引言
根据国际标准IEC 60270的定义，局部放电（Partial Discharge，简称PD）是指在电气绝缘系统中，由于局部区域的电场强度超过其绝缘材料的击穿强度，从而在绝缘体局部区域发生的瞬间放电现象，通常这种放电表现为持续时间小于1μs的脉冲。局部放电是一种常见的电力设备故障前兆，广泛存在于变压器、电缆等高压电器设备，物理本质是强电场下介质局部区域的电离击穿与能量释放过程。由于局部放电并不足以引起完全的电气击穿，其持续存在会导致绝缘性能下降，最终引发重大电力事故，因此对绝缘体的局部放电检测是一项具有重要意义的安全检验。
传统的局部放电检测技术（如脉冲电流法、超声波法，参考图1）在复杂电磁环境中普遍面临准确性低、抗干扰性能弱的技术瓶颈。
图1.左为脉冲电流法，右为超声波法
不过局部放电检测的技术也在不断更新中，其中特高频法（Ultra High Frequency，简称UHF，国内有的地方也翻译成“超高频”，本文沿用国家标准和电力行业标准的名称）是目前局部放电高端检测设备中较为常见的方法。与传统方法相比，UHF技术测量精度更高，受外部电磁干扰影响较小，适合在现场复杂电磁环境中长期运行。下面将结合UHF技术原理和具体案例，来详细说明数字化仪在局部放电中的应用。
UHF技术原理
局部放电检测不同方法的共性都是将放电信息传输至采集设备，以实现数据的采集、处理和显示。此外，为了进一步验证局部放电信号的特征，有时还需对采集到的数据进行保存和二次处理。局部放电的信号特征如下表1所示：
表1. 局部放电的信号特征
UHF方法的原理在于，每一次局部放电过程都伴随着正负电荷的中和，产生的脉冲电流会辐射出高频分量比较丰富的电磁波信号，最高频率可达数GHz，通过天线作为传感器接收局部放电过程辐射的UHF电磁波，再通过ADC采样将接收到的电磁波信号转换为数字信号，最后通过特定的信号处理硬件和专用算法（如包络提取）即可实现局部放电的检测。
业界基于UHF技术原理的产品类型主要包括：手持式巡检仪、台式检测仪、在线式监测系统、高端实验室检测系统等，在应用方面特别适合GIS（Gas Insulated Switchgear，气体绝缘开关设备）、变压器等电力设备的检测。
信号采集需求痛点
虽然业界已经普遍拥有各种不同类型的UHF检测仪器或设备或系统，但针对局部放电的信号采集需求，用户仍然会有一些常见的痛点，总结如下：
(1)采样率与带宽的限制：局部放电脉冲持续时间极短，需高采样率（如GS/s级）才能准确还原波形。台式高端局部放电检测仪的带宽和采样率都可以满足要求，但普遍体积庞大、移动不便，只适合放在实验室作为专门的测试设备，而普通手持式巡检仪则带宽与采样率不够，会导致信号采集失真或遗漏。
(2)垂直分辨率的限制：高端台式检测仪在高采样率和高带宽的配置条件下，通常无法再兼顾高垂直分辨率（通常是在12 bit以下），所以分辨微弱放电信号变得非常困难。
(3)触发功能单一：局部放电的信号幅值小且随机性强，专用UHF局部放电检测仪虽然专门针对放电特征而设计，但常受限于触发能力单一（很多国产中低端检测仪仅支持幅值触发，无法实现相位关联触发），面对这种局部放电信号基本是无能为力的，所以很可能无法稳定捕捉微弱或复杂的信号。
(4)采集存储深度不够：长时间采集信号需要大存储容量，普通UHF检测仪的存储深度通常都不是为连续采集数据而设计的，无法满足长时间记录数据的存储需求，所以存储深度会依赖外部设备（如外挂硬盘），导致触发间隙丢失数据的风险升高。
(5)数据分析功能受限：并非所有的局部放电检测仪都具备局部放电特征参数（如相位分布图谱、相位分辨分析等）的分析与统计功能，而这些功能恰好对应的是局部放电专业领域的需求，其实是很重要的。
