氣體絕緣組合電器局部放電特高頻包絡檢波裝置設計

林其雄， 段斐

(廣東電網有限責任公司廣州供電局， 廣東， 廣州 510620)

0 引言

隨著智能電網建設步伐的加快，氣體絕緣組合電器的應用范圍越來越廣。由于氣體絕緣組合電器(GIS)的生產成本很高， 一旦GIS出現故障，損失的元器件成本太高，會對使用單位造成嚴重的影響。近年來超高壓輸電的逐漸發展，人們開始將注意力放在了觀察GIS的絕緣狀況上，隨著技術的發展對GIS絕緣水平的要求逐漸提高[1-2]。

特高頻天線的設計是局部放電特高頻監測法的關鍵技術，天線優異的性能是成功實現高靈敏度局部放電監測的根本保證[3-5]。近年來，越來越多的學者開展了寬頻帶對數周期天線的研究[6-7]。由于特高頻的放電信號頻譜帶寬能夠達到數百MHz，而局部放電在線監測要求能夠采集至少50個工頻周期的局部放電信號，因此還必須要滿足實時連續地采集信號的條件。由于采集信號具有很高的要求，所以普通的A/D采集卡在采樣率和存儲深度這兩個方面很難滿足實際采集信號的要求，高速海量的A/D采集卡能滿足要求，但成本太高。因此，能有效地將特高頻天線檢測的放電信號頻率降至一定范圍，達到能夠讓普通A/D采集卡可以處理的頻譜范圍，這是實現特高頻天線在線監測技術應用的關鍵之處。

本文介紹了用于氣體絕緣組合電器局部放電監測的特高頻包絡檢波裝置。分析了氣體絕緣組合電器局部放電產生原因，針對該原因，設計了特高頻包絡檢波裝置，該裝置可快速有效地檢測出裝置內部地局部放電信號，同時搭建絕緣缺陷模型，對局部放電信號進行檢測。結果表明，該裝置可以有效檢測氣體絕緣組合電器局部放電信號，避免設備發生故障，促進電力系統的穩定運行。

1 GIS局部放電產生原因分析

電力設備要正常穩定地運行，絕緣材料是不可或缺的，而電力系統設備中的絕緣元器件在實際生產的過程中，都可能出現一些瑕疵。這會使系統的絕緣性能出現一定的隱患。這些隱患看似微小，但當電力設備長期在高壓環境下運行，絕緣器件會逐漸老化，這時候就會產生局部放電現象[8]。具體的產生原因如圖1所示。一是由于絕緣結構極其不合理，使得電場分布極其不均勻，從而產生局部放電；二是由于制造工藝不當，使得金屬部件帶有尖角，毛刺。此外，絕緣體內部存在掉落的金屬微粒、氣隙、裂紋或者絕緣體內存在懸浮電位體或導體間接觸不好，這些都是可能造成局部放電的原因。

圖1 GIS中幾種絕緣缺陷示意圖

2 GIS局部放電特高頻包絡檢波裝置設計

2.1 高頻放大器

GIS局部放電特高頻包絡檢波檢測系統的硬件組成包括：內置特高頻傳感器、高頻放大器、帶通濾波器、包絡檢波電路和DSP高速數據采集電路等，如圖2所示。本文研究實現了對高頻放大器、帶通濾波器的設計并研制了檢測裝置中關鍵的特高頻包絡檢波電路。

圖2 GIS局部放電特高頻包絡檢波檢測系統

因為特高頻傳感器獲取的都是毫伏級別的極其微小的信號，需要對特高頻傳感器獲取到的信號幅值進行放大處理。檢測局部放電的特高頻法[9]研究的信號頻率要求在300 MHz～1 500 MHz之間，要求放大器的放大倍數較高，帶寬較寬。另外，此放大器還需要做到低噪聲放大。特高頻傳感器接收到的局部放電信號功率約在-85 dBm到-15 dBm之間[10]，后面的包絡檢波電路靈敏度不高于-40 dBm，需要先用低噪聲放大器將特高頻信號放大，再進入包絡檢波電路。因為放大之后的帶通濾波器存在損耗，所以將特高頻放大器的最大放大倍數設計為50 dB。

