基于羅氏繞組傳感器的電纜放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

劉名軼，李廣凱，2

（1.華北電力大學(xué)，河北 保定 071000；2.南方電網(wǎng)科學(xué)研究院，廣州 510080）

高壓交聯(lián)聚乙烯（XLPE）電纜具有良好的絕緣特性和熱穩(wěn)定性，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造周期短，因此在電力系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，局部放電是造成電纜絕緣劣化的主要原因，而電纜接頭又是電纜線(xiàn)路中的薄弱環(huán)節(jié)［1］，因此針對(duì)高壓電纜接頭開(kāi)展局部放電檢測(cè)研究對(duì)于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障隱患，保障其可靠運(yùn)行具有重要意義。XLPE 電纜絕緣在逐漸劣化的過(guò)程中，會(huì)隨之產(chǎn)生諸多物理、化學(xué)效應(yīng)，如電磁輻射、發(fā)光發(fā)熱以及產(chǎn)生超聲波等，這些隨之產(chǎn)生的現(xiàn)象為局部放電的檢測(cè)提供了依據(jù)。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)高壓電纜接頭局部放電的檢測(cè)開(kāi)展了大量研究，檢測(cè)方法主要包含電測(cè)法和非電測(cè)法兩大類(lèi)。常用的電測(cè)法有電容傳感器法、差分法、特高頻法以及脈沖電流法等［2］。其中，脈沖電流法采用羅氏繞組作為微電流傳感器，該傳感器可以方便地安裝在電纜接頭的接地線(xiàn)上，其測(cè)量回路與高壓端無(wú)直接的電氣連接，抑制噪聲效果較好，具有抗干擾性強(qiáng)、操作方便安全等優(yōu)點(diǎn)［3］。

1 羅氏繞組微電流傳感器

微電流傳感器是一種帶有高頻鐵心的自積分羅氏繞組電流傳感器，其等效電路如圖1所示。

圖1 羅氏繞組電流傳感器等效電路

圖中，M為繞組的互感；LS、RS為繞組自感和等效電阻；CS為繞組的雜散電容；R為自積分電阻。R和LS形成自積分電路，u0（t）為繞組的輸出電壓信號(hào)。對(duì)等效電路進(jìn)行分析，可以得到在滿(mǎn)足自積分條件下的繞組靈敏度G（s）為：

式中：N為繞組匝數(shù)。由于傳感器的等效電路與高頻小信號(hào)并聯(lián)諧振回路相似，因此利用高頻小信號(hào)并聯(lián)諧振回路理論進(jìn)行分析，得到傳感器的頻率下限fL、頻率上限fH和工作頻帶fB分別為：

由式（1）－（4）可以看出，電流傳感器的靈敏度以及上下限截止頻率主要由積分電阻R、繞組自感LS以及繞組匝數(shù)N共同決定，而繞組自感的大小則主要取決于傳感器的鐵心材料以及磁導(dǎo)率。根據(jù)高壓電纜局部放電信號(hào)幅值小、放電脈沖頻譜范圍寬等特點(diǎn)，磁心材料宜選擇鐵氧體材料。在選擇完磁性材料后，有一個(gè)最佳的積分電阻R及繞組匝數(shù)N，使電流傳感器達(dá)到較寬的工作頻帶，并保持一定的靈敏度。根據(jù)以上幾種參數(shù)的不同，以下設(shè)計(jì)制作了6種不同參數(shù)的電流傳感器，各傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 電流傳感器參數(shù)

利用HP 33120A 信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)幅值不變，頻率10～15×106Hz可調(diào)的電流，使其穿過(guò)傳感器的幾何中心，測(cè)量其感應(yīng)電壓，得到各繞組的幅頻特性曲線(xiàn)如圖2－3所示。其中圖2為傳感器1－4的對(duì)比；圖3為傳感器1、5、6的對(duì)比。