(6)便携性与高性能无法兼顾：变电站、输电线路、高铁等户外检测场景中，局部放电现场检测所需的设备都是需要便携的。能满足带宽和采样率要求的高端台式检测仪通常没有移动电源，加上体积与重量的限制，不易携带，难以满足现场检测的需求；而手持巡检仪的带宽和采样率有限，垂直分辨率也不高，虽然携带方便但性能不足，无法满足高性能检测需求。
数字化仪的优势
数字化仪作为一种高性能数据采集设备，在局部放电检测中展现出显著的技术优势，能够有效提升检测精度、抗干扰能力和数据分析效率。其优势如下：
(1)高采样率：数字化仪的采样率可达GS/s，能够精确捕捉局部放电产生的超高频（UHF）或高频（HF）瞬态脉冲（脉宽低至 ns 级）。相较于普通局部放电检测仪的采样率，数字化仪是专门强调以高采样率为核心指标、专注于高速数据采集的高精度设备。
(2)高分辨率：数字化仪可以提供高分辨率（通常为14位或16位），能够区分更微小的电压或电流变化，从而可有效区分微弱放电信号与背景噪声，尤其适用于低能量放电（如电晕放电）或强电磁干扰环境。
(3)更强大的触发能力：数字化仪相较于普通局部放电检测仪的触发功能可谓是丰富而强大，因为数字化仪支持算法级可编程触发?（如局部放电检测中需同时满足相位相关性、脉冲簇密度、幅值变化率等复合条件），以及脉宽/斜率/相位窗口组合触发等更智能的触发方式。
(4)超大的采集存储深度：数字化仪通常配备比普通局部放电检测仪更高的板载缓存，而且支持多通道扩展存储架构，可轻松配置出TB级的存储空间。而且，数字化仪因为采用PCIe等高速总线架构，可以轻松实现GB/s级别的数据吞吐率，远超任何类型的局部放电检测仪。
(5)强大的分析功能：数字化仪可以与工频电压信号进行精确的相位同步，将局部放电信号与工频电压的相位关系进行关联分析。这种相位同步功能可以生成PRPD（相位分辨局部放电）图谱，显示放电脉冲在工频电压周期内的分布情况。PRPD图谱可以显示放电的强度和频率分布，帮助评估放电的严重程度，并分析放电的发展趋势，为故障预测提供依据。另外，数字化仪还可以提供PRPS（相位分辨脉冲序列）、N-Q（放电量-相位）分析、频谱分析、数据处理、数据管理、高级统计分析等多种专业功能。
(6)高性能与便携性兼顾：数字化仪因为是模块化架构?，所以更容易实现?高采样率、小体积、低功耗?。相较于便携式或台式的局部放电检测仪，数字化仪在局部放电检测中凭借轻量化设计、灵活扩展性和便携性，可以很容易支持移动巡检、分布式在线监测（GIS设备）、电缆隧道监测、机架部署与复杂的系统集成等，通过高精度采集、多维度分析等强大功能实现高性能与便携性的兼顾。
除此以外，数字化仪还有以下特性和优势：
(7)更高的有效位数：数字化仪通过专用ADC架构仍然可以在1GS/s以上的采样率情况下仍然保持较高的有效位数（ENOB），而局部放电检测仪和数字示波器类似，由于硬件架构和多级信号链的缘故，通常在高采样率下的有效位数会显著降低，所以同样都是基于ADC原理，数字化仪更能确保微弱放电脉冲触发的可靠性。
(8)多通道同步采集：数字化仪通常支持2~8通道同步采集，而且扩展出更多通道也很容易，所以能够同时接入不同类型的传感器，例如高频电流互感器（HFCT）、超声波传感器（AE）等。多通道同时采集可以探测放电信号的快慢与强弱，实现电-声-电磁联合检测，提供更全面的放电信息；通过对不同位置传感器接收到的信号进行分析，可以更准确地定位放电源的位置。
(9)实时处理：数字化仪内置的FPGA可以实现实时信号处理（如滤波、降噪、脉冲提取、峰值检测等），从而减少后端计算机的负担，提高数据处理效率。
通过上述列举数字化仪在局部放电中的优势，用户可以很清楚地了解到数字化仪不仅解决了普通局部放电检测仪在应用中的痛点，还表现出专业检测工具才拥有的特质。
