gis局部放電超高頻信號的檢波電路提取

gis局部放電超高頻信號的檢波電路提取

0超高頻uhf在線檢測方法局部放電不僅是gis隔離的象征和形式，而且是絕緣體的進(jìn)一步惡化。因此，局部放電的檢測是檢測和診斷gis絕緣體的最有效方法。通過局部放電檢測能發(fā)現(xiàn)GIS制造和安裝的“清潔度”,能發(fā)現(xiàn)絕緣制造工藝和安裝過程中的缺陷、差錯(cuò),并能確定故障位置,從而進(jìn)行有效的處理,確保設(shè)備的安全運(yùn)行。超高頻(UHF)方法是目前應(yīng)用最為廣泛的GIS局部放電在線檢測方法。相比于耦合電容法、超聲波法、化學(xué)法和光學(xué)法,它具有靈敏度高、可用于在線監(jiān)測、適用于各種缺陷類型、故障定位精確度較高和能判別故障類型等優(yōu)點(diǎn)。筆者應(yīng)用超高頻包絡(luò)檢波電路提取GIS局部放電的超高頻信號包絡(luò),并采用高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣,能夠獲取比峰值檢波更多的局部放電信號特征,便于采用基于包絡(luò)特征指紋的研究方法。相比于借助寬帶示波器進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣(故障定位應(yīng)用除外),該方法大大降低了采樣速率和數(shù)據(jù)量,同時(shí)幾乎保留了局部放電的所有細(xì)節(jié)。1局部峰值電壓包絡(luò)檢波電路利用檢波二極管的單向?qū)щ娞匦院碗娙莸碾姾纱鎯δ?獲得輸入信號的局部峰值電壓,即信號的包絡(luò)。其中檢波二極管為非線性器件,等效為非線性電阻,和積分電容一起構(gòu)成低通濾波器,去除輸入信號中的高頻載波分量,得到信號的低頻分量。1.1高頻電壓的工作原理高頻檢波二極管HSMS-2825模型見圖1,Rs為串聯(lián)電阻;Cj為二極管管殼封裝電容;Rj為二極管等效電阻。檢波二極管具有非線性的i-V特性,其伏安特性的數(shù)學(xué)表達(dá)式為式(1)中,a=q/(nkT);i為二極管電流;V為二極管兩端的電壓;Is為(反向)飽和電流;k為玻爾茲曼常數(shù),通常為1.38×10-23J/K;T為絕對溫度;q為電子電荷,通常取1.6×10-19C(庫倫);n為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的修正常數(shù),將式(1)展開成冪級數(shù)的形式由于信號的正負(fù)疊加和瞬間效應(yīng),式(2)級數(shù)的奇次項(xiàng)相互抵消,僅其二次及其他偶次項(xiàng)提供了整流作用。對于小信號的整流,只有二次項(xiàng)有意義,高次項(xiàng)忽略不計(jì),因此二極管檢波器在小信號輸入時(shí)檢波輸出的直流電流與跨接在該二極管兩端的射頻輸人電壓的平方成正比,此時(shí)二極管檢波器工作在平方律區(qū)域。當(dāng)輸入信號大到一定的程度高得使四次項(xiàng)不能忽略時(shí),二極管的響應(yīng)便不再處于平方律區(qū),而是按準(zhǔn)平方律整流,這時(shí)稱之為過渡區(qū)。當(dāng)輸入信號進(jìn)一步加大,檢波二極管的輸出電流就與輸入射頻信號的電壓成正比,即線性檢波區(qū)。圖2給出了典型的封裝二極管檢波的平方律——非平方律檢波特性曲線,其平方律區(qū)為從噪聲電平開始(一般為-70dBm)到-20dBm左右的這一段區(qū)域,從-20～0dBm為過渡區(qū),0dBm以上對應(yīng)于線性區(qū)。對于檢波二極管來說,最大輸人功率一般不超過20dBm(對應(yīng)電壓為2V),否則二極管將被燒毀。實(shí)際電路選用高頻二極管SMS7630,其典型參數(shù)為:Rs=20Ω,Is=5×10-6A,Cj=0.14pF,極限穩(wěn)態(tài)電流為IF=50mA。