圖2 電流傳感器1－4的幅頻特性

圖3 電流傳感器1、5、6的幅頻特性

由圖2可以看出，錳鋅鐵氧體在頻率為0.5 MHz左右時(shí)已有較好的靈敏度，而鎳鋅鐵氧體在2 MHz以上才達(dá)到設(shè)計(jì)的最大靈敏度，并且隨著鎳鋅鐵氧體磁導(dǎo)率的減小，傳感器的下限頻率不斷升高。理論和試驗(yàn)研究表明：XLPE 電纜局部放電脈沖信號(hào)頻率主要集中在100 MHz以下，而噪聲干擾的頻譜中主要分量多集中在1 MHz以下［4］。因此選用鎳鋅鐵氧體能夠有效避開(kāi)噪聲的干擾，提高傳感器的抗干擾能力和信噪比［5］。

由圖3可以看出，當(dāng)積分電阻R增大時(shí)，雖然傳感器的靈敏度有所提高，但是由式（2）、（3）可知工作頻帶將明顯減小，而由式（1）可知增大繞組匝數(shù)N會(huì)導(dǎo)致傳感器的靈敏度下降，因此最終選擇磁導(dǎo)率為200的鎳鋅鐵氧體作為磁心，傳感器的匝數(shù)為10匝，積分電阻為1kΩ，這樣既能保證傳感器具有較高的靈敏度，又能保證其較寬的工作頻帶。

利用LDS－6局部放電檢測(cè)儀附帶的標(biāo)定單元對(duì)研制的寬頻帶電流傳感器進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，得到不同放電量情況下的傳感器輸出電壓峰值曲線(xiàn)，結(jié)果如圖4所示。5pC 放電量情況下傳感器的輸出電壓波形如圖5所示。

圖4 不同放電量下的標(biāo)定曲線(xiàn)

圖5 電流傳感器在5pC放電量下的輸出波形

2 電纜放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)介紹

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電纜局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖6，在該系統(tǒng)中，首先通過(guò)羅氏繞組電流傳感器檢測(cè)到電纜局部放電產(chǎn)生的微弱的電流信號(hào)，電力電纜中的局部放電具有以下特點(diǎn)：放電電流幅值很小，僅為μA 級(jí)；放電脈沖時(shí)間非常短，僅為ns級(jí)；局部放電信號(hào)的頻率范圍分布很廣。因此要求局部放電檢測(cè)用電流傳感器滿(mǎn)足以下要求：靈敏度高、工作頻帶寬、線(xiàn)性度好、失真小、穩(wěn)定性好。Rogowski繞組實(shí)質(zhì)上是一種I／V 轉(zhuǎn)換型電流傳感器。1912年俄國(guó)科學(xué)家Rogowski通過(guò)大量的試驗(yàn)研究，從理論和試驗(yàn)的角度證明了該種測(cè)量方法的有效性。一般情況下Rogowski繞組是圓形或矩形，繞組骨架可以選擇空心或磁芯骨架，然后將繞組均勻繞制在骨架上。Rogowski繞組的原邊為一匝，副邊為多匝繞組，副邊繞組與被測(cè)電流產(chǎn)生的磁通相交鏈。當(dāng)有脈沖電流穿過(guò)Rogowski繞組內(nèi)孔時(shí)，在副邊繞組的每一匝中都會(huì)產(chǎn)生磁通，整個(gè)Rogowski繞組副邊N匝中產(chǎn)生的磁鏈與導(dǎo)體中的脈沖電流大小成正比，變化的磁鏈產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，且電動(dòng)勢(shì)與被測(cè)電流成正比。因此繞組輸出電壓與被測(cè)電流之間滿(mǎn)足以下關(guān)系：該系統(tǒng)通過(guò)寬頻帶電流傳感器檢測(cè)高壓電纜接地線(xiàn)中的局部放電電流實(shí)現(xiàn)了局部放電信號(hào)的采集、顯示、分析、保存等功能。

