气体绝缘组合电器局部放电特高频包络检波装置设计
时间：2023-06-25 17:10:05 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
林其雄， 段斐
(广东电网有限责任公司广州供电局， 广东， 广州 510620)
随着智能电网建设步伐的加快，气体绝缘组合电器的应用范围越来越广。由于气体绝缘组合电器(GIS)的生产成本很高， 一旦GIS出现故障，损失的元器件成本太高，会对使用单位造成严重的影响。近年来超高压输电的逐渐发展，人们开始将注意力放在了观察GIS的绝缘状况上，随着技术的发展对GIS绝缘水平的要求逐渐提高[1-2]。
特高频天线的设计是局部放电特高频监测法的关键技术，天线优异的性能是成功实现高灵敏度局部放电监测的根本保证[3-5]。近年来，越来越多的学者开展了宽频带对数周期天线的研究[6-7]。由于特高频的放电信号频谱带宽能够达到数百MHz，而局部放电在线监测要求能够采集至少50个工频周期的局部放电信号，因此还必须要满足实时连续地采集信号的条件。由于采集信号具有很高的要求，所以普通的A/D采集卡在采样率和存储深度这两个方面很难满足实际采集信号的要求，高速海量的A/D采集卡能满足要求，但成本太高。因此，能有效地将特高频天线检测的放电信号频率降至一定范围，达到能够让普通A/D采集卡可以处理的频谱范围，这是实现特高频天线在线监测技术应用的关键之处。
本文介绍了用于气体绝缘组合电器局部放电监测的特高频包络检波装置。分析了气体绝缘组合电器局部放电产生原因，针对该原因，设计了特高频包络检波装置，该装置可快速有效地检测出装置内部地局部放电信号，同时搭建绝缘缺陷模型，对局部放电信号进行检测。结果表明，该装置可以有效检测气体绝缘组合电器局部放电信号，避免设备发生故障，促进电力系统的稳定运行。
电力设备要正常稳定地运行，绝缘材料是不可或缺的，而电力系统设备中的绝缘元器件在实际生产的过程中，都可能出现一些瑕疵。这会使系统的绝缘性能出现一定的隐患。这些隐患看似微小，但当电力设备长期在高压环境下运行，绝缘器件会逐渐老化，这时候就会产生局部放电现象[8]。具体的产生原因如图1所示。一是由于绝缘结构极其不合理，使得电场分布极其不均匀，从而产生局部放电；
二是由于制造工艺不当，使得金属部件带有尖角，毛刺。此外，绝缘体内部存在掉落的金属微粒、气隙、裂纹或者绝缘体内存在悬浮电位体或导体间接触不好，这些都是可能造成局部放电的原因。
图1 GIS中几种绝缘缺陷示意图
2.1 高频放大器
GIS局部放电特高频包络检波检测系统的硬件组成包括：内置特高频传感器、高频放大器、带通滤波器、包络检波电路和DSP高速数据采集电路等，如图2所示。本文研究实现了对高频放大器、带通滤波器的设计并研制了检测装置中关键的特高频包络检波电路。
图2 GIS局部放电特高频包络检波检测系统
因为特高频传感器获取的都是毫伏级别的极其微小的信号，需要对特高频传感器获取到的信号幅值进行放大处理。检测局部放电的特高频法[9]研究的信号频率要求在300 MHz～1 500 MHz之间，要求放大器的放大倍数较高，带宽较宽。另外，此放大器还需要做到低噪声放大。特高频传感器接收到的局部放电信号功率约在-85 dBm到-15 dBm之间[10]，后面的包络检波电路灵敏度不高于-40 dBm，需要先用低噪声放大器将特高频信号放大，再进入包络检波电路。因为放大之后的带通滤波器存在损耗，所以将特高频放大器的最大放大倍数设计为50 dB。
经过筛选，最后选用特高频集成运算放大器ZKL-1R5来放大特高频信号，如图3所示。该运算放大器的信号性能均良好，采用的是差动放大，共模抑制比高，增益是40 dB，非常适合对局部放电信号进行放大。
