UHF局部放電信號(hào)包絡(luò)檢波電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

代少升，楊 雨，聶合文，易偉男

(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065)

0 引 言

隨著高壓電力系統(tǒng)的快速發(fā)展，氣體絕緣組合電器(gas insulated switchgear，GIS)設(shè)備得到了大量應(yīng)用，為了保證GIS設(shè)備的安全運(yùn)行，需要時(shí)刻關(guān)注現(xiàn)場(chǎng)GIS絕緣缺陷劣化的程度，避免絕緣擊穿帶來(lái)的嚴(yán)重事故[1-3]。局部放電是GIS絕緣缺陷劣化的一種表現(xiàn)形式，相對(duì)于化學(xué)檢測(cè)法、紅外檢測(cè)法、光測(cè)法和超聲波法等眾多局部放電檢測(cè)方法，特高頻(ultra high frequency，UHF)法具有靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、可識(shí)別故障類型等優(yōu)點(diǎn)，是目前應(yīng)用最普遍、效果最佳、技術(shù)最成熟的一種方法[4-5]。而且能夠?qū)崿F(xiàn)帶電檢測(cè)與長(zhǎng)期在線檢測(cè)，因此，通過(guò)對(duì)局部放電(partial discharge，PD)產(chǎn)生的UHF信號(hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，可以有效達(dá)到對(duì)GIS絕緣缺陷劣化程度的實(shí)時(shí)檢測(cè)診斷[6-7]。

GIS局部放電所輻射出的UHF信號(hào)的特性與放電類型、放電強(qiáng)度、傳播途徑等有密切的關(guān)系[8-9]。PD產(chǎn)生的UHF原始信號(hào)頻率大多分布在300 MHz～1.5 GHz，直接對(duì)其進(jìn)行采樣和處理，雖然可以最大程度保留PD信號(hào)所攜帶的GIS缺陷信息，但要求系統(tǒng)的采樣率高達(dá)數(shù)GHz，而且數(shù)據(jù)量巨大，使得系統(tǒng)造價(jià)昂貴，工程應(yīng)用困難[10]。為了解決以上問(wèn)題，目前使用較普遍的方式是通過(guò)包絡(luò)檢波電路提取UHF信號(hào)的包絡(luò)波形，一方面其包絡(luò)波形保留了PD缺陷的特征信息，另一方面大大降低了系統(tǒng)的采樣率和數(shù)據(jù)量。因此，設(shè)計(jì)一種適用于提取PD產(chǎn)生的UHF信號(hào)包絡(luò)波形的檢波電路具有重要意義[11-13]。

目前，針對(duì)GIS局部放電產(chǎn)生UHF信號(hào)的包絡(luò)檢波電路的研究文獻(xiàn)較少，公開文獻(xiàn)中大多僅僅只對(duì)常規(guī)包絡(luò)檢波的基本原理做了簡(jiǎn)單介紹，極少數(shù)對(duì)局部放電UHF信號(hào)的包絡(luò)電路進(jìn)行了軟件仿真研究，雖然軟件仿真對(duì)工程實(shí)現(xiàn)具有一定的指導(dǎo)意義，但軟件仿真中的UHF信號(hào)模型和包絡(luò)檢波電路模型，與實(shí)際GIS局部放電產(chǎn)生的UHF信號(hào)和包絡(luò)檢波電路在參數(shù)性能上會(huì)存在一定的差距，導(dǎo)致無(wú)法真實(shí)反應(yīng)實(shí)際工程中的包絡(luò)效果[14-15]。本文根據(jù)PD產(chǎn)生的UHF信號(hào)所具有的特性，搭建了應(yīng)用于提取PD產(chǎn)生的UHF信號(hào)包絡(luò)波形的檢波電路，并對(duì)PD產(chǎn)生的UHF信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)提取測(cè)試，從而驗(yàn)證該檢波電路的包絡(luò)提取效果。