根據(jù)公式(1),當(dāng)流過的電流為50mA時(shí),二極管兩端的電壓為2V,即加在二極管上的常態(tài)電壓必須小于2V。電路設(shè)計(jì)中給二極管加有10μA的偏置電流,以減少二極管的靜態(tài)等效電阻,使檢波電路具有更小的充電積分常數(shù)。1.2單插裝式調(diào)幅信號模型包絡(luò)檢波是指從高頻調(diào)幅信號中還原出包絡(luò)變化規(guī)律一致的原調(diào)制信號的過程。圖3為檢波電路原理圖,圖3中負(fù)載電阻R數(shù)值較大;負(fù)載電容C的值應(yīng)選取在高頻時(shí)其阻抗Zh<<R,可視為短路,而調(diào)制頻率(低頻)時(shí)其阻抗Zl>>R,可視為開路;Rd為二極管D的正向?qū)娮?。正弦波信號Ui輸入時(shí),在其正半周,D導(dǎo)通,C開始充電,充電時(shí)間常數(shù)RdC很小,使C的電壓Uo很快達(dá)到Ui的第1個(gè)正相峰值Vp,之后Ui開始下降,Uo>Ui時(shí)截止,C開始通過放電,因放電時(shí)間常數(shù)遠(yuǎn)大于輸入信號的周期,故放電很慢,Uo下降不多時(shí)Ui達(dá)到第2個(gè)正相峰值Vp,D又將導(dǎo)通,繼續(xù)對C充電。這樣不斷循環(huán),便得到信號包絡(luò)波形。局部放電信號通常用4種數(shù)學(xué)模型描述,分別是單指數(shù)衰減函數(shù)(SEAW)f1(t)、雙指數(shù)衰減函數(shù)(DEAW)f2(t)、單指數(shù)衰減振蕩函數(shù)(SEAOW)f3(t)和雙指數(shù)衰減振蕩函數(shù)(DEAOW)f4(t),其數(shù)學(xué)表達(dá)式分別見式(3)～(6)。調(diào)幅信號模型公式GIS發(fā)生局部放電時(shí),信號在GIS腔體內(nèi)諧振,其發(fā)射的電磁波為多次折、反射形成的振蕩信號,因此式(5)、(6)更適合表征其特性。式(7)為調(diào)幅信號(其中Ω、ωo分別為包絡(luò)信號和載波的頻率)的表達(dá)式,由此可以看出,GIS局部放電產(chǎn)生的UHF信號與調(diào)幅信號類似,因此可以和調(diào)幅信號一樣,應(yīng)用包絡(luò)檢波電路提取UHF信號的包絡(luò)。1.3gis的調(diào)幅放電特性檢波效率(電壓傳輸系數(shù))是評價(jià)包絡(luò)檢波電路的重要參數(shù)。檢波器輸入為調(diào)幅波時(shí),檢波效率k為輸出低頻電壓幅度UΩ與輸入高頻電壓包絡(luò)幅度mUc之比:k=UΩ/(mUc),式中m是調(diào)幅系數(shù)。k越大說明同樣的輸入情況下可以得到較大的低頻輸出信號,即檢波效率高。GIS局部放電產(chǎn)生的UHF信號可以近似看作調(diào)幅信號,高頻載波頻率為300MHz～3GHz,其包絡(luò)為指數(shù)或雙指數(shù)特性;UHF信號持續(xù)時(shí)間為50～500ns,近似認(rèn)為調(diào)幅信號的低頻分量的頻率范圍為2～20MHz。檢波器的充電積分時(shí)間RdC約為2.6ns,放電時(shí)間約為50ns,實(shí)驗(yàn)多次對比測試表明檢波電路引起的峰值誤差不超過10%,滿足包絡(luò)提取的要求。1.4仿真器件庫的構(gòu)建ADS是微波電路和通信系統(tǒng)仿真軟件,主要應(yīng)用于射頻和微波電路的設(shè)計(jì)。該軟件提供了包括射頻二極管HSMS-2825和ATC100高頻電容等仿真器件庫。筆者所用的仿真信號源表達(dá)式為式(8)中,信號幅值A(chǔ)為0.25V;fΩ、fc分別為100MHz、1GHz;g(t)為占空比為20%的門控脈沖信號。