图3 ZKL-1R5—放大器的增益特性曲线
2.2 带通滤波器
带通滤波器[11]是让某一部分频率的信号通过，而抑制另一部分频率的信号使其不能通过。本文设计使用的模拟带通滤波器为了过滤掉除300 MHz～1 500 MHz以外的对特高频检测系统造成干扰的信号。
常见的滤波器结构形式中，Bessel滤波器有较大的过渡带，且衰减特性较差，很少会选用它。Chebyshev I型滤波器通带内等纹波，而Chebyshev II型滤波器通带平坦，阻带内等纹波，在实际操作中很少运用Chebyshev II型滤波器。由文献[12]研究可得，选用Chebyshev I型滤波器用于GIS局部放电特高频信号的滤波的效果较好，所以本文采用Chebyshev I型滤波器。滤波器设计步骤如下。
(1) 确定信号带宽
(2) 滤波器阶数的确定
(1)
(2)
为了满足滤波要求取两者中更大的一个β=max{β1,β2}=1.363。可以通过通带转折频率ω0、阻带起始频率ωs、通带纹波δ以及阻带最小衰耗As求得Chebyshev I型滤波器的适用阶数n。滤波器阶数：
用LC构成的七阶带通滤波器电路原理图,如图4所示。
图4 带通滤波器原理图
图5为带通滤波器幅频仿真特性，从仿真结果可得，此滤波器可以过滤掉除300 MHz～1 500 MHz以外的频带，有效地滤除部分干扰，能够达到设计要求。
(a)
2.3 设计包络检波电路
2.3.1 包络检波工作原理
从高频调幅信号中把原调制信号解调出来，且解调出的是与原调制信号变化规律一样的低频包络信号的这个过程称之为包络检波[13]。图6为包络检波电路的原理图。
图6 包络检波原理电路
设：一个已经调幅的信号ui(t)=Um0(1+macosΩt)cosωit作为包络检波电路的输入信号从发射端传送过来，其中Ω是调制信号的角频率，ωi是载波信号的角频率。充电时间常数τ1=rd×C，rd为二极管动态导通电阻，其值通常很小；
放电时间常数τ2=R×C[14]。
R为负载，阻值一般较大，C为负载电容，在选取电容参数的时候要慎重。当正值信号增大时，输入信号就会通过二极管开始向电容器C充电，电容电压升高，输出电压升高。当信号电压逐渐减小时，电容C上的电压Uo就会大于输入电压Ui，二极管就会关断，此时电容器就会通过电阻R进行放电，放电时的时间常数比充电时大很多，放电过程也会变得很缓慢，此时放电周期也比充电周期大得多。若此时电容上电压Uo略微下降，特高频信号的正值峰值就会再次到来，当Ui大于Uo时，二极管导通，此时就对电容C充电，此过程反复循环地进行，当信号Ui逐渐变小到一定程度时，就能够得到信号的幅值包络波形。
2.3.2 包络检波电路参数确定
图7为包络检波电路的仿真图形。在电路中，R、C参数的大小对检波结果起到了决定性的作用。
图7 包络检波电路仿真电路图
参数的确定需要满足以下原则。
(2) 已知包络检波的峰值最大相对误差为δ=(1-e-fRC)×100%。根据这个公式可以推断：放电时间常数RC越小越好，因为RC越小，信号幅值采样更精确。
图7的包络检波电路中，ui(t)=5(1+0.5cos800t)·cos10 000t，调制度ma=0.5。通过Multisim对包络检波电路进行仿真，比较不同的R、C参数组合得出的波形，研究包络检波电路的失真特性，并选择合适的实验参数。
