Diseño de la mejor interfaz para sistemas de monitoreo UHF en línea con desmontaje parcial

Resumen

Este artículo describe el diseño de un front-end de RF para sistemas de monitoreo de línea de descarga parcial de ultra alta frecuencia (UHF) utilizando una cadena de señal de Analog Devices. El extremo frontal tiene baja sensibilidad y alto rango dinámico, lo que cumple con los requisitos del estándar empresarial Q/GDW11059.8-2013 de China State Grid Corporation "Especificación técnica para dispositivos de prueba en vivo de equipos eléctricos, Parte 8: Especificaciones técnicas para frecuencia ultra alta Detector de Descarga Parcial” por un amplio margen.

Introducción

Según IEC 60270, una descarga parcial (PD) es una descarga eléctrica que ocurre en un área localizada de aislamiento entre dos electrodos conductores sin cerrar completamente el espacio. Se considera ampliamente que la DP es el mejor indicador de alerta temprana del deterioro del aislamiento eléctrico de los activos eléctricos dentro de las redes eléctricas.

Cuando se produce una DP, genera una señal con un amplio rango de frecuencias, por lo que existen cuatro técnicas de detección de DP que se enfocan en diferentes rangos de frecuencia. La técnica de detección ultrasónica se enfoca en el rango de frecuencia de 20 kHz a ~200 kHz, la técnica de detección del transformador de corriente de alta frecuencia (HFCT) se enfoca en el rango de frecuencia de 3 MHz a ~30 MHz, la técnica de detección de voltaje de tierra transitorio (TEV) se enfoca en la frecuencia rango de 3 MHz a ~ 100 MHz, y la técnica de detección de ultra alta frecuencia (UHF) se enfoca en el rango de frecuencia de 300 MHz a ~ 1500 MHz. Debido a la alta sensibilidad de detección, la técnica UHF se usa ampliamente en sistemas de monitoreo de línea de DP para aparamenta aislada en gas (GIS), transformadores y unidades principales de bucle (RMU).

Análisis de señal DP

De acuerdo con la Sección 7.1 de Q/GDW11282-2014 "Especificación de inspección del sitio para aparamenta de descarga parcial UHF con aislamiento de metal gemelo con aislamiento de gas", el generador de señal de DP típico puede generar las siguientes características de señal de pulso de DP: pulso de tiempo de subida que no excede los 300 ps y ancho de pulso entre 10 ns y 500 ns. Esta información luego se usa para crear una señal de simulador de PD en Python. El tiempo de subida es de 300 ps y el tiempo de caída es de 10 ns. La amplitud máxima de la señal de pulso es de 100 mV y el ruido de pico a pico es de 10 mV. La tasa de muestreo es de 10 GSPS y el tiempo de muestreo es de 10 μs. El pulso se coloca en el centro del tiempo de muestra y las formas de onda ascendentes y descendentes se ajustan linealmente.

La forma de onda simulada en el dominio del tiempo de la señal de DP se muestra en la Figura 1 y la forma de onda en el dominio de la frecuencia se muestra en la Figura 2. Según la Figura 2, la señal de DP con la mayor cantidad de energía se encuentra en el rango de frecuencia por debajo de 1 GHz. Para un tiempo de subida del pulso inferior a 300 ps, ​​se localizará más energía a una frecuencia más alta.

En el entorno electromagnético complejo moderno, hay muchas señales de interferencia inalámbrica entre UHF PD con un rango de frecuencia de trabajo de 300 MHz a 1500 MHz. Para combatir esta interferencia, los clientes normalmente seleccionarán una subbanda entre 300 MHz y 1,5 GHz para capturar pulsos de DP. Por lo general, las señales de comunicación inalámbrica para GSM alrededor de 900 MHz son las señales que más interfieren. Una solución a este problema es implementar un filtro de rechazo de banda (BRF) que rechace señales de 800 MHz a 1000 MHz. En la Tabla 1 se muestra un esquema típico de división de subbandas. Por supuesto, la división de subbandas es flexible y los clientes pueden realizar ajustes según el entorno electromagnético real.

Tabla 1. Esquema típico de división de subbandas de descargas parciales de UHF

Sub-bonos	Rango de frecuencia
banda completa	300MHz a ~1500MHz
banda de paso bajo	300MHz a ~800MHz
banda de paso alto	1000MHz a ~1500MHz
Bono de rechazo de bonos	300 MHz a ~1500 MHz a 800 MHz a banda de ~1000 MHz rechazada

Con base en la sección de subbanda de la Tabla 1, solo mantenemos los componentes de frecuencia correspondientes del espectro de la señal de DP que se muestra en la Figura 2, y luego realizamos una transformada rápida de Fourier inversa (IFFT) para determinar cuál es la forma de onda en el dominio del tiempo después de filtrar la correspondiente. . El filtrado posterior de la forma de onda en el dominio del tiempo se muestra en la Figura 3. Según la Figura 3, después del filtrado, se reducirá el valor máximo del pulso de DP. Después del filtrado, el tiempo de subida del pulso de DP aumentará y el tiempo de caída disminuirá. De todas las formas de onda después del filtrado, la banda completa tiene el mayor valor de pico, seguida de los valores de la banda de rechazo de banda y la banda de paso bajo. La banda de paso alto tiene el valor máximo más pequeño, pero el pulso de DP todavía es detectable.

