UHF技術(shù)原理

數(shù)字化儀作為一種高性能數(shù)據(jù)采集設(shè)備,，在局部放電檢測(cè)中展現(xiàn)出顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，能夠有效提升檢測(cè)精度,、抗干擾能力和數(shù)據(jù)分析效率,。其優(yōu)勢(shì)如下：

(1)高采樣率：數(shù)字化儀的采樣率可達(dá)GS/s，能夠精確捕捉局部放電產(chǎn)生的超高頻（UHF）或高頻（HF）瞬態(tài)脈沖（脈寬低至 ns 級(jí)）,。相較于普通局部放電檢測(cè)儀的采樣率,，數(shù)字化儀是專(zhuān)門(mén)強(qiáng)調(diào)以高采樣率為核心指標(biāo)、專(zhuān)注于高速數(shù)據(jù)采集的高精度設(shè)備,。

(2)高分辨率：數(shù)字化儀可以提供高分辨率（通常為14位或16位）,，能夠區(qū)分更微小的電壓或電流變化，從而可有效區(qū)分微弱放電信號(hào)與背景噪聲,，尤其適用于低能量放電（如電暈放電）或強(qiáng)電磁干擾環(huán)境,。

(3)更強(qiáng)大的觸發(fā)能力：數(shù)字化儀相較于普通局部放電檢測(cè)儀的觸發(fā)功能可謂是豐富而強(qiáng)大，因?yàn)?/span>數(shù)字化儀支持算法級(jí)可編程觸發(fā)?（如局部放電檢測(cè)中需同時(shí)滿足相位相關(guān)性,、脈沖簇密度,、幅值變化率等復(fù)合條件），以及脈寬/斜率/相位窗口組合觸發(fā)等更智能的觸發(fā)方式,。

(4)超大的采集存儲(chǔ)深度：數(shù)字化儀通常配備比普通局部放電檢測(cè)儀更高的板載緩存,，而且支持多通道擴(kuò)展存儲(chǔ)架構(gòu)，可輕松配置出TB級(jí)的存儲(chǔ)空間,。而且,，數(shù)字化儀因?yàn)椴捎肞CIe等高速總線架構(gòu)，可以輕松實(shí)現(xiàn)GB/s級(jí)別的數(shù)據(jù)吞吐率,，遠(yuǎn)超任何類(lèi)型的局部放電檢測(cè)儀,。

(5)強(qiáng)大的分析功能：數(shù)字化儀可以與工頻電壓信號(hào)進(jìn)行精確的相位同步，將局部放電信號(hào)與工頻電壓的相位關(guān)系進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析,。這種相位同步功能可以生成PRPD（相位分辨局部放電）圖譜,，顯示放電脈沖在工頻電壓周期內(nèi)的分布情況。PRPD圖譜可以顯示放電的強(qiáng)度和頻率分布,，幫助評(píng)估放電的嚴(yán)重程度,，并分析放電的發(fā)展趨勢(shì)，為故障預(yù)測(cè)提供依據(jù),。另外,，數(shù)字化儀還可以提供PRPS（相位分辨脈沖序列）,、N-Q（放電量-相位）分析、頻譜分析,、數(shù)據(jù)處理,、數(shù)據(jù)管理、高級(jí)統(tǒng)計(jì)分析等多種專(zhuān)業(yè)功能,。

(6)高性能與便攜性兼顧：數(shù)字化儀因?yàn)槭悄K化架構(gòu)?,，所以更容易實(shí)現(xiàn)?高采樣率、小體積,、低功耗?,。相較于便攜式或臺(tái)式的局部放電檢測(cè)儀，數(shù)字化儀在局部放電檢測(cè)中憑借輕量化設(shè)計(jì),、靈活擴(kuò)展性和便攜性,，可以很容易支持移動(dòng)巡檢、分布式在線監(jiān)測(cè)（GIS設(shè)備）,、電纜隧道監(jiān)測(cè),、機(jī)架部署與復(fù)雜的系統(tǒng)集成等，通過(guò)高精度采集,、多維度分析等強(qiáng)大功能實(shí)現(xiàn)高性能與便攜性的兼顧,。

除此以外，數(shù)字化儀還有以下特性和優(yōu)勢(shì)：

(7)更高的有效位數(shù)：數(shù)字化儀通過(guò)專(zhuān)用ADC架構(gòu)仍然可以在1GS/s以上的采樣率情況下仍然保持較高的有效位數(shù)（ENOB）,，而局部放電檢測(cè)儀和數(shù)字示波器類(lèi)似,，由于硬件架構(gòu)和多級(jí)信號(hào)鏈的緣故，通常在高采樣率下的有效位數(shù)會(huì)顯著降低,，所以同樣都是基于ADC原理,，數(shù)字化儀更能確保微弱放電脈沖觸發(fā)的可靠性。

(8)多通道同步采集：數(shù)字化儀通常支持2~8通道同步采集,，而且擴(kuò)展出更多通道也很容易,，所以能夠同時(shí)接入不同類(lèi)型的傳感器，例如高頻電流互感器（HFCT）,、超聲波傳感器（AE）等,。多通道同時(shí)采集可以探測(cè)放電信號(hào)的快慢與強(qiáng)弱，實(shí)現(xiàn)電-聲-電磁聯(lián)合檢測(cè),，提供更全面的放電信息,；通過(guò)對(duì)不同位置傳感器接收到的信號(hào)進(jìn)行分析，可以更準(zhǔn)確地定位放電源的位置,。