圖6 電纜局部放電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)示意

2.2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

該系統(tǒng)通過(guò)寬頻帶Rogowski繞組電流傳感器檢測(cè)高壓電纜接地線(xiàn)中的局部放電電流，由于局部放電電流幅值較小，且頻率范圍分布較廣，因此要求傳感器具有較寬的檢測(cè)頻帶以及較高的檢測(cè)靈敏度，另外還要綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)的電磁干擾對(duì)傳感器的影響，從而確定適合于高壓電纜局部放電檢測(cè)的電流傳感器參數(shù)。

綜上所述，適合于電纜局部放電帶電檢測(cè)的電流傳感器的研制將是工作中的難點(diǎn)。在電流傳感器研制完成之后，還需要配套相應(yīng)的濾波放大電路，另外由于繞組輸出信號(hào)頻率較高，給后續(xù)的數(shù)據(jù)采集以及系統(tǒng)的便攜式設(shè)計(jì)都帶來(lái)了一定困難，因此需要對(duì)高頻的局部放電信號(hào)進(jìn)行檢波，以降低其頻率，這樣就可以選擇采樣速率較低的USB數(shù)據(jù)采集卡，另外對(duì)于計(jì)算機(jī)的要求也相對(duì)降低，可以采用筆記本電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析。對(duì)于系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，可以基于LabVIEW 平臺(tái)，開(kāi)發(fā)相應(yīng)的檢測(cè)軟件，實(shí)現(xiàn)局部放電信號(hào)的采集、顯示、分析、保存等功能。

3 電纜放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 放電模型及試驗(yàn)接線(xiàn)

針對(duì)10kV 的XLPE 電纜接頭局部放電的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了4種典型的放電模型：針板放電、內(nèi)部放電、懸浮放電和沿面放電。其中：針板放電模型，高壓針尖曲率半徑為0.5mm，錐角30°，尖長(zhǎng)15mm，板電極上放置直徑100mm，厚1mm 的環(huán)氧樹(shù)脂絕緣板，針板距離為5 mm；內(nèi)部放電模型，上下2 層均采用厚3mm 的環(huán)氧樹(shù)脂板，中間1層采用1mm厚的環(huán)氧樹(shù)脂板作絕緣介質(zhì)，絕緣板上開(kāi)有直徑為10mm 的圓孔，絕緣板之間用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘結(jié)；懸浮放電模型，2個(gè)板電極之間距離為10mm，接地電極上放直徑100mm，厚5mm 的環(huán)氧樹(shù)脂板，環(huán)氧樹(shù)脂板上面靠近邊緣處放置直徑10mm，高10mm的銅柱；沿面放電模型，2個(gè)板電極之間縱向放置1個(gè)直徑10mm，長(zhǎng)10mm 的環(huán)氧樹(shù)脂棒。4種模型所用的板電極均為直徑50mm，厚10mm 的圓形銅板，為消除電極表面尖角或毛刺的影響，電極表面和邊緣均打磨光滑。為防止電極引線(xiàn)處放電，電極螺帽為專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)加工的球形螺帽。

在實(shí)驗(yàn)室條件下，利用電流傳感器對(duì)局部放電進(jìn)行檢測(cè)，試驗(yàn)接線(xiàn)如圖7所示。圖中R為限流電阻；CK為耦合電容；Zm為L(zhǎng)DS－6局部放電檢測(cè)儀的檢測(cè)阻抗；A 為電流傳感器。

圖7 局部放電試驗(yàn)系統(tǒng)

3.2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.2.1 針板放電

放電初期，所加電壓約為4kV，放電量約為25 pC，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。由圖8可看出放電集中在負(fù)半周電壓峰值處，正半周幾乎沒(méi)有放電現(xiàn)象。隨著電壓的升高，當(dāng)所加電壓達(dá)到約5kV 時(shí)，伴隨有明顯的放電聲，此時(shí)放電量約為500pC，試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。由圖9可看出此時(shí)在正半周電壓峰值處出現(xiàn)較大幅值的放電脈沖。