Frontal de RF del detector UHF PD que utiliza una cadena de señal de dispositivo analógico

Se puede desarrollar una placa detectora de RF frontal UHF DP de cuatro canales utilizando la cadena de señal de Analog Devices. Un ejemplo de uno y su diagrama de bloques se muestra en la Figura 4, y su vista frontal en el tablero se muestra en la Figura 5.

La primera etapa de desarrollo de este front-end implica el bloque de ganancia de RF ADL5611. El ADL5611 tiene una figura de ruido baja (NF) de 2.1dB y un P1dB alto de 21dBm, lo que proporciona un alto rango dinámico. El ADL5611 tiene una ganancia de 22dB y su balance de ganancia sobre la frecuencia operativa UHF PD de 300MHz a 1500MHz es extremadamente plano, con una ondulación de ganancia de menos de 0,4dB. Todas estas características hacen que el ADL5611 sea ideal para aplicaciones de detección de descargas parciales UHF.

La segunda etapa de desarrollo involucra inductores y capacitores basados ​​en un filtro de paso de banda (BPF) de 300 MHz a 1500 MHz, que brinda rechazo a la interferencia fuera de banda.

La tercera etapa utiliza dos interruptores de RF de cuatro vías y un polo HMC7992 (SP4T) para implementar el circuito de selección de banda de frecuencia. La primera ruta de RF es una ruta de paso bajo de CC de 800 MHz, la segunda ruta de RF es una ruta de paso alto de 1 GHz, la tercera ruta es una ruta de rechazo de banda de 800 MHz a 1 GHz y la cuarta ruta es una ruta directa. sendero. De acuerdo con la selección de diferentes rutas de RF, los clientes pueden elegir diferentes bandas de frecuencia de RF para capturar pulsos de DP en la banda de frecuencia con interferencia mínima o nula. El HMC7992 tiene una baja pérdida de inserción de 0,6 dB, un alto aislamiento de 45 dB y una alta P0,1 dB de 33 dBm.

La cuarta etapa es un BPF de 300 MHz a 1500 MHz, que es el mismo que el BPF utilizado en la segunda etapa y proporciona un rechazo adicional de la interferencia fuera de banda.

La última etapa es el detector logarítmico de RF, ADL5513, que convierte la señal UHF PD en una señal de baja frecuencia de varias decenas de MHz. Esto permite el uso de un ADC con una frecuencia de muestreo de 40 MSPS o 65 MSPS para convertir la señal de DP analógica en una señal digital. Para las aplicaciones de detección de DP, las principales características requeridas para un detector de RF son el tiempo de respuesta y el rango dinámico. El ADL5513 tiene un tiempo de respuesta tan bajo como 20 ns y un rango dinámico tan alto como 80 dB, lo que lo hace ideal para aplicaciones de detección de DP. El detector de RF logarítmico AD8318 también es adecuado para aplicaciones de detección de DP. En comparación con ADL5513, tiene un tiempo de respuesta más rápido, pero el rango dinámico es ligeramente inferior.

Resultados de la prueba

Se prueba el rendimiento del teclado y se muestran capturas de pantalla en la Figura 6 a la Figura 8.

La figura 6 muestra el parámetro S desde la primera etapa hasta la entrada ADL5513 de la última etapa en una ruta directa. Muestra que de 300 MHz a 1500 MHz de banda completa, la ganancia es de aproximadamente 14 dB con una uniformidad de ganancia mejor que 2 dB y la pérdida de retorno de entrada es mejor que -8 dB.

La figura 7 muestra el voltaje de salida medido frente a la potencia de entrada de la señal de onda continua de frecuencia media de 900 MHz. Se miden dos canales con potencia de entrada. Según el resultado de la prueba, toda la cadena de señal tiene una respuesta lineal en el rango de potencia de entrada de -75 dBm a -5 dBm. El rendimiento de canal a canal también es consistente.

La figura 8 muestra una forma de onda de salida medida como una entrada pulsada en una señal de onda continua de 900 MHz. La intensidad de la señal es de -75 dBm, el ancho del pulso es de 5 μs y el período del pulso es de 10 μs. Dependiendo de la forma de onda, cuando la intensidad de la señal es tan baja como -75 dBm, la señal de salida aún tiene una relación señal/ruido significativa.

Conclusión

Este artículo mostró cómo crear una placa detectora de descargas parciales UHF utilizando una cadena de señal de Analog Devices. Este diseño de referencia integral brinda la capacidad de seleccionar diferentes bandas de frecuencia para combatir la interferencia en entornos electromagnéticos complejos. También cumple con el estándar chino Q/GDW11059.8-2013.

Referencias

Álvarez, Fernando, Fernando Garnacho, Javier Ortego and Miguel Ángel Sánchez-Urán. "Aplicación de sensores HFCT y UHF en medidas de descargas parciales para diagnóstico de aislamiento de equipos de alta tensión." Sensores, Vuelo. 15, No.4, abril de 2015.

Q/GDW11059.8-2013 "Especificación técnica para dispositivos de prueba en vivo de equipos eléctricos, parte 8: Especificaciones técnicas para detectores de descarga parcial de frecuencia ultraalta". »