電力電纜局放電磁耦合高頻傳感器的研制

談雪晶， 宮 黛， 孫 靜， 孔德武， 趙子玉

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240；2.上?；蹡|電氣有限公司，上海200436）

電力電纜局放電磁耦合高頻傳感器的研制

談雪晶1， 宮 黛1， 孫 靜1， 孔德武2， 趙子玉1

（1.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240；2.上?；蹡|電氣有限公司，上海200436）

電力電纜現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于輸配電網(wǎng)，其絕緣狀況關(guān)系到電網(wǎng)的安全運(yùn)行。現(xiàn)評價電力電纜絕緣狀況的主要手段是檢測電纜的局部放電。局部放電脈沖放電電流大小一般都在微安級，屬于高頻小電流信號。首先以羅戈夫斯基線圈為原型，分析了電流傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)對傳感器性能的影響。然后設(shè)計制作了高頻磁芯電磁線圈、放大電路和濾波電路，并進(jìn)行仿真和實驗研究。驗證了設(shè)計的線圈頻帶寬，信噪比高，獲得了預(yù)期效果。

電力電纜；局部放電；電磁耦合傳感器

0 引 言

隨著我國城市建設(shè)飛速發(fā)展，電力電纜以其占地少、對人身安全、供電可靠、維護(hù)工作量小等優(yōu)點，在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。為保證供電的安全可靠，電纜的檢測技術(shù)尤為重要?，F(xiàn)在國際上使用的電纜絕緣的在線檢測方法很多，但由于局部放電和電纜絕緣狀況關(guān)系密切，國內(nèi)外一致認(rèn)為局部放電檢測是電纜絕緣監(jiān)測的最佳方法。

迄今為止，國內(nèi)外用于電纜局部放電檢測的方法有很多，主要有差分法、超高頻電感耦合法、超高頻電容耦合法、電磁波法、電磁耦合法等等。其中，基于電磁耦合法原理的電纜局部放電檢測方法最常使用。電磁耦合式傳感器所用磁芯材料、結(jié)構(gòu)，傳感器安裝位置、抗干擾措施等各有不同。電磁耦合式傳感器通常為寬頻帶HF或VHF羅氏線圈電流傳感器，它可以檢測到局放產(chǎn)生的高頻電流信號，并且直接跨接在地線或是電纜上，不與高壓端產(chǎn)生電氣上的直接連接，只有磁的耦合，所以不會帶來更多的干擾，抑制噪聲能力較強(qiáng)。

1 電流傳感器原理

電流傳感器是一種穿心式的線圈，其基本原理是：當(dāng)電纜接地線或外屏蔽連接線的電流流過傳感器中心時，就會在其四周產(chǎn)生圓形磁場，次級繞組感應(yīng)出脈沖信號，通過取樣電阻檢測此信號，再送入分析單元來判斷是否有局部放電信號。電流傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電流傳感器的線圈磁環(huán)截面為方形，b為線圈外徑，a為線圈內(nèi)徑，h為線圈高度。

假設(shè)穿心導(dǎo)線通過大小為i的電流，那么在它的周圍會產(chǎn)生輻射的電場和同心圓的磁場。由全電流定律可導(dǎo)出導(dǎo)線外部的磁感應(yīng)強(qiáng)度：

圖1 電流傳感器結(jié)構(gòu)圖

式中：μ0為真空磁導(dǎo)率（H/m）；x為距線芯的距離（m）。

對于線圈來說，其一直處于導(dǎo)線的外部，所以通過線圈磁芯截面的磁通密度：

式中，μr為線圈磁芯的相對磁導(dǎo)率（H/m）。故線圈感應(yīng)電壓：

又由于

所以可以得到電流傳感器的參數(shù)：

式中：d為線圈繞線線徑（m）；ρ為繞線電阻率（Ω·m）；A為繞線截面積（m2）；l為繞線長度（m）；N為纏繞匝數(shù)。

線圈的自感、互感、等效電阻與線圈的規(guī)格、磁芯選取、漆包線的選擇、纏繞匝數(shù)有關(guān)。而線圈的參數(shù)又決定了設(shè)計的電流傳感器的增益、頻帶寬度、信噪比、靈敏度等。

