、光以及相關的化學變化引起的局部發熱等。

上文提及的局部放電現象是衡量絕緣惡化的指征，隨著放電的發生所產生的不良化合物會慢慢損壞絕緣體，最后導致絕緣被擊穿，發生電氣設備突發性故障。

局部放電類型

-內部放電

造成內部局部放電的常見原因是固體絕緣體內部存在氣隙，或液體絕緣內部存在氣泡。絕緣內部氣隙發生放電的機理隨氣壓和電極系統的變化而異。根據放電過程，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，內部放電的放電圖形在工頻正、負半波是對稱的。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生沿氣隙或氣泡壁表面放電等原因，所以實際的正、負工頻周期放電圖形是不完全對稱的，而且與電極系統的形式有很大的關系：電極系統結構越對稱，正、負工頻周期放電圖形就更對稱。

-表面放電

在電氣設備的高電壓端，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，另一端是電極。如果電極系統是不對稱的，發生在工頻正、負半波的放電圖形也是不對稱的。當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少，負半周放電次數多而放電量小。如果電極系統相反，則放電圖形也相反。

-電暈放電

電暈放電通常發生在高壓導體周圍完全是氣體的情況下。由于氣體中的分子自由移動，放電產生的帶電質點不會固定在空間某一位置上。對于針-板電極系統，針尖附近場強最高而發生放電，由于負極性時容易發射電子，同時正離子撞擊陰極發生二次電子發射，使得放電在負極性時最先出現。當外加電壓較低時，電暈放電脈沖出現在外加電壓負半周 90° 相位附近，并幾乎對稱于 90°；當電壓升高時，正半周會出現少量幅值大的放電脈沖。

局部放電的監測方法

發生局部放電時往往會伴隨多種物理現象，而局放的監測方法正是從這些電、聲、光、熱、振動、化學變化現象中提取出相關的信號，并進行信號的處理和分析，從而判斷絕緣體劣化的程度。ADI 的局放監測解決方案主要關注以下表（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，不同局放檢測產品會根據待檢測的電氣設備的類型及特點，進行主要特性的信號頻段檢測。并非一個局放檢測產品同時具備檢測所有相關頻段的信號，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

在電氣設備因局部放電產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，設計簡單，成本低

-超聲信號檢測方案

電氣設備因局放產生的超聲信號中，頻率范圍通常在20KHz - 300KHz之間，同時也會進行多測量點檢測，一般也需要檢測多路信號，ADI 關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，設計簡單，高動態范圍

-HFCT 高頻電流檢測方案 

局部放電產生的高脈沖信號，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，設計簡單，成本低

-TEV 暫態地電壓檢測方案 

TEV 暫態地電壓檢測范圍為20MHz - 100MHz，目前通常的做法也是采用信號直采的方式，ADC 采樣率一般要求達到200M SPS以上，ADI 推薦的 TEV 暫態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）檢測技術針對300MHz - 1500MHz頻率范圍。UHF 檢測技術具有高檢測靈敏度，廣泛用于氣體絕緣開關設備（GIS）、變壓器和環網柜 （RMU）的局部放電在線監測系統中。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理單元：

圖6 UHF 局放檢測前端方案

-第一級信號調理單元

第一級為射頻增益模塊 ADL5611。ADL5611 具有2.1 dB低噪聲系數（NF）和21 dBm高 P1 dB，可提供高動態范圍；它還具有22 dB增益，在300 MHz - 1500 Mhz UHF PD工作頻率內其增益極為平坦，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 檢測應用。

-第二級信號調理單元

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。

-第三級信號調理單元

第三級使用兩個單刀四擲（SP4T）射頻開關 HMC7992 來實現頻段選擇電路：

-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，可以進一步提供帶外干擾抑制。

-第五級信號調理單元

最后一級是RF對數檢波器 ADL5513，它將UHF PD信號轉化為幾十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信號轉化為數字信號。對于PD檢測應用，所需的RF檢波器主要特性為響應時間和動態范圍。ADL5513 具有低至20 ns的響應時間和高至80 dB的動態范圍，適合用于PD檢測應用。RF對數檢波器 AD8318 也適用于PD檢測應用。與 ADL5513 相比，AD8318 的響應時間更快，但動態范圍稍小。

-UHF 局放檢測前端方案特點

高靈敏度，高動態范圍，成本低

總結

根據 IEC 60270 標準，局部放電被廣泛認為是電網內的電氣資產絕緣老化的最佳預警指示。不同電氣設備會發生不同類型的局部放電，只有準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，獲取更加準確的檢測結果。ADI 有著業內先進的局放檢測技術，能更好為電力設備的安全保駕護航。

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參考資料

局部放電_百度百科   

局部放電的定義_局部放電的類型和特點