經過篩選，最后選用特高頻集成運算放大器ZKL-1R5來放大特高頻信號，如圖3所示。該運算放大器的信號性能均良好，采用的是差動放大，共模抑制比高，增益是40 dB，非常適合對局部放電信號進行放大。

圖3 ZKL-1R5—放大器的增益特性曲線

2.2 帶通濾波器

帶通濾波器[11]是讓某一部分頻率的信號通過，而抑制另一部分頻率的信號使其不能通過。本文設計使用的模擬帶通濾波器為了過濾掉除300 MHz～1 500 MHz以外的對特高頻檢測系統造成干擾的信號。

常見的濾波器結構形式中，Bessel濾波器有較大的過渡帶，且衰減特性較差，很少會選用它。Chebyshev I型濾波器通帶內等紋波，而Chebyshev II型濾波器通帶平坦，阻帶內等紋波，在實際操作中很少運用Chebyshev II型濾波器。由文獻[12]研究可得，選用Chebyshev I型濾波器用于GIS局部放電特高頻信號的濾波的效果較好，所以本文采用Chebyshev I型濾波器。濾波器設計步驟如下。

(1) 確定信號帶寬

(2) 濾波器階數的確定

(1)

(2)

為了滿足濾波要求取兩者中更大的一個β=max{β1,β2}=1.363。可以通過通帶轉折頻率ω0、阻帶起始頻率ωs、通帶紋波δ以及阻帶最小衰耗As求得Chebyshev I型濾波器的適用階數n。濾波器階數：

用LC構成的七階帶通濾波器電路原理圖,如圖4所示。

圖4 帶通濾波器原理圖

圖5為帶通濾波器幅頻仿真特性，從仿真結果可得，此濾波器可以過濾掉除300 MHz～1 500 MHz以外的頻帶，有效地濾除部分干擾，能夠達到設計要求。

(a)

2.3 設計包絡檢波電路

2.3.1 包絡檢波工作原理

從高頻調幅信號中把原調制信號解調出來，且解調出的是與原調制信號變化規律一樣的低頻包絡信號的這個過程稱之為包絡檢波[13]。圖6為包絡檢波電路的原理圖。

圖6 包絡檢波原理電路

設：一個已經調幅的信號ui(t)=Um0(1+macosΩt)cosωit作為包絡檢波電路的輸入信號從發射端傳送過來，其中Ω是調制信號的角頻率，ωi是載波信號的角頻率。充電時間常數τ1=rd×C，rd為二極管動態導通電阻，其值通常很小；放電時間常數τ2=R×C[14]。

R為負載，阻值一般較大，C為負載電容，在選取電容參數的時候要慎重。當正值信號增大時，輸入信號就會通過二極管開始向電容器C充電，電容電壓升高，輸出電壓升高。當信號電壓逐漸減小時，電容C上的電壓Uo就會大于輸入電壓Ui，二極管就會關斷，此時電容器就會通過電阻R進行放電，放電時的時間常數比充電時大很多，放電過程也會變得很緩慢，此時放電周期也比充電周期大得多。若此時電容上電壓Uo略微下降，特高頻信號的正值峰值就會再次到來，當Ui大于Uo時，二極管導通，此時就對電容C充電，此過程反復循環地進行，當信號Ui逐漸變小到一定程度時，就能夠得到信號的幅值包絡波形。

2.3.2 包絡檢波電路參數確定

圖7為包絡檢波電路的仿真圖形。在電路中，R、C參數的大小對檢波結果起到了決定性的作用。

圖7 包絡檢波電路仿真電路圖

參數的確定需要滿足以下原則。

(2) 已知包絡檢波的峰值最大相對誤差為δ=(1-e-fRC)×100%。根據這個公式可以推斷：放電時間常數RC越小越好，因為RC越小，信號幅值采樣更精確。

圖7的包絡檢波電路中，ui(t)=5(1+0.5cos800t)·cos10 000t，調制度ma=0.5。通過Multisim對包絡檢波電路進行仿真，比較不同的R、C參數組合得出的波形，研究包絡檢波電路的失真特性，并選擇合適的實驗參數。