圖4(a)為對應(yīng)式(8)的檢波電路的仿真調(diào)制輸入信號,其最大幅值為0.25V;圖4(b)為包絡(luò)檢波電路的輸出,其最大幅值約為0.24V,上升時(shí)間約為3ns,下降時(shí)間約為10ns。2基于gis的同諧振腔3gzGIS發(fā)生局部放電時(shí),電流脈沖上升時(shí)間為ns級,其產(chǎn)生的高頻電磁波頻率為300MHz～3GHz;同時(shí)GIS腔體在UHF波段可視為同軸諧振腔,由局放脈沖在諧振腔中激發(fā)的諧振的持續(xù)時(shí)間為50～500ns。因此,包絡(luò)檢波器的輸出為50～500ns的脈沖包絡(luò),其高頻部分可視為載波,被包絡(luò)檢波電路抑制。2.1等效導(dǎo)通電阻式UHF信號頻率高達(dá)1GHz,重復(fù)試驗(yàn)觀測均能證實(shí)UHF信號典型的振蕩在6～10次,因此理論上要求檢波電路的充電響應(yīng)時(shí)間tr<<5ns,即要求檢波器的RdC<<5ns,且越小越好,其充電積分時(shí)間足夠小以減少峰值誤差。在實(shí)際電路中,二極管器件因其固有參數(shù)限制,其室溫情況下的等效導(dǎo)通電阻式(9)中,Is為二極管的(反向)飽和電流,Ib為流過二極管的電流。電路中二極管選用SMS-7630,在加有10μA偏置電流情況下,其等效電阻約為2.6kΩ;電路中的積分電容C為1pF,此時(shí)的等效積分時(shí)間常數(shù)為2.6ns。因此當(dāng)該檢波電路輸入的為非等幅正弦信號的GIS局部放電UHF信號時(shí),存在一定的峰值檢波誤差,多次試驗(yàn)對比測試表明該誤差不超過10%,能滿足工程要求。由采樣頻率引起的測量誤差式(10)中,f為采樣系統(tǒng)的采樣頻率,R、C分別為檢波電路的放電電阻和電容。實(shí)際的系統(tǒng)中使用的采樣頻率固定為250MSPS(樣點(diǎn)/秒),放電電阻R為470kΩ,峰值誤差約為1%,這樣的誤差在局部放電測量系統(tǒng)中完全可以接受,見圖5。2.2gis設(shè)計(jì)基于包絡(luò)檢波的GIS局部放電檢測系統(tǒng)由內(nèi)置UHF傳感器、UHF放大器和DSP高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成,其中內(nèi)置UHF傳感器安裝在GIS模型的手孔上,見圖5。2.3高壓半導(dǎo)體表面針尖缺陷模型局部放電脈沖波信號分析高壓導(dǎo)體表面金屬突起是GIS的主要缺陷之一,它通常是在制造不良、安裝損壞或摩擦?xí)r導(dǎo)致的尖的毛刺。在穩(wěn)定的工頻狀態(tài)下金屬突起不引起擊穿,但在快速電壓如沖擊、快速暫態(tài)過電壓(VFTO)條件下則可能發(fā)生放電。試驗(yàn)中,高壓導(dǎo)體表面突起用針尖模型模擬。針尖缺陷模型使用直徑0.5mm、長度為5mm的金屬絲,頭部打磨成光滑的弧形。超高頻檢波器輸出的包絡(luò)信號脈沖寬度在50～500ns,后端的DSP高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或高速示波器以250MHz的采樣速率對其采樣。圖6(a)為充滿SF6氣體的GIS中高壓導(dǎo)體表面針尖缺陷模型所產(chǎn)生的局部放電原始信號和經(jīng)過包絡(luò)檢波的包絡(luò)信號,SF6氣壓為0.6MPa;圖6(b)為手機(jī)干擾原始信號和經(jīng)過包絡(luò)檢波的包絡(luò)信號?；诎j(luò)檢波的信號分析方法使用信號的時(shí)域指紋特征分析,選用的特征參數(shù)包括:波頭時(shí)間Th、脈沖上升沿時(shí)間Tr、脈沖下降沿時(shí)間Td、放電脈沖寬度T50%、視在放電持續(xù)時(shí)間T10%、峭度Ku和偏斜度Sk等。從圖6(a)和圖6(b)可以看出,手機(jī)信號的包絡(luò)檢波信號特征與高壓導(dǎo)體表面針尖缺陷模型局部放電信號的