作者：Van Yang， Meng Wang， Lance Wu， and Aaron He

本文介紹使用ADI信號鏈的超高頻（UHF）局部放電在線監控系統的RF前端設計。前端靈敏度低，動態范圍大，符合國家電網公司企業標準Q/GDW11059.8-2013《電氣設備通電試驗裝置技術規范第8部分：超高頻局部放電檢測器技術規范》的要求。

介紹

根據IEC 60270標準，局部放電（PD）是一種電氣 在兩個絕緣的局部區域發生的放電 導電電極，無需完全彌合間隙。PD被廣泛認可 作為電氣絕緣劣化的最佳預警指標 電網中的資產。

當PD發生時，它將產生一個頻率范圍很寬的信號，所以有 是四種專注于不同頻率范圍的PD檢測技術。 超聲波檢測技術專注于 20 kHz 的頻率范圍 至 ~200 kHz，高頻電流互感器 （HFCT） 檢測技術 專注于 3 MHz 至 ~30 MHz 的頻率范圍，瞬態接地 電壓 （TEV） 檢測技術專注于 3 MHz 的頻率范圍 至 ~100 MHz，聚焦超高頻 （UHF） 檢測技術 頻率范圍為 300 MHz 至 ~1500 MHz。 靈敏度，UHF技術廣泛應用于PD在線監測系統中 氣體絕緣開關設備 （GIS）、變壓器和環網單元 （RMU）。

局部放電信號分析

根據Q/GDW11282-2014標準《氣體絕緣金屬封閉開關柜局部放電UHF耦合器現場檢查規范》第7.1節，標準PD信號發生器可產生以下PD脈沖信號特性：脈沖上升時間不大于300 ps和脈沖 寬度在 10 ns 到 500 ns 之間。然后，此信息用于構建PD Python中的模擬器信號。上升時間為300 ps，下降時間為10 ns。 脈沖信號峰值幅度為100 mV，峰峰值噪聲為10 mV。 采樣速率為10 GSPS，采樣時間為10 μs。脈沖被放入 采樣時間的中間以及上升波形和下降波形 是線性擬合的。

仿真的PD信號時域波形如圖1所示，頻域波形如圖2所示。根據圖2，PD信號 能量最大的是在小于1 GHz的頻率范圍內。對于脈搏 上升時間小于300 ps，更多的能量將位于更高的頻率。

圖1.局部放電信號時域波形。

圖2.PD信號頻域波形。

在現代復雜的電磁環境中，有許多無線 工作頻率范圍為 300 MHz 的 UHF PD 之間的干擾信號 至 1500 MHz。為了對抗這種干擾，客戶通常會選擇 300 MHz至1.5 GHz范圍內的子頻段，用于捕獲PD脈沖。通常，無線 900 MHz左右GSM的通信信號將是最大的干擾 信號。這個問題的一個解決方案是實現一個帶阻濾波器（BRF） 抑制 800 MHz 至 1000 MHz 的信號。典型的子帶劃分方案 如表1所示。當然，子頻段劃分是靈活的，客戶 可以根據真實的電磁環境進行調整。

根據表1中的子波段劃分，我們只保留相應的 PD信號頻譜的頻率分量如圖2所示，然后 我們執行逆快速傅里葉變換（IFFT）來研究什么時間 域波形將在相應的濾波后進行。時域 波形后濾波如圖3所示。根據圖3，濾波后， PD脈沖峰值將降低。濾波后，PD脈沖上升時間 將增加，下降時間將減少。在之后的所有波形中 濾波后，全波段具有最大的峰值，其次是值 用于頻段抑制帶和低通頻段。高通帶的峰值最小，但PD脈沖仍然可以捕獲。

圖3.濾波后的PD信號時域波形。

采用 ADI公司信號鏈

可以使用以下方法開發具有四個通道的UHF PD檢測RF前端板 ADI公司的信號鏈。顯示了一個示例及其框圖 在圖4中，而其電路板前視圖如圖5所示。

圖4.UHF PD檢測射頻前端板框圖。

圖5.UHF PD 檢測射頻前端板的前視圖。

開發該前端的第一階段涉及ADL5611 RF增益模塊。 ADL5611具有2.1 dB的低噪聲系數（NF）和21 dBm的高P1dB，其 提供高動態范圍。ADL5611具有22 dB增益及其增益平坦度 UHF PD 工作頻率為 300 MHz 至 1500 MHz，非常平坦，具有較少 增益紋波大于0.4 dB。所有這些特性使ADL5611非常適合 用于超高頻局部放電檢測應用。

第二個開發階段涉及基于以下條件的電感器和電容器 一個 300 MHz 至 1500 MHz 帶通濾波器 （BPF），提供帶外 干擾抑制。

第三級使用兩個單刀四擲（SP4T）RF HMC7992開關 實現頻段選擇電路。第一個RF路徑是DC-to800 MHz低通路徑，第二個RF路徑是1 GHz高通路徑，第三個 路徑是 800 MHz 至 1 GHz 頻段抑制路徑，第四條路徑是直接路徑 通過路徑。根據不同的射頻路徑選擇，客戶可以 選擇不同的射頻頻段以捕獲頻率內的PD脈沖 無干擾或最小干擾的頻段。HMC7992具有低插入損耗 0.6 dB，45 dB 的高隔離度和 33 dBm 的高 P0.1dB。

第四級是300 MHz至1500 MHz BPF，與BPF相同。 用于第二階段，它提供了進一步的帶外干擾抑制。

最后階段涉及RF對數檢波器ADL5513，其轉換 將UHF PD信號轉換為幾十MHz的低頻信號。這使得 可以使用采樣速率為40 MSPS或65 MSPS的ADC進行轉換 將模擬PD信號轉換為數字信號。對于局部放電檢測應用，主要 RF檢波器所需的特性是響應時間和動態 范圍。ADL5513的響應時間低至20 ns，響應時間高達80 dB 動態范圍，使其非常適合PD檢測應用。這 RF對數檢波器AD8318也適用于PD檢測應用。 與ADL5513相比，它具有更快的響應時間，但動態范圍 略低。

測試結果

測試了電路板的關鍵性能，屏幕截圖如圖6所示。 通過圖 8。

圖6顯示了從第一級到最后一級的ADL5513的S參數 在直通路徑中輸入。它表明，從300 MHz到1500 MHz全頻段， 增益約為14 dB，增益平坦度優于2 dB，輸入返回 損耗優于 –8 dB。

圖6.從第一級到最后一級的ADL5513輸入的直通路徑中的S參數。

圖7顯示了測得的輸出電壓與中間輸入功率的關系 頻率 900 MHz 連續波信號。兩個通道測量 輸入功率。根據測試結果，整個信號鏈具有線性 在 –75 dBm 至 –5 dBm 的輸入功率范圍內提供響應。通道間性能也是一致的。

圖7.輸出電壓與輸入功率的關系

在圖8中，輸入連續脈沖時測得的輸出波形 900 MHz 的波信號。信號功率為 –75 dBm，脈沖寬度為 5 μs， 脈沖周期為10 μs。根據波形，當信號功率為 低至 –75 dBm，輸出信號仍具有相當大的信噪比。

圖8.–75 dBm 脈沖連續波輸入的輸出響應。

結論

本文演示了如何使用 ADI公司的信號鏈。這種完整的參考設計提供了靈活性 選擇不同的頻段來對抗復雜的干擾 電磁環境。它還符合Q/GDW11059.8-2013標準 的中國。

審核編輯：郭婷