在高頻小電流信號下，需考慮分布電容的影響，設(shè)線圈雜散電容為Cs，取樣電阻R，線圈的等效電路如圖2所示。

圖2 高頻下電流傳感器的等效電路圖

根據(jù)等效電路圖和基爾霍夫定律，可解得線圈的輸入輸出特性在S域為：

在正弦穩(wěn)態(tài)信號下：

則傳感器的幅頻特性為：

相頻特性為：

在測量高頻信號且線圈內(nèi)阻采樣電阻較小的情況下，下限和上限截止頻率可以等效為：

即線圈的通頻帶為：

線圈諧振頻率為：

在高頻信號作用下，雜散電容的作用不能忽視，由于線圈內(nèi)阻和采樣電阻很小，此時幅值的增益即線圈靈敏度為：

由上式可以知道，在高頻時，線圈的靈敏度是由其自身電感、電阻、雜散電容、外接電阻共同決定的。雖然高頻信號作用時，決定線圈的靈敏度的因素比較復(fù)雜，但是從公式可以看出，靈敏度還是具有與外接電阻成正比，與線圈匝數(shù)成反比的規(guī)律。

本文設(shè)計的傳感器旨在安裝在電纜接地線處測量局部放電，所以希望設(shè)計出的電流互感器有如下的要求：（1）頻帶范圍在20 kHz～20 MHz；（2）增益大，靈敏度好，能正確反映所測局放信號；（3）線圈尺寸合適，便于安裝在接地線處。

由上述參數(shù)分析可知，決定設(shè)計出的傳感器的特性的參數(shù)主要有頻帶寬度和靈敏度。首先，關(guān)于頻帶寬度，為了使傳感器的頻帶寬，就必須盡量使上限截止頻率大，下限截止頻率小，即使取樣電阻和線圈電阻盡量小，線圈自感盡量大。由上述公式可知，要使自感Ls大，就需要選擇大的磁芯磁導(dǎo)率和增大線圈的纏繞匝數(shù)，通過增加繞線的直徑d來減小線圈電阻Rs。其次，關(guān)于靈敏度，根據(jù)分析可知靈敏度大小與取樣電阻成正比，與線圈匝數(shù)成反比。這樣就存在了矛盾，即減小取樣電阻，可以擴(kuò)寬頻帶，但是會降低靈敏度，增加繞線匝數(shù)也可以擴(kuò)寬頻帶，同樣會降低靈敏度。所以就需要在線圈尺寸一定的情況下，選擇合適的外接電阻和纏繞合適的匝數(shù)，使得設(shè)計的傳感器具有較寬的檢測頻帶和較高的靈敏度。

Matlab仿真線圈參數(shù)對線圈特性影響的結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3 取樣電阻對線圈特性的影響

圖4 線圈電感對線圈特性的影響

2 電流傳感器羅氏線圈設(shè)計制作

設(shè)計中設(shè)定的檢測信號頻率20 kHz～20 MHz，所以一般所使用的磁芯材料諸如MnZn鐵氧體都不符合要求。一般MnZn鐵氧體的相對磁導(dǎo)率大約為2 000左右，其工作頻率為2～3 MHz。所以為了達(dá)到本設(shè)計的要求，采用了NiZn鐵氧體線圈。設(shè)計的線圈參數(shù)如下：線圈內(nèi)徑75.9 mm，外徑98.3 mm，線圈高度11.45 mm，相對磁導(dǎo)率約為100左右，適合的工作頻率約為15 MHz。

為了使得線圈更好地安裝在接地線上，線圈為兩個半圓，外加專門設(shè)計的兩個半圓形狀的屏蔽盒，用螺母將其一邊固定，方便開合。這樣就可以非常方便地套在電纜接地線上進(jìn)行局部放電測量。制作的線圈如圖5所示。