取R值为固定值10 kΩ，使C值变化，取C=0.002 μF，0.02 μF，0.1 μF，由示波器得出输入输出波形分别如图8(a)、8(b)、8(c)所示。由观察可得，当C=0.02 μF时，输出信号的波形为输入信号的包络波，输出电压的波形一直紧紧跟随输入信号包络的变化而发生变化。包络检波电路此时正常检波，原理是在二极管正常正向导通的时候，输入信号逐渐向电容进行充电，此时C两端电压慢慢增大，所以输出信号的电压随输入电压的升高而升高；
然后在二极管反向截止的时候，电容C开始慢慢通过电阻R放电，所以电容电压逐渐减小，也就是输出电压逐渐减小，然后一直等到输入信号与输出信号的电压差比二极管的开启电压大的时候，二极管又可以再次导通，电容又进行充电，一直循环这个过程，就可以得到输入信号的包络波。
(a) C=0.002 μF
由表1可知，R值不变，R=10 kΩ，改变C的值，输出波形的失真情况。
表1 R=10 kΩ改变C值的波形失真情况
取C值为固定值0.02 μF，使R值变化，取R=1 kΩ，20 kΩ，50 kΩ，由示波器得出输入输出波形分别如图9(a)、9(b)、9(c)所示。
(a) R=1 kΩ
由观察可得，取R=20 kΩ时，电路的输入和输出波形如图9(b)所示，输出信号为输入信号的包络线。
表2为包络检波电路中C值固定为0.02 μF，R值改变的条件下，输出波形的失真情况。
表2 C=0.02 μF改变R值的波形失真情况
由以上仿真实验可得,当R=20 kΩ、C=0.02 μF时，电容C放电的速度不小于输入信号包络线下降的速度，满足检波电路中R、C的条件。
3.1 人工绝缘缺陷模型
图10为实验室建立的电晕放电模型结构，可对检波电路检波性能进行验证。在此模型中，距离环氧板上方1 mm的地方放有针电极，针电极由一个圆柱体和一个枕头构成，圆柱以及枕头直径均为1 mm。厚度为0.6 mm的环氧板下面是高度为9 mm的圆板电极[15]。
图10 电晕放电缺陷模型
3.2 试验平台
实验室中局部放电特高频包络信号的测量接线图如图11所示。特高频天线及其驻波比性能如图12所示。其在300 MHz～1 000 MHz内有较好的性能。由特高频天线接收各种不同的缺陷模型产生特高频信号，送入设计的GIS局部放电特高频包络检波检测电路中，经过放大、滤波、检波后可以在示波器中得到不同的信号波形。
图11 局部放电测量接线图
(a) 特高频天线
示波器上想要得到局部放电特高频信号波形，必须经过一系列规范的实验操作步骤：提升实验电压，提升至起始电压的1.3倍之后暂时停止操作，此时的电压持续5 min；
继续提升到起始电压的1.5倍之后再次停止操作，持续5 min；
降低到起始电压的1.3倍，持续时间为30 min。在最后的10 min内，取得该缺陷模型局部放电的信号并进行分析，如图13所示。
(a) 检测阻抗检测放电信号相位分布图谱
本文介绍了用于气体绝缘组合电器局部放电监测的特高频包络检波装置，设计了典型的绝缘缺陷模型，将特高频包络检波装置应用于局部放电测量，验证了该装置的局部放电检测性能并提取了局部放电特征图谱数据,得出的结论如下。
(1) 在包络检波装置设计中选用特高频集成运算放大器ZKL-1R5、Chebyshev I型滤波器来放大、滤除信号可以有效实现包络检波电路的检波作用。
(2) 通过改变R、C的取值，得出当R=20 kΩ、C=0.02 μF时，所得出的包络线效果最好。
(3) 在实验室搭建电晕放电模型，监测其局部放电，发现该装置可以有效检测GIS局部放电信号，正弦响应波形畸变很小。
综上所述，特高频包络检波装置能够有效及时地发现设备中的局部放电故障，确保工作人员及时地解决问题，保障气体绝缘组合电器的安全稳定运行。
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