一種用于電纜局放檢測的高頻電流傳感器的設(shè)計

舒博，李嫣然，趙泓霖，許永鵬，錢勇，盛戈皞

(1.上海交通大學(xué) 電氣工程系，上海 200240；2.國網(wǎng)山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250000)

0 引 言

交聯(lián)聚乙烯(Cross Linked Polyethylene，XLPE)電纜是電力輸配電網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分之一。XLPE電纜本體或其附件的絕緣擊穿事故，會對電網(wǎng)安全運行造成巨大威脅。局部放電是造成XLPE電纜絕緣劣化的主要原因[1-2]。檢測電纜局部放電信號是當(dāng)前電纜絕緣檢測工作的關(guān)鍵，對于減少停電事故發(fā)生、提高供電可靠性有重要意義。

高頻電流法是電纜局部放電帶電檢測中，最為常用的方法之一[3-5]。高頻電流法利用高頻電流傳感器(HFCT)檢測局部放電的脈沖電流信號。當(dāng)前國內(nèi)使用的高頻電流傳感器，依然存在抗干擾性不強、靈敏度低等問題[6]。為了提高電纜局放信號檢測的效率與準(zhǔn)確度，本文研制了一種新型高靈敏度高頻電流傳感器，設(shè)計了一套性能測試試驗。測試表明傳感器的6 dB帶寬為300 kHz到35 MHz，靈敏度達(dá)6.07 V/A，且具有較強的抗干擾能力，能夠為電纜局放現(xiàn)場檢測提供有力支持。

1 高頻電流傳感器原理

高頻電流傳感器由在環(huán)狀磁芯材料上纏繞多匝導(dǎo)電線圈制成，通常安裝在電纜接地線上。電纜內(nèi)部發(fā)生局部放電時，會產(chǎn)生高頻脈沖電流沿著接地線向大地傳播。當(dāng)脈沖電流穿過傳感器磁芯中心時，引起的交變電磁場會在線圈上產(chǎn)生感應(yīng)電壓。高頻電流法通過分析感應(yīng)電壓信號特征，獲取電纜內(nèi)局部放電的診斷信息。高頻電流傳感器安裝方便，測量回路與被測電纜之間沒有直接的電氣連接。傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖1所示。

圖1 高頻電流傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

電流傳感器等效電路如圖2所示。

圖2 電流傳感器等效電路圖

根據(jù)一二次線圈的感應(yīng)電壓可以列出下式：

(1)

(2)

式中:M是傳感器一次回路和二次回路間的互感系數(shù);R1和L為傳感器線圈的內(nèi)阻和自感;C為雜散電容;R2為積分電阻。對式(1)和式(2)進(jìn)行拉氏變換，可以得到傳遞函數(shù)：

(3)

按3 dB帶寬計算可知上下截止頻率分別為：

(4)

(5)

傳感器的幅頻特性為：

H(jω)=

(6)

由式(4)和式(5)可得傳感器的頻帶寬度：

(7)

式中：fH為上限截止頻率;fL為下限截止頻率。為了使傳感器的頻帶寬度足夠大，必須減小R2和C，增大L。

由式(6)可知，忽略C影響時，傳感器的傳遞函數(shù)為：

(8)

為了提高傳感器靈敏度，應(yīng)該減小L，增大M和R2。

(9)

(10)

由式(9)和式(10)可知，如果傳感器的尺寸已經(jīng)確定，可以通過增大線圈磁導(dǎo)率和線圈匝數(shù)來增大L，或者減小積分電阻R2從而提高傳感器頻帶寬度；可以通過減小磁導(dǎo)率和線圈匝數(shù)，或者增大積分電阻R2，從而提高傳感器靈敏度。

由此可見，傳感器的靈敏度和頻帶寬度是相互制約的，靈敏度增大時，頻帶寬度降低，靈敏度較小時，頻帶寬度增大。因此，傳感器的制作需要根據(jù)實際工程應(yīng)用情況，選取最佳的L和R2，達(dá)到靈敏度和頻帶寬度的平衡。

2 高頻電流傳感器的參數(shù)