1 特高頻包絡(luò)檢波電路的特性

1.1 GIS局部放電UHF信號(hào)的特點(diǎn)

有關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果表明，各類典型局部放電信號(hào)頻率大多分布在300 MHz～1.5 GHz，其中，上升沿較為陡峭，上升時(shí)間一般在10 ns左右，下降沿較為平緩，下降時(shí)間一般在100 ns左右。為了滿足電路測(cè)試的需要，實(shí)際測(cè)試中使用穩(wěn)定脈沖源，經(jīng)由UHF天線產(chǎn)生局部放電信號(hào)，該仿真信號(hào)源數(shù)學(xué)模型為單指數(shù)衰減振蕩函數(shù)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

f(t)=Ae-t/τsin(2πfct)

(1)

(1)式中：A為幅值；fc為衰減振蕩頻率。使用示波器，采用5 GHz的采樣率對(duì)實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的UHF信號(hào)波形進(jìn)行觀測(cè)，實(shí)測(cè)UHF信號(hào)波形如圖1，從圖1可以看出：①UHF信號(hào)的持續(xù)時(shí)間為納秒級(jí)，其中，上升時(shí)間大約為10 ns，下降時(shí)間大約為100 ns；②UHF信號(hào)由多種頻率的信號(hào)共同組成，且頻率分布較廣。

圖1 UHF信號(hào)波形

1.2 特高頻包絡(luò)檢波電路特點(diǎn)

基本的包絡(luò)檢波電路如圖2，其中，Rd為二極管的正向?qū)娮?，C為負(fù)載電容，R為負(fù)載電阻，通過(guò)二極管的單向?qū)ㄐ院碗娙莸膬?chǔ)能功能完成對(duì)信號(hào)包絡(luò)波形的提取。常規(guī)的包絡(luò)檢波電路多用在對(duì)調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)，其調(diào)制信號(hào)的頻率一般較低，且載波信號(hào)頻率單一固定，因此不要求包絡(luò)檢波電路具有很快的響應(yīng)速度，充放電時(shí)間常數(shù)設(shè)置也相對(duì)容易。而GIS局部放電產(chǎn)生的UHF信號(hào)波形上升速度很快，時(shí)間低至幾納秒左右，下降速度相對(duì)較慢，但也在幾十納秒左右。二極管是非線性器件，其正向?qū)娮枳柚荡笮「鶕?jù)流過(guò)其自身電流大小的不同而不同，當(dāng)二極管中流過(guò)的電流較小時(shí)，其正向?qū)娮枳柚递^大，使得二極管檢波電路的充電時(shí)間常數(shù)較大，很難滿足UHF信號(hào)對(duì)檢波電路響應(yīng)速度的要求，因此，為了使其適用于對(duì)PD產(chǎn)生的UHF信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)波形提取，需要根據(jù)UHF信號(hào)的特性，為檢波二極管提供一個(gè)合適的偏置電流，從而減小二極管的正向?qū)娮?，提高包絡(luò)檢波電路的響應(yīng)速度。

圖2 包絡(luò)檢波電路

2 特高頻包絡(luò)檢波電路的設(shè)計(jì)

2.1 檢波二極管的選取

本文設(shè)計(jì)的檢波電路用于對(duì)PD產(chǎn)生的UHF信號(hào)包絡(luò)波形進(jìn)行提取，因此需要選用反向恢復(fù)時(shí)間較短的二極管，其中普通二極管的反向恢復(fù)時(shí)間大于500 ns；快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)時(shí)間在150～500 ns；超快速二極管的反向恢復(fù)時(shí)間在15～35 ns；肖特基勢(shì)壘二極管的反向恢復(fù)時(shí)間小于10 ns。根據(jù)PD產(chǎn)生的UHF信號(hào)的特點(diǎn)，本文選擇肖特基勢(shì)壘二極管用于包絡(luò)檢波，并且肖特基勢(shì)壘二極管還具有低串聯(lián)電阻、低開啟電壓、低失效率和良好的射頻特性等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)偏置或非偏置的信號(hào)檢測(cè)頻率可達(dá)到數(shù)GHz，適合用于對(duì)UHF信號(hào)的包絡(luò)檢波。