取R值為固定值10 kΩ，使C值變化，取C=0.002 μF，0.02 μF，0.1 μF，由示波器得出輸入輸出波形分別如圖8(a)、8(b)、8(c)所示。由觀察可得，當C=0.02 μF時，輸出信號的波形為輸入信號的包絡波，輸出電壓的波形一直緊緊跟隨輸入信號包絡的變化而發生變化。包絡檢波電路此時正常檢波，原理是在二極管正常正向導通的時候，輸入信號逐漸向電容進行充電，此時C兩端電壓慢慢增大，所以輸出信號的電壓隨輸入電壓的升高而升高；然后在二極管反向截止的時候，電容C開始慢慢通過電阻R放電，所以電容電壓逐漸減小，也就是輸出電壓逐漸減小，然后一直等到輸入信號與輸出信號的電壓差比二極管的開啟電壓大的時候，二極管又可以再次導通，電容又進行充電，一直循環這個過程，就可以得到輸入信號的包絡波。

(a) C=0.002 μF

由表1可知，R值不變，R=10 kΩ，改變C的值，輸出波形的失真情況。

表1 R=10 kΩ改變C值的波形失真情況

取C值為固定值0.02 μF，使R值變化，取R=1 kΩ，20 kΩ，50 kΩ，由示波器得出輸入輸出波形分別如圖9(a)、9(b)、9(c)所示。

(a) R=1 kΩ

由觀察可得，取R=20 kΩ時，電路的輸入和輸出波形如圖9(b)所示，輸出信號為輸入信號的包絡線。

表2為包絡檢波電路中C值固定為0.02 μF，R值改變的條件下，輸出波形的失真情況。

表2 C=0.02 μF改變R值的波形失真情況

由以上仿真實驗可得,當R=20 kΩ、C=0.02 μF時，電容C放電的速度不小于輸入信號包絡線下降的速度，滿足檢波電路中R、C的條件。

3 特高頻包絡檢波裝置監測局部放電實驗

3.1 人工絕緣缺陷模型

圖10為實驗室建立的電暈放電模型結構，可對檢波電路檢波性能進行驗證。在此模型中，距離環氧板上方1 mm的地方放有針電極，針電極由一個圓柱體和一個枕頭構成，圓柱以及枕頭直徑均為1 mm。厚度為0.6 mm的環氧板下面是高度為9 mm的圓板電極[15]。

圖10 電暈放電缺陷模型

3.2 試驗平臺

實驗室中局部放電特高頻包絡信號的測量接線圖如圖11所示。特高頻天線及其駐波比性能如圖12所示。其在300 MHz～1 000 MHz內有較好的性能。由特高頻天線接收各種不同的缺陷模型產生特高頻信號，送入設計的GIS局部放電特高頻包絡檢波檢測電路中，經過放大、濾波、檢波后可以在示波器中得到不同的信號波形。

圖11 局部放電測量接線圖

(a) 特高頻天線

示波器上想要得到局部放電特高頻信號波形，必須經過一系列規范的實驗操作步驟：提升實驗電壓，提升至起始電壓的1.3倍之后暫時停止操作，此時的電壓持續5 min；繼續提升到起始電壓的1.5倍之后再次停止操作，持續5 min；降低到起始電壓的1.3倍，持續時間為30 min。在最后的10 min內，取得該缺陷模型局部放電的信號并進行分析，如圖13所示。

(a) 檢測阻抗檢測放電信號相位分布圖譜

4 總結

本文介紹了用于氣體絕緣組合電器局部放電監測的特高頻包絡檢波裝置，設計了典型的絕緣缺陷模型，將特高頻包絡檢波裝置應用于局部放電測量，驗證了該裝置的局部放電檢測性能并提取了局部放電特征圖譜數據,得出的結論如下。

(1) 在包絡檢波裝置設計中選用特高頻集成運算放大器ZKL-1R5、Chebyshev I型濾波器來放大、濾除信號可以有效實現包絡檢波電路的檢波作用。

(2) 通過改變R、C的取值，得出當R=20 kΩ、C=0.02 μF時，所得出的包絡線效果最好。

(3) 在實驗室搭建電暈放電模型，監測其局部放電，發現該裝置可以有效檢測GIS局部放電信號，正弦響應波形畸變很小。

綜上所述，特高頻包絡檢波裝置能夠有效及時地發現設備中的局部放電故障，確保工作人員及時地解決問題，保障氣體絕緣組合電器的安全穩定運行。