2.1 磁芯

高頻電流傳感器常采用的磁芯材料有3種：超微晶合金、玻莫合金和冷軋硅鋼片[7]，它們的典型參數(shù)比較見表1。磁芯材料的高頻性能在一定程度上決定了傳感器的工作性能，磁芯的磁導(dǎo)率越高，傳感器的精度越高。過去的傳感器磁芯材料大多使用硅鋼鐵芯，但是硅鋼磁導(dǎo)率較低，難以滿足現(xiàn)場測試日益增長的精度要求。玻莫合金鐵芯具有極高的磁導(dǎo)率，但是成本價格又過高。綜合考慮性能與成本，文中選擇用超微晶鐵芯作為傳感器的磁芯材料[8-9]。超微晶鐵芯的初始磁導(dǎo)率極高，可以達(dá)到3 M 左右，最大磁導(dǎo)率達(dá)到4 M。超微晶鐵芯在線路中有很高的介入損耗，能有效抑制EMI共模噪聲,且具有良好的頻率特性和溫度穩(wěn)定性。

表1 電流傳感器鐵芯常用磁芯材料典型參數(shù)比較

2.2 傳感器的尺寸

環(huán)狀磁芯的內(nèi)外徑長度決定磁通路長度與截面積，理論上為了減少磁損內(nèi)徑越小越好，實際中應(yīng)該比現(xiàn)場電纜直徑稍大，因此本文中取磁環(huán)的內(nèi)徑為90 mm。在一定范圍內(nèi)，磁環(huán)截面積越大，測量誤差越小，但是隨著截面積增大，平均磁路長度以及二次線圈阻抗的增加超過某臨界點后，測量誤差反而增大。文中的磁環(huán)外徑設(shè)計為120 mm，高度為15 mm。

2.3 線圈匝數(shù)與直徑

線圈的匝數(shù)和直徑影響傳感器互感系數(shù)、自感與內(nèi)阻值。通過MATLAB仿真研究了改變這幾種電路參數(shù)對傳感器頻率特性的影響，并反映一定范圍內(nèi)隨著線圈匝數(shù)的增加，低頻截止頻率減小，帶寬增大，但靈敏度下降[10-14]。綜合帶寬、靈敏度以及穩(wěn)定性的考慮，本文選擇用直徑為0.5 mm的漆包線繞制成匝數(shù)等于20的線圈，在磁芯的左右兩側(cè)等距離各繞10匝。

圖3 高頻電流傳感器實物完成圖

圖4 帶寬與傳遞阻抗測試示意圖

此外，為了避免測量回路受到外部干擾電磁場的影響[15]，傳感器用鋁合金材質(zhì)的屏蔽殼體將磁芯與線圈外側(cè)包圍，只留出一個N形公頭作為輸出電壓接口。

高頻電流傳感器完成圖如圖3所示。

3 傳感器性能測試

3.1 傳遞阻抗測試

傳遞阻抗決定傳感器的測量靈敏度。高頻電流傳感器傳遞阻抗測量示意圖如圖4所示。

信號發(fā)生器輸出頻率可調(diào)的電壓，在試驗回路中產(chǎn)生相應(yīng)頻率的、峰-峰值為20 mA的正弦電流信號。在0.2 MHz～50 MHz范圍內(nèi)調(diào)整頻率，用示波器同時測量不同頻率f下被檢傳感器(HFCT)的輸出電壓V及串聯(lián)電阻R兩端的電壓V0，按式(11)求得該頻率下的傳遞阻抗值。其中，示波器CH1通道測量傳感器輸出電壓V，CH1阻抗設(shè)置為50 Ω；CH2測量串聯(lián)電阻R兩端電壓V0，其中串聯(lián)電阻采用50 Ω±0.2%的無感電阻，其兩端電壓的測量采用示波器高阻電壓探頭，測量帶寬為500 MHz。傳感器傳遞阻抗計算公式為：

(11)

式中:K為傳遞阻抗，mV/mA;V0為信號發(fā)生器輸出電壓幅值;R為串聯(lián)電阻阻值;V為傳感器輸出電壓值。

圖5 傳感器傳遞阻抗-頻率特性曲線

保持信號發(fā)生器輸出電壓幅值不變，逐步調(diào)整頻率，得到傳遞阻抗曲線如圖5所示。

由圖5可以看出，高頻電流傳感器的傳遞阻抗在3 MHz～30 MHz頻段范圍內(nèi)均大于5 mV/mA，最大值到達(dá)6.07 mV/mA，遠(yuǎn)高于國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，能夠滿足現(xiàn)場電纜局部放電檢測的需要。