2.2 特高頻包絡(luò)檢波電路參數(shù)設(shè)置

GIS局部放電產(chǎn)生的UHF信號(hào)電壓上升到峰值的時(shí)間一般在10 ns左右，為了滿足UHF信號(hào)的響應(yīng)速度，要求包絡(luò)檢波電路的充電時(shí)間常數(shù)td應(yīng)遠(yuǎn)小于10 ns，td表達(dá)式為

td=Rd×C

(2)

理論上，td越小，包絡(luò)檢波電路的充電響應(yīng)速度越快，檢波出的包絡(luò)信號(hào)和原始信號(hào)之間的峰值誤差越小。但在實(shí)際電路中，由于器件本身固有參數(shù)和電路參數(shù)的限制，充電響應(yīng)時(shí)間無(wú)法達(dá)到無(wú)限小，因此，必須設(shè)置合適的Rd和C的參數(shù)值。理論上，為了使充電時(shí)間常數(shù)td足夠小，應(yīng)該選擇盡量小容值的電容C，但在實(shí)際電路中，由于印制線路板上的導(dǎo)線之間、電子元件之間和電路模塊之間等會(huì)產(chǎn)生雜散電容，特別在高頻情況下，雜散電容的影響不能被忽略，并且雜散電容實(shí)際上無(wú)法被消除，最有效的處理方法是盡可能減小雜散電容對(duì)電路造成的影響，電路中產(chǎn)生的雜散電容一般約為幾十飛法，如果選取的電容C容值過(guò)小，將導(dǎo)致充電時(shí)間常數(shù)有較大的誤差。因此，綜合考慮，本文在實(shí)際電路中選用皮法級(jí)大小的電容。

檢波二極管為非線性器件，可等效為非線性可變電阻，其等效模型如圖3，總電阻為

圖3 檢波二極管等效模型

Rd=Rs+Rj

(3)

(3)式中：Rs是二極管的寄生串聯(lián)電阻，為一固定阻值；Rj是二極管的結(jié)電阻，其阻值隨外部施加的偏置電流大小不同而變化。

Cj是二極管的寄生結(jié)電容，從本文所使用的射頻二極管的數(shù)據(jù)手冊(cè)中可知，Rs=6 Ω，Cj=0.7 pF，Rj表達(dá)式為

(4)

(4)式中：理想因子n=1.08；反向飽和電流Is=2.2E-8A；Ib為外部施加的偏置電流；T為絕對(duì)溫度。由(2)式可知，充電響應(yīng)時(shí)間還受檢波二極管等效電阻Rd的影響，由(3)式可知，二極管正向?qū)娮枳柚涤杉纳?lián)電阻Rs和結(jié)電阻Rj共同決定，其中，Rs阻值的固定典型參數(shù)大小是6 Ω，因此，二極管等效阻值大小主要由Rj阻值大小的變化而決定。由(4)式可知，Rj阻值的大小由理想因子n、絕對(duì)溫度T、反向飽和電流Is和外部施加的偏置電流Ib共同決定，當(dāng)二極管工作在室溫25 ℃時(shí)，Rj的阻值大小主要由外部施加的偏置電流決定。當(dāng)外部不施加偏置電流時(shí)，由(4)式計(jì)算可得，Rj約為1.22 MΩ，因此，由(3)式計(jì)算可得，Rd也約為1.22 MΩ，此時(shí)，由(2)式計(jì)算可得，即使C的容值大小設(shè)置成1pF，包絡(luò)檢波電路的充電時(shí)間常數(shù)td也約為1.22 μs，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿足PD產(chǎn)生的UHF信號(hào)對(duì)包絡(luò)檢波電路充電響應(yīng)速度的要求。因此，為了提高包絡(luò)檢波電路的充電響應(yīng)速度，本文在電路設(shè)計(jì)中，為檢波二極管提供了一個(gè)20 μA的偏置電流，從而減小二極管的等效電阻，提高檢波電路的充電響應(yīng)速度，此時(shí)，由(4)式計(jì)算可得，Rj約為1.34 KΩ，因此，由(3)式計(jì)算可得，Rd也約為1.34 KΩ，當(dāng)C的容值大小設(shè)置成1pF時(shí)，包絡(luò)檢波電路的充電時(shí)間常數(shù)td約為1.34 ns，此時(shí)，實(shí)測(cè)UHF信號(hào)上升沿包絡(luò)波形如圖4，從圖4可以看出，檢波電路很好地提取出了UHF原始信號(hào)上升沿的包絡(luò)波形，其充電時(shí)間常數(shù)滿足充電響應(yīng)速度的要求。