具体案例和解决方案
案例一：某电力客户选择德国Spectrum公司的数字化仪产品，目的是为了模拟局部放电的脉冲电流经过高频传感器之后完成信号采集这一完整过程，具体方案流程如下图2所示：
图2. 局部放电的脉冲信号经过高频传感器的采集方案流程图
按照上图2的流程完成实物连接，如下图3显示。该系统中高压电源输出端通过高压电缆连接到被试品（变压器）的高压电极，被试品的低压电极（或接地端）通过检测阻抗（通常为50Ω或1kΩ）接地，形成回路。通过线缆将脉冲电流传导出去，经过安装的高频传感器检测高频电流信号，通过传感器的BNC输出接口将信号传输出去，最终由数字化仪采集设备进行采集显示和数据存储。
该数字化仪采型号为M4i.2211-x8，采用PCIe接口，可实现2通道同步采集，每通道最高1.25GS/s采样率，分辨率为8bit。用户也可以设置不同的采样率，满足不同带宽信号的采集要求。在模拟过程中，高压电源系统产生不同大小的放电信号，随着高压电源产生放电信号的减弱，传感器接收并转换的信号也会随之变小，利用数字化仪的通道触发可以有效采集信号并捕获信号的变化（如图3所示）。
图3. 数字化仪通过高频传感器采集到的局部放电信号示意图
在检测到微弱信号时，可预先设定一个略高于背景噪声的阈值，只有当信号强度超过此阈值时，数字化仪才启动采集工作。利用数字化仪的频谱分析功能，能够对信号进行深入处理，从而实现相位信息的精确计算（如图4），这对于分析信号的特性和来源具有重要意义。此外，考虑到局部放电检测可能需要长时间连续监测的需求，理想的数字化仪应具备将采集到的数据持续存储至硬盘的能力，以便完整记录某段时间内发生的全部放电信息，为后续的详细分析和处理提供全面的数据支持。
图4. 左边为数字化仪的时域和频域图，右边为局部放电关注的相位图
案例二：某电力检测公司客户选择坤驰科技自研的数字化仪（型号为QT12131+DC，4通道，每通道采样率为2GS/s，带宽900MHz，14 bit，PCIe3.0x8），将其电力线缆的随机放电信号通过数字化仪的4通道进行采集，用于判断信号的方位与距离测量。具体方案流程如下图5所示（图中的圆圈表示每个通道等待信号的过程）：
图5. 用4通道数字化仪对随机放电信号进行采集的方案流程图
由上面的流程框图可知，该方案利用数字化仪的4路通道，同步采集来自不同位置的随机放电信号，实际采集效果如图6所示。借助数字化仪的通道触发功能，判断各位置信号到达的先后顺序，从而确定放电源的大致方位。再利用时间戳功能获取精确的时间信息，进而实现对放电源距离的测量。
图6. 利用数字化仪QT12131+DC采集到的随机放电信号
结论
综上所述，UHF技术的本质是利用了高速ADC对高频宽带信号进行采集和处理，所以随着技术的进步与发展，原理完全类似的数字化仪方案也逐渐被引入到该应用中。数字化仪具备以下显著特点，使其成为局部放电应用中不可或缺的工具：
1.卓越的多通道扩展性：相比各种局部放电检测设备，能够更高效地进行多路信号同步采集，轻松应对多点监测需求。
2.精准的同步与触发采集功能：可以有效捕捉瞬时窄脉冲信号，确保关键数据不丢失，为精确分析提供保障。
3.强大的专业功能自定义与二次开发能力：凭借开放的软件架构，满足专业客户的个性化需求，实现定制化功能开发。
4.出色的便携性与系统集成性：小巧轻便、低功耗且具备大存储容量，便于集成到复杂测试系统中，适应多样化的应用场景。
5.显著的成本优势：采用模块化设计，在保证性能的同时，成本大幅低于台式仪器，降低用户的设备投资成本。
文案：市场部
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