3.2 幅頻特性與檢測頻帶測試

幅頻特性與檢測頻帶決定著傳感器的有效測量范圍。高頻電流傳感器幅頻特性與檢測頻帶測量示意圖如圖4所示。

信號發(fā)生器輸出頻率可調(diào)的電壓，通過串聯(lián)電阻R在試驗回路中產(chǎn)生相應(yīng)頻率的、峰-峰值為10 mA的正弦電流信號。在0.2 MHz～50 MHz范圍內(nèi)調(diào)整頻率，通過示波器CH1通道測量傳感器輸出電壓V，CH1阻抗設(shè)置為50 Ω；通過示波器CH2通道測量串聯(lián)電阻R兩端的電壓V0從而監(jiān)視流過串聯(lián)電阻R的電流，在調(diào)整頻率時保持電流不變，其中串聯(lián)電阻采用50 Ω±0.2%的無感電阻，其兩端電壓的測量采用示波器高阻電壓探頭，測量帶寬為500 MHz。

圖6 傳感器幅頻特性曲線

保持流過串聯(lián)電阻R的電流不變，逐步調(diào)整頻率，得到傳感器幅頻特性曲線如圖6所示。

由圖6可以看出，在3 MHz～30 MHz頻段內(nèi)，高頻電流傳感器的幅頻特性曲線較為平滑，最大值位于21 MHz頻點處，且6 dB帶寬大于2 MHz，且均落在3 MHz～30 MHz頻段內(nèi)，遠(yuǎn)高于國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 抗干擾能力測試

圖7 抗干擾能力測試示意圖

抗干擾性試驗示意圖如圖7所示，采用陡脈沖發(fā)生器作為放電脈沖信號源，經(jīng)過100 pF的注入電容在試驗電纜回路中產(chǎn)生高頻脈沖放電電流；同時用信號發(fā)生器經(jīng)電阻R產(chǎn)生正弦交變干擾電流。令兩種電流同時施加到HFCT的輸入端。當(dāng)脈沖發(fā)生器放電電荷量Q為50 pC時，固定干擾電流峰峰值為25 mA，逐步調(diào)整干擾電流頻率從50 kHz增加到40 MHz，觀察傳感器的信噪比。

試驗表明，當(dāng)干擾信號在50 kHz～40 MHz頻段內(nèi)，都可以在傳感器輸出中明顯辨別出疊加的放電脈沖信號。圖8和圖9為當(dāng)干擾信號分別為500 kHz和40 MHz時，傳感器輸出電壓信號波形示例。

圖8 干擾信號為500 kHz時檢測到疊加的脈沖信號

圖9 干擾信號為40 MHz時檢測到疊加的脈沖信號

4 現(xiàn)場應(yīng)用

圖10為某變電站電纜終端接頭局放帶電檢測現(xiàn)場照片。在電纜終端的A、B、C三相接地線上分別套接1個高頻電流傳感器，在電纜終端附近，放置1個特高頻傳感器；4個傳感器的輸出信號經(jīng)過信號調(diào)理單元之后，依次接在高速示波器的通道1-通道4上。圖11為測試數(shù)據(jù)，從上至下依次為A、B、C三相電纜接地線上的高頻電流信號和特高頻信號。

圖10 現(xiàn)場測試照片

圖11 測試數(shù)據(jù)

由圖11(a)可知，特高頻傳感器和高頻電流傳感器均能測到明顯的異常脈沖信號，且信號呈明顯的工頻相關(guān)性。由圖11(b)可知，A相接地線上測得的高頻信號幅值明顯較其他兩相大。

綜合分析后認(rèn)為，該電纜終端接頭存在異常的局部放電現(xiàn)象，放電源位于A相電纜接頭。解體后，在A相電纜終端接頭中，發(fā)現(xiàn)明顯的放電痕跡，如圖12所示。

圖12 電纜終端接頭解體照片

5 結(jié)束語

測試表明，基于超微晶鐵芯研制的新型高頻電流傳感器，具有較高的靈敏度與較強的抗干擾能力，能夠有效提取電纜局部放電產(chǎn)生的高頻電流信號，提高電纜局部放電帶電檢測的準(zhǔn)確性。