圖4 UHF信號(hào)上升沿包絡(luò)波形圖

GIS局部放電產(chǎn)生的UHF信號(hào)的下降沿持續(xù)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，一般為幾十納秒，因此，放電響應(yīng)速度相對(duì)于充電響應(yīng)速度可以稍慢一些，但放電時(shí)間常數(shù)的設(shè)置也很重要，放電時(shí)間常數(shù)tr為

tr=R×C

(5)

由(5)式可知，放電時(shí)間常數(shù)tr由圖2中電容C和電阻R的大小共同決定。當(dāng)放電時(shí)間常數(shù)tr太大時(shí)，將引起惰性失真，此時(shí)，提取的包絡(luò)波形雖然很平滑，但惰性失真導(dǎo)致最終提取的包絡(luò)波形信息丟失嚴(yán)重，不利于后續(xù)特征提取進(jìn)行聚類分離處理；當(dāng)放電時(shí)間常數(shù)tr太小時(shí)，頻率較低部分對(duì)應(yīng)的包絡(luò)波形放電嚴(yán)重，導(dǎo)致得到的包絡(luò)波形極不光滑，甚至嚴(yán)重失真，同樣不利于后續(xù)特征提取進(jìn)行聚類分離處理。因PD產(chǎn)生的UHF原始信號(hào)下降沿部分包含多種頻率的波形，且頻率分布很廣，因此，很難像單一固定頻率波形的下降沿一樣，根據(jù)其固定頻率計(jì)算確定放電時(shí)間常數(shù)。本文經(jīng)過(guò)電路調(diào)試得出，當(dāng)放電時(shí)間常數(shù)tr設(shè)置為10 ns時(shí)，實(shí)測(cè)UHF信號(hào)下降沿包絡(luò)波形如圖5，從圖5可以看出，下降沿包絡(luò)波形失真相對(duì)較少，其放電時(shí)間常數(shù)滿足放電響應(yīng)速度的要求。

圖5 UHF信號(hào)下降沿包絡(luò)波形圖

2.3 包絡(luò)檢波電路的系統(tǒng)測(cè)試

測(cè)試使用的GIS局部放電檢測(cè)系統(tǒng)主要由UHF信號(hào)源、UHF天線傳感器部分、高通濾波部分、UHF信號(hào)放大部分、特高頻包絡(luò)檢波部分和FPGA高速數(shù)據(jù)采集部分組成，測(cè)試觀察使用的是Rohde & Schwarz公司的RTE1204型號(hào)示波器，其帶寬為2GHz，采樣率為5GSa/s每通道，整體測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖6。

圖6 局部放電檢測(cè)系統(tǒng)框圖

UHF天線傳感器的實(shí)測(cè)頻率響應(yīng)曲線圖如圖7，圖7中橫軸為頻率(Hz)，縱軸為幅值(dB)，從圖7可以看出，其響應(yīng)頻段可達(dá)300 MHz～2 GHz，滿足對(duì)局部放電UHF信號(hào)響應(yīng)的頻段要求。高通濾波部分、UHF信號(hào)放大部分、特高頻包絡(luò)檢波部分的相關(guān)實(shí)物電路圖如圖8。