3.2.2 內(nèi)部放電

試驗(yàn)所加電壓約為6kV，放電量約為100pC，試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。由圖10可以看出放電在正負(fù)半周均有發(fā)生，并集中在上升沿階段，放電呈明顯的針狀。

3.2.3 懸浮放電

懸浮放電的試驗(yàn)結(jié)果如圖11所示，由圖11可以看出懸浮放電的放電量較其他放電模型大得多，約為1 000pC，并伴有強(qiáng)烈的“滋滋”聲。懸浮放電在正負(fù)半周均有發(fā)生并集中在峰值附近。

圖8 針板放電初期試驗(yàn)結(jié)果

圖9 針板放電后期試驗(yàn)結(jié)果

圖10 內(nèi)部放電試驗(yàn)結(jié)果

圖11 懸浮放電試驗(yàn)結(jié)果

3.2.4 沿面放電

沿面放電的試驗(yàn)結(jié)果如圖12所示，放電量約為150pC，由圖12可以看出放電在正負(fù)半周均有發(fā)生，并集中在上升沿階段。與內(nèi)部放電不同的是，沿面放電呈明顯的簇狀且正、負(fù)工頻周期放電圖形比較對(duì)稱(chēng)。

圖12 沿面放電試驗(yàn)結(jié)果

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

在便攜式高壓基于羅氏繞組傳感器的電纜放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制完成之后，選擇在內(nèi)蒙古薛家灣供電局唐公塔110kV 變電站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，對(duì)站內(nèi)的10kV 電纜出線(xiàn)進(jìn)行局部放電的帶電檢測(cè)，以驗(yàn)證所研制系統(tǒng)的有效性，電纜局部放電現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖譜見(jiàn)圖13。

圖13 電纜局部放電現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試圖譜

對(duì)出線(xiàn)電纜局部放電的帶電檢測(cè)，成功驗(yàn)證了基于羅氏繞組傳感器的電纜放電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以有效提取局部放電信號(hào)，直觀地顯示放電信息，實(shí)現(xiàn)XLPE電纜接頭局部放電的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

5 結(jié)論及建議

a.所研制的寬頻帶電流傳感器具有測(cè)量頻帶寬、靈敏度高、操作安全方便、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)局部放電的準(zhǔn)確檢測(cè)。

b.通過(guò)對(duì)4種典型放電模型的試驗(yàn)結(jié)果表明，采用寬頻帶電流傳感器可以有效提取局部放電信號(hào)，直觀地顯示放電信息，可以實(shí)現(xiàn)XLPE 電纜接頭局部放電的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。

c.為了提高現(xiàn)場(chǎng)精確度，需要提高抗干擾能力，并從硬件和軟件上進(jìn)行改進(jìn)。

d.后續(xù)能夠加入局部放電的計(jì)算模塊，將會(huì)大大減輕現(xiàn)場(chǎng)人員的工作量。

［1］羅俊華，邱毓昌，楊黎明.10kV 及以上電力電纜運(yùn)行故障統(tǒng)計(jì)分析［J］.高電壓技術(shù)，2003，29（6）：14－16.

［2］段乃欣.用于電力電纜局放檢測(cè)的寬頻帶電磁耦合法的研究［D］.西安：西安交通大學(xué)，2003.

［3］朱海鋼，馮 江，羅俊華.XLPE電力電纜局部放電高頻檢測(cè)技術(shù)的研究［J］.高電壓技術(shù)，2004，30（Z1）：75－76，86.

［4］羅俊華，馮 江，袁 檢，等.交聯(lián)聚乙烯電纜局部放電高頻檢測(cè)技術(shù)的研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2001，25（12）：42－45.

［5］成永紅，李 偉，謝 恒，等.超寬頻帶局部放電傳感器的研究［J］.高電壓技術(shù)，1998，24（1）：9－11.