(9)實(shí)時(shí)處理：數(shù)字化儀內(nèi)置的FPGA可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)信號(hào)處理（如濾波,、降噪、脈沖提取、峰值檢測(cè)等）,，從而減少后端計(jì)算機(jī)的負(fù)擔(dān),，提高數(shù)據(jù)處理效率。

通過(guò)上述列舉數(shù)字化儀在局部放電中的優(yōu)勢(shì),，用戶可以很清楚地了解到數(shù)字化儀不僅解決了普通局部放電檢測(cè)儀在應(yīng)用中的痛點(diǎn),，還表現(xiàn)出專(zhuān)業(yè)檢測(cè)工具才擁有的特質(zhì)。

案例一：某電力客戶選擇德國(guó)Spectrum公司的數(shù)字化儀產(chǎn)品,，目的是為了模擬局部放電的脈沖電流經(jīng)過(guò)高頻傳感器之后完成信號(hào)采集這一完整過(guò)程,，具體方案流程如下圖2所示：

圖2. 局部放電的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)高頻傳感器的采集方案流程圖

按照上圖2的流程完成實(shí)物連接，如下圖3顯示,。該系統(tǒng)中高壓電源輸出端通過(guò)高壓電纜連接到被試品（變壓器）的高壓電極，被試品的低壓電極（或接地端）通過(guò)檢測(cè)阻抗（通常為50Ω或1kΩ）接地,，形成回路,。通過(guò)線纜將脈沖電流傳導(dǎo)出去，經(jīng)過(guò)安裝的高頻傳感器檢測(cè)高頻電流信號(hào),，通過(guò)傳感器的BNC輸出接口將信號(hào)傳輸出去,，最終由數(shù)字化儀采集設(shè)備進(jìn)行采集顯示和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

該數(shù)字化儀采型號(hào)為M4i.2211-x8,，采用PCIe接口,，可實(shí)現(xiàn)2通道同步采集，每通道最高1.25GS/s采樣率,，分辨率為8bit,。用戶也可以設(shè)置不同的采樣率，滿足不同帶寬信號(hào)的采集要求,。在模擬過(guò)程中,，高壓電源系統(tǒng)產(chǎn)生不同大小的放電信號(hào)，隨著高壓電源產(chǎn)生放電信號(hào)的減弱,，傳感器接收并轉(zhuǎn)換的信號(hào)也會(huì)隨之變小,，利用數(shù)字化儀的通道觸發(fā)可以有效采集信號(hào)并捕獲信號(hào)的變化（如圖3所示）。

圖3. 數(shù)字化儀通過(guò)高頻傳感器采集到的局部放電信號(hào)示意圖

在檢測(cè)到微弱信號(hào)時(shí),，可預(yù)先設(shè)定一個(gè)略高于背景噪聲的閾值,，只有當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度超過(guò)此閾值時(shí)，數(shù)字化儀才啟動(dòng)采集工作,。利用數(shù)字化儀的頻譜分析功能,，能夠?qū)π盘?hào)進(jìn)行深入處理，從而實(shí)現(xiàn)相位信息的精確計(jì)算（如圖4）,，這對(duì)于分析信號(hào)的特性和來(lái)源具有重要意義,。此外，考慮到局部放電檢測(cè)可能需要長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)監(jiān)測(cè)的需求，理想的數(shù)字化儀應(yīng)具備將采集到的數(shù)據(jù)持續(xù)存儲(chǔ)至硬盤(pán)的能力,，以便完整記錄某段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的全部放電信息,，為后續(xù)的詳細(xì)分析和處理提供全面的數(shù)據(jù)支持。

圖4. 左邊為數(shù)字化儀的時(shí)域和頻域圖,，右邊為局部放電關(guān)注的相位圖

案例二：某電力檢測(cè)公司客戶選擇坤馳科技自研的數(shù)字化儀（型號(hào)為QT12131+DC,，4通道，每通道采樣率為2GS/s,，帶寬900MHz,，14 bit，PCIe3.0x8）,，將其電力線纜的隨機(jī)放電信號(hào)通過(guò)數(shù)字化儀的4通道進(jìn)行采集,，用于判斷信號(hào)的方位與距離測(cè)量。具體方案流程如下圖5所示（圖中的圓圈表示每個(gè)通道等待信號(hào)的過(guò)程）：

圖5. 用4通道數(shù)字化儀對(duì)隨機(jī)放電信號(hào)進(jìn)行采集的方案流程圖

由上面的流程框圖可知,，該方案利用數(shù)字化儀的4路通道,，同步采集來(lái)自不同位置的隨機(jī)放電信號(hào)，實(shí)際采集效果如圖6所示,。借助數(shù)字化儀的通道觸發(fā)功能,，判斷各位置信號(hào)到達(dá)的先后順序，從而確定放電源的大致方位,。再利用時(shí)間戳功能獲取精確的時(shí)間信息,，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)放電源距離的測(cè)量。

圖6. 利用數(shù)字化儀QT12131+DC采集到的隨機(jī)放電信號(hào)