基于電磁耦合法XLPE電纜局部放電傳感器的研制

麥洪，張偉忠，張一鳴，陳孝信

(1.廣東電網(wǎng)佛山供電局，廣東 佛山 528000;2.上海交通大學 電氣工程系，上海 200240)

0 引言

隨著我國電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，交聯(lián)聚乙烯(XLPE)電纜憑借其絕緣性能好、介電損耗系數(shù)小、安裝維護便捷等特點，被廣泛應用于各電壓等級的輸電線和配網(wǎng)中［1］。但早期投運的XLPE電纜逐漸接近其使用壽命，故障率大幅上升［2］，嚴重威脅著電網(wǎng)的安全運行。在XLPE電纜絕緣層被擊穿前，其絕緣介質內部往往會發(fā)生局部放電現(xiàn)象，由于局部放電會加速電纜絕緣老化，大大縮短了電纜的使用壽命，因此對局部放電進行檢測有著重要的實際意義。

本文基于電磁耦合法研制了一種高頻電流傳感器，其原理是將羅戈夫斯基線圈安裝于電纜終端屏蔽層的接地線上，通過電磁感應提取出局部放電脈沖。本文研制的傳感器工作頻帶寬、靈敏度高、線性度好，同時采用了鉗式結構設計，安裝方便、抗干擾性強，具有較高的實用價值。

1 電流傳感器數(shù)學模型

本文設計的高頻電流傳感器基于羅戈夫斯基線圈的檢測原理，采用新型磁芯材料，其結構圖如圖1所示。XLPE電纜接地線垂直地從線圈中央穿過，通過羅戈夫斯基線圈可感應出高頻脈沖電流信號，經過積分電阻即可對信號進行提取。

圖1 羅戈夫斯基線圈型電流傳感器結構圖

圖2 傳感器等效電路圖

電流傳感器線圈等效電路圖如圖 2 所示［3］，其中 LS為線圈自感，RS為線圈等效電阻，CS為等效雜散電容，R為積分電阻。根據(jù)局部放電信號的特點，適合使用高頻小信號并聯(lián)諧振理論進行分析，電路方程為:

在滿足下列條件時，電流傳感器滿足自積分條件:

正弦信號下幅頻特性為:

上限頻率為:

下限頻率為:

工作頻帶寬度:

當 fh?fl時，

由公式(9)可知，磁芯材料的磁導率μ越高則LS越大［4］，從而提高工作頻帶寬度。在磁芯材料和尺寸一定時，傳感器幅頻特性及工作頻帶寬的主要決定因素為積分電阻R和線圈匝數(shù)N，R越大則傳感器靈敏度越高，但工作頻帶寬變窄，N越大則傳感器工作頻帶越寬，但靈敏度降低，故設計傳感器時需綜合考慮線圈匝數(shù)和積分電阻的數(shù)值。

2 電流傳感器磁芯材料選擇及參數(shù)確定

2.1 傳感器磁芯材料選擇

為了使羅戈夫斯基線圈不出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象且擁有較寬的工作頻帶，傳感器所使用的磁芯材料要有較大的磁導率和高飽和磁感應強度，幾種常用材料特性見表1［5］。

表1 不同磁芯材料特性

從表1中可以看出超微晶合金具有高磁導率、低損耗、高飽和磁感應強度等特點，所以選取超微晶合金作為高頻電流傳感器磁芯材料。

2.2 傳感器主要參數(shù)的確定

由上一節(jié)的分析可知，積分電阻R和線圈匝數(shù)N均影響著傳感器的幅頻特性及工作頻帶帶寬，為確定此參數(shù)，應用控制變量法進行了如下測試，測試電路圖如圖3所示。

在測試線圈匝數(shù)N對高頻電流傳感器特性影響的實驗中，保持積分電阻R為50 Ω 不變，線圈匝數(shù) N分別取7、8、9及10，測試結果如圖4所示。

圖4中，由下至上線圈匝數(shù)N分別為 10、9、8、7，可見，線圈匝數(shù)越小，傳感器傳遞阻抗越大，靈敏度越高。

圖3 傳感器幅頻特性實驗示意圖

圖4 線圈匝數(shù)對傳感器幅頻特性的影響

在測試積分電阻R對高頻電流傳感器特性影響的實驗中，保持線圈匝數(shù)N不變，積分電阻R分別取50 Ω及100 Ω，測試結果如圖5所示。

圖5 積分電阻對傳感器幅頻特性的影響

圖5 中，由下至上曲線對應的積分電阻R分別為50 Ω及100 Ω，可見，積分電阻越小，傳感器工作頻帶越寬，傳遞阻抗越小，檢測靈敏度越低。

綜合考慮工作頻帶及靈敏度，本文研制的高頻電流傳感器積分電阻選取50 Ω，線圈匝數(shù)選取7匝。

高品電流傳感器用于電纜局放現(xiàn)場檢測時，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，可能安裝在電纜本體上，也可能安裝在電纜的接地線上，根據(jù)需要經?？赡軙囊粭l電纜線路上拆卸安裝到另一條電纜線路上，為此，為了方便安裝及拆卸，傳感器設計時采用的是鉗形結構。制作完成的高頻電流傳感器實物圖如圖6所示。

在靈敏度測試中，高頻電流傳感器傳遞阻抗數(shù)值如表2所示。

圖6 高頻電流傳感器實物圖

表2 傳遞阻抗測試結果

根據(jù)上表繪制的傳遞阻抗圖如圖7所示。

圖7 傳遞阻抗曲線

除傳遞阻抗外，多傳感器還需檢測其一致性，任意兩個傳感器一致性測試結果如圖8所示。

圖8 傳感器一致性測試波形圖

3 結束語

本文基于電磁耦合法研制了應用于XLPE電纜局部放電檢測的高頻電流傳感器，傳感器具有較高的靈敏度和較寬的工作頻帶。經過現(xiàn)場測試，該傳感器可以較好地提取出XLPE電纜中的局部放電信號。如圖9所示，為高頻電流傳感器在某變電站的現(xiàn)場安裝照片，傳感器套接在電纜的接地線上，由于采用的是鉗形結構，傳感器安裝及拆卸都很方便。

如圖10所示，為電纜監(jiān)測系統(tǒng)顯示的高頻局放傳感器測得的電纜中的高頻脈沖信號。傳感器運行穩(wěn)定，能有效檢測出電纜異常信號。

圖9 高頻電流傳感器現(xiàn)場安裝圖

圖10 傳感器檢測到的電纜高頻脈沖信號

［1］朱曉輝，杜伯學，周風爭，等.高壓交聯(lián)聚乙烯電纜在線監(jiān)測及檢測技術的研究現(xiàn)狀［J］.絕緣材料，2009，42(5):58-63.

［2］李華春，周作春，從光，等.110千伏及以上高壓交聯(lián)電纜系統(tǒng)故障分析［C］.全國第八次電力電纜運行經驗交流會，2008:459-470.

［3］趙來軍，何俊桂，錢冠軍，等.電力變壓器局放寬頻帶傳感器的研究［J］.高電壓技術，2005，31(3):46-47.

［4］趙學風，孫振權，姚秀，等.沖擊電壓下局部放電測量用高頻電流傳感器［J］.高電壓技術，2009，35(11):2703-2708.

［5］黃敬華，沈君風，柴荔英.超微晶合金的磁性能及在開關高壓電流中的應用［C］.靜電基礎理論與應用技術研究，中國物理協(xié)會，2002.