一种用于UHF频段局部放电源监测的新型辐射测量装置：低成本传感器网络与热图定位的创新方案

《IEEE Access》：A Novel Radiometric Device for Monitoring Partial Discharge Sources in the UHF Band

为解决UHF频段局部放电（PD）监测对高速采样设备的依赖问题，本研究开发了集成天线检测、包络提取和FPGA采集的紧凑型辐射测量装置。实验表明，该系统可通过能量、峰度和波峰因子等特征区分PD源（随机森林分类准确率96%），并利用热图定位放电区域，为变电站连续监测提供了低成本、可扩展的解决方案。

　　

在高压变电站的日常运维中，局部放电（Partial Discharge, PD）如同绝缘系统悄然敲响的警钟。这些持续微秒级、皮库仑量级的微小放电现象，虽能量微弱，却是绝缘劣化的关键指标。传统UHF检测技术虽能有效规避电晕干扰，却受困于高昂的高速采样设备（如示波器），难以实现长期、大范围的布署。更棘手的是，变电站现场还存在强电场、长电缆敷设及恶劣天气等挑战。如何打破成本与技术壁垒，构建可长期值守的PD监测网络，成为行业迫切需求。

针对这一难题，巴西联邦大学坎皮纳格兰德分校的研究团队在《IEEE Access》发表了一项创新成果。他们研制出一款集检测、调理与采集于一体的便携式辐射测量装置，通过巧妙的模拟电路设计将信号带宽压缩至10 MHz，使采样率从GHz级降至100 MS/s，最终在FPGA上实现独立于示波器的数据采集。该装置不仅具备电磁屏蔽结构和电池供电的野外适用性，更首次将热图分析与机器学习分类结合，为PD源定位与识别提供了新思路。

关键技术方法包括：采用生物启发式微带天线（带宽487-1500 MHz）进行UHF信号捕获；通过高速滤波器、低噪声放大器和包络检测器提取PD包络；基于Cyclone IV FPGA的100 MS/s采集系统实现触发式数据存储；利用随机森林模型对能量、峰度等7项特征进行分类；通过多点位能量测量生成热图定位PD源。实验样本涉及36 kV电压互感器（PT）和水轮发电机线棒等高压设备。

检测性能验证

通过高频电流互感器（HFCT）与调理电路信号对比（图11），证实装置捕获的PD包络与标准方法高度同步。图12展示设备实际采集的PD包络波形，其独特形态为分类奠定基础。时频分析（图13）进一步显示能量集中低于10 MHz，符合设计预期。

分类模型构建

随机森林分类器使用能量、持续时间、波峰因子等7个特征，对400个PD包络（PT与发电机线棒各半）进行分类。经特征重要性分析（表1），最终保留波峰因子、峰度和能量三个关键特征，模型准确率达98.17%±1.11%。表3的混淆矩阵显示仅3个误判案例，证明分类器具备高鲁棒性。

热图定位应用

通过9个测量点的能量插值生成热图（图14），成功标识PD源辐射最强区域。实验发现最近传感器对定位精度影响显著（图14b），而远端传感器移除影响较小，印证UHF信号衰减特性。HFCT监测数据（表4）显示PD强度波动小于1 dBm，保障了测量一致性。

研究结论表明，该装置通过包络检测与低速采样策略，在保持96%以上分类精度的同时大幅降低成本。热图分析为传感器网络布署提供空间决策依据，填补了传统方法在长期监测中的应用空白。未来通过扩展设备类型与样本量，有望构建更智能的变电站绝缘诊断系统，实现从“被动检修”到“主动预警”的运维模式变革。