圖7 UHF天線傳感器頻率響應(yīng)曲線圖

圖8 包絡(luò)檢波相關(guān)電路實(shí)物圖

使用圖6所示的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)PD產(chǎn)生的UHF信號(hào)進(jìn)行包絡(luò)檢波。首先使用UHF信號(hào)源生成UHF原始信號(hào)，然后通過(guò)UHF天線接收UHF信號(hào)，由于PD產(chǎn)生的UHF信號(hào)頻率大多分布在300 MHz～1.5 GHz，因此，首先使用高通濾波器濾除300 MHz以下的低頻干擾信號(hào)，再對(duì)濾波后的信號(hào)進(jìn)行放大，然后送入特高頻包絡(luò)檢波電路進(jìn)行包絡(luò)波形提取，為了便于觀察包絡(luò)檢波效果，使用示波器對(duì)包絡(luò)檢波前的UHF原始信號(hào)和包絡(luò)檢波后的包絡(luò)波形進(jìn)行對(duì)照觀察。實(shí)測(cè)效果如圖9，從圖9可以看出，檢波電路提取的包絡(luò)波形上升時(shí)間約為10 ns，較好地完成了對(duì)PD產(chǎn)生的UHF信號(hào)上升沿包絡(luò)波形的提?。籙HF信號(hào)下降沿包絡(luò)波形惰性失真小，較好地完成了對(duì)PD產(chǎn)生的UHF信號(hào)下降沿包絡(luò)波形的提取。整體包絡(luò)波形不僅保留了局部放電信號(hào)的幅值和相位信息，而且也較好地保留了UHF信號(hào)所攜帶的特征信息。

圖9 UHF原始信號(hào)與包絡(luò)檢波后波形信號(hào)對(duì)照?qǐng)D

圖10為示波器實(shí)測(cè)的UHF信號(hào)功率檢波波形圖，從圖10可以看出，功率檢波波形信號(hào)也保留了局部放電信號(hào)大致的幅值和相位信息，可用于繪制局部放電相位分布圖譜，從而進(jìn)行局部放電的識(shí)別。但由于功率檢波獲得的波形與原始信號(hào)波形特征之間并無(wú)太大的相關(guān)性，因此，干擾脈沖信號(hào)與局部放電信號(hào)經(jīng)功率檢波獲得的波形在時(shí)域上基本一致，導(dǎo)致無(wú)法區(qū)分局部放電信號(hào)與干擾脈沖信號(hào)的幅值和相位信息，造成最終繪制的局部放電相位分布圖譜中除了局部放電信號(hào)的幅值、相位信息點(diǎn)外，還包含了大量的干擾脈沖信號(hào)的幅值、相位信息點(diǎn)，導(dǎo)致最終繪制的相位分布圖譜無(wú)法與局部放電識(shí)別系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)局部放電相位分布圖譜進(jìn)行匹配識(shí)別。

圖10 UHF原始信號(hào)與功率檢波后波形信號(hào)對(duì)照?qǐng)D

相比于功率檢波，該包絡(luò)檢波電路對(duì)UHF信號(hào)整體的包絡(luò)效果良好，其響應(yīng)速度快、惰性失真小，提取的包絡(luò)波形與UHF原始信號(hào)的輪廓基本一致，較好地保留了UHF信號(hào)所攜帶的特征信息。雖然有一定的響應(yīng)延遲和少量的不平滑，但不影響對(duì)包絡(luò)波形的特征提取和進(jìn)行相應(yīng)的聚類分離處理，從而通過(guò)包絡(luò)波形特征將局部放電信號(hào)與干擾脈沖信號(hào)的幅值、相位信息分離開，分別繪制局部放電信號(hào)的相位分布圖譜和干擾脈沖信號(hào)的相位分布圖譜，再分別與局部放電識(shí)別系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)局部放電相位分布圖譜進(jìn)行匹配識(shí)別。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)GIS局部放電產(chǎn)生的UHF原始信號(hào)的特性設(shè)計(jì)的特高頻包絡(luò)檢波電路，經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)，結(jié)果表明，該檢波電路響應(yīng)速度快，提取的包絡(luò)波形失真小，能夠較好地保留GIS局部放電信號(hào)中所攜帶的特征信息，為后續(xù)根據(jù)所提取的包絡(luò)波形特征進(jìn)行聚類分離提供有效的保障。