圖5 電流傳感器實物圖

3 電流傳感器放大濾波電路設(shè)計

3.1 放大電路設(shè)計

由于電纜的運(yùn)行環(huán)境異常復(fù)雜，干擾信號極易影響局部放電信號的采集，所以為了便于對局部放電信號進(jìn)行進(jìn)一步的識別和檢測，放大電路是必不可少的。對于高頻電流傳感器來說，采集到的信號頻帶寬、幅值小、干擾大，所以對放大電路的要求嚴(yán)格，主要有以下幾點：

（1）合理的放大倍數(shù)。由于檢測到的局部放電信號非常微弱，而且是在高頻的狀況下，所以采用MOS管組成的運(yùn)放來實現(xiàn)前置放大。由于羅氏線圈是在自積分的工作方式下運(yùn)行的，所以外接采樣電阻會很小，采集得到的電壓也會很小，不便于后續(xù)的波形分析，所以需要選擇合適的放大倍數(shù)。

（2）設(shè)置合適的靜態(tài)工作點。僅有合適的放大倍數(shù)還是不夠的，由于放大電路中存在著電感和電容等電抗器件，在輸入信號的頻帶較低或較高時，放大倍數(shù)都會降低，所以不同的放大電路都有不同的工作頻帶，必須使得放大電路的工作頻帶和信號的頻帶匹配，才能避免信號失真。

（3）放大電路要有盡可能大的輸入電阻和小的輸出電阻，以保證放大電路不會對輸入輸出信號產(chǎn)生影響。

（4）放大電路要有高的穩(wěn)定性，這就要求放大器工作在深度負(fù)反饋，故應(yīng)選擇高頻性能好的三極管構(gòu)成放大電路。

（5）使用的偏置電流要非常小，轉(zhuǎn)換速度要非?？?。

（6）需要限制放大電路中失調(diào)電壓和偏置電流的大小。

綜合考慮以上這些因素并結(jié)合電纜局部放電脈沖信號的特點，選擇了晶體管和場效應(yīng)管來實現(xiàn)放大電路，其電路設(shè)計靈活、速度快、工作頻率高。

為了實現(xiàn)信號源與輸入級阻抗匹配，采用場效應(yīng)管放大器作為輸入級。中間級采用三極管共發(fā)射極放大器以實現(xiàn)信號放大。由于輸出級需要向負(fù)載提供足夠的功率，所以采用低輸入電阻的共集電極放大器。

K163是一種N溝道結(jié)型場效應(yīng)管，具有速度高、低驅(qū)動電流、無二次擊穿等特點。適合作為輸入級的放大器。

SS9013是輸出功率1W的半導(dǎo)體三極管，具有高的集電極電流和線性度良好的共發(fā)射極直流放大倍數(shù)，基極-集電極飽和電壓為0.6V，基極輸入偏置電流非常小，只需要微安級就可以進(jìn)入放大區(qū)，放大倍數(shù)可近百倍。

整個放大板電路部分如圖6所示。

圖6 整個放大板電路圖

在復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境中，盡管存在著種類繁雜的干擾信號，但是干擾信號和局部放電信號所包含的頻譜分量不完全相同，故可使用帶通濾波器濾除部分干擾，以提高信噪比。

在本文中，我們希望將檢測信號的頻率設(shè)定在20 kHz～20 MHz之間，所以采用低通和高通電路串聯(lián)起來組成的帶通濾波器。如圖7所示，本設(shè)計中利用TI公司的200 MHz CMOS集成運(yùn)放。

此種運(yùn)放要求采用單電源供電，電壓范圍為+2.7 V～+5.5V，但是供電電壓的浮動范圍一般在+2.5 V～+5.5V，如果電壓超過7.5 V的話就會對運(yùn)放產(chǎn)生損傷。所以，本文中選擇比較常用的7805芯片為濾波電路提供電壓。圖7中C4和C5是為了濾除5 V電源中的紋波而設(shè)置的。為了使交流信號能夠不失真地放大，那么就必須考慮電源偏置的問題，圖7中R3和R4就是單電源運(yùn)算放大器的偏置電路構(gòu)成，提供運(yùn)放同向輸入端的基準(zhǔn)電壓。電容C3用來旁路AC信號，提高AC的電源抑制能力。

圖7 帶通濾波電路

3.2 抗干擾措施

本文設(shè)計了檢測局部放電的硬件電路，在硬件電路設(shè)計過程中應(yīng)用了如下的一些抗干擾措施：

（1）系統(tǒng)中的電源在接入芯片之前都會先經(jīng)過旁路電容，再送入相應(yīng)的管腳。

（2）高頻信號在送入輸入端之前都要經(jīng)過一個低通濾波器，再送入相應(yīng)回路，它不僅可以濾去高頻干擾，也可以改善電壓波形。

（3）高壓試驗中采用隔離變壓器對儀器供電，能有效阻止高壓回路中的干擾信號經(jīng)電源流入檢測儀器中。

（4）高壓引線選用較粗的銅導(dǎo)線，在接線處均套上均壓罩，以保證在被試品上發(fā)生局部放電時高壓導(dǎo)線不會發(fā)生局部放電。

（5）采用單點接地。電氣設(shè)備的接地不僅保護(hù)設(shè)備，也為了保證人身安全，如果在一個測量系統(tǒng)中有兩點或者兩點以上的接地點，則由于兩點之間可能存在電位差而引起干擾，導(dǎo)致測量不準(zhǔn)。

（6）電流傳感器需要設(shè)計一個屏蔽罩，用以屏蔽空間中高頻電磁場干擾。

4 電流傳感器幅頻特性測量

根據(jù)實驗前的仿真和資料查詢的相關(guān)分析，采用信號源產(chǎn)生各種頻率的正弦波，采用兩個2 200 pF的高頻電容進(jìn)行分壓，再用一個相同的高頻電容獲得需要的電流信號，線圈匝數(shù)選擇0.75 mm的銅漆包線纏繞8圈，外接電阻5Ω的采樣電阻，用示波器采樣電壓信號。實驗測得電流傳感器幅頻特性如圖8所示。

圖8 電流傳感器幅頻特性曲線

5 結(jié) 論

本文理論計算和仿真分析了電流傳感器線圈電感和取樣電阻與線圈特性的關(guān)系。結(jié)果表明，取樣電阻和繞線電阻越小、線圈電感越大，傳感器頻帶越寬，但同時傳感器靈敏度也會越小。

本文設(shè)計制作了電磁耦合高頻電流傳感器線圈，并應(yīng)用一些抗干擾措施，設(shè)計了電流傳感器放大電路和濾波電路。實驗表明，研制的高頻電磁耦合傳感器頻帶寬、信噪比高，獲得了預(yù)期效果。

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Design of Electromagnetic Coup ling High Frequency Sensor Used in Cable Partial Discharge

TAN Xue-jing1，GONG Dai1，SUN Jing1，KONG De-wu2，ZHAO Zi-yu1
（1.School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai200240，China；2.ShanghaiWelldone Electric Equipment Company，Shanghai200436，China）

Power cables have been widely used in themodern power grid.The insulation condition of the cable concerns the security and stability of the power grid.Now themainmethod of evaluating the cableˊs insulation condition is to detect the partial discharge of the cable.The pulse currentof partial discharge is generally in themicroampere level，which belongs to small current signal of high frequency.This paper analyzes the impact of the parameters of the current sensor on the sensor performance.This paper designs a high-frequency electromagnetic coupling sensors，amplification circuit and filter circuit，using Rogowski coil as the basic prototype and a high frequency core.The experiment is simulated and verifies that the improved coil does not producemagnetic saturation；furthermore，it has broadband，high signal to noise ratio，obtaining quite a satisfactory result.

power cable；partial discharge；electromagnetic coupling sensor

TM855

A

1672-6901（2014）03-0014-05

2013-08-22

談雪晶（1981-），男，工程師.

作者地址：上海市廣元西路55號［200030］.