戴旭益，楊 珀，沈劍榮，陳 炯

(1.上海電力學(xué)院，上海 200090;2.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司，安徽合肥 230061;3.國(guó)電浙江北侖第一發(fā)電有限公司，浙江寧波 315800)

局部放電檢測(cè)是檢驗(yàn)設(shè)備絕緣狀態(tài)的重要試驗(yàn)，局部放電在線監(jiān)測(cè)是近年來(lái)非常熱門(mén)的一個(gè)研究課題.［1］基于羅氏線圈結(jié)構(gòu)的電流傳感器不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些微小的絕緣缺陷引起的電纜局部放電微信號(hào)的檢測(cè)，而且可以在線監(jiān)測(cè)電纜和發(fā)電機(jī)組絕緣介質(zhì)等設(shè)備的絕緣狀態(tài)，［2-3］在電纜或發(fā)電機(jī)組不停運(yùn)的情況下，獲取內(nèi)部絕緣老化狀況，并根據(jù)絕緣狀態(tài)信息制定維修策略，以保證電纜的安全運(yùn)行.

羅氏線圈由于傳遞線性度好、測(cè)量頻率寬、工作速度快，以及無(wú)磁飽和的問(wèn)題而廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)高壓側(cè)電流的檢測(cè)、保護(hù)和控制.［4］本文分析了羅氏線圈的原理，建立了相應(yīng)的高頻模型和等效電路，結(jié)合軟件仿真設(shè)計(jì)出合適的傳感器參數(shù)，然后通過(guò)邊界性能良好濾波器進(jìn)行信號(hào)處理，以提高傳感器的幅頻特性.最后從其靈敏度、工作頻帶及通帶到阻帶的滾降速度等方面檢驗(yàn)了傳感器的性能.

1 電流傳感器原理與高頻模型分析

電流傳感器是一種基于電磁感應(yīng)信號(hào)耦合的線圈，如圖1所示.其基本原理是:一次側(cè)初始信號(hào)電流流過(guò)電流傳感器幾何中心，在初級(jí)線圈交流電流的作用下，磁芯中產(chǎn)生交流磁通，使二次側(cè)線圈感應(yīng)出電流，通過(guò)串接的負(fù)載阻抗得到高頻電流分量.［5-6］

圖1 羅氏線圈結(jié)構(gòu)電流傳感器示意

采用羅氏線圈進(jìn)行測(cè)量時(shí)，載流導(dǎo)線從羅氏線圈的幾何中心穿過(guò)，如果線圈的平均半徑為r，線圈截面上各處磁通量可視為相等，則可以得到:

同時(shí)通過(guò)電磁場(chǎng)理論可知，線圈交鏈的磁鏈而產(chǎn)生的e與初級(jí)電流i的變化率di/dt成比例，因此當(dāng)測(cè)量線圈在繞線均勻情況下得到的單位長(zhǎng)度線圈交鏈的磁鏈為:

式中:B=μH.

對(duì)式(2)進(jìn)行處理可以得到整個(gè)線圈交鏈的磁鏈，然后對(duì)其進(jìn)行微分處理，得到感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:

圖2為羅氏線圈等效電路模型.［6］

由圖2可知:

圖2 羅氏線圈等效電路

將式(4)、式(5)、式(6)聯(lián)立進(jìn)行處理，經(jīng)過(guò)拉普拉斯變換后計(jì)算得到該高頻線圈S域的傳遞函數(shù)為:

在fH遠(yuǎn)大于fL且電阻線圈內(nèi)阻和采樣電阻較小的情況下有:

在高頻信號(hào)作用下，雜散電容的作用不能忽視.分析線圈在諧振角頻率ω0時(shí)的靈敏度:

可知，耦合高頻信號(hào)時(shí)，線圈的靈敏度是由其自身電感Ls，電阻Rs，雜散電容Cs，外接電阻R共同決定的.雖然在高頻信號(hào)作用時(shí)，決定線圈靈敏度的因素比較復(fù)雜，但可以容易得到輸出電壓幅值跟外接積分電阻成正比、與傳感器副邊線圈匝數(shù)成反比的變化關(guān)系.在確定傳感器磁芯材料、結(jié)構(gòu)形狀，以及內(nèi)徑、外徑和高度后，改變線圈匝數(shù)和外接積分電阻的大小，就可以調(diào)節(jié)電流傳感器的工作頻帶和靈敏度.

綜合工作頻帶和靈敏度可以看出，增加積分電阻可以提高靈敏度的同時(shí)會(huì)影響線圈的工作頻帶;增加副邊線圈匝數(shù)可以增加響應(yīng)帶寬的同時(shí)會(huì)影響線圈的靈敏度.因此，在磁芯外部特性確定后，線圈內(nèi)部特性參數(shù)(如匝數(shù)和積分電阻的大小)存在一個(gè)最佳的匹配問(wèn)題，決定著傳感器的工作性能.

2 參數(shù)設(shè)定與仿真分析

設(shè)置傳感器初始參數(shù)，并在Matlab軟件中進(jìn)行仿真，尋找因參數(shù)變化引起傳感器特性變化的規(guī)律.經(jīng)過(guò)多次參數(shù)仿真對(duì)比，本文設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)傳感器參數(shù)如下:線圈外徑為17mm;線圈內(nèi)徑為11.5mm;骨架高度為12.5mm;線圈匝數(shù)為30;銅線直徑為0.4mm.選取磁導(dǎo)率為200的鎳鋅鐵氧體作為傳感器磁芯.

計(jì)算的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置為:M=5.9 μH，Ls=177 μH，Cs=270.9 pF，Rs≈ 1.129 Ω，ρ=0.017 78 Ω·mm2/m.然后對(duì)傳感器進(jìn)行仿真.仿真結(jié)果如圖3所示.

圖3 傳感器仿真結(jié)果

由圖3可知，傳感器在-3 dB時(shí)達(dá)到設(shè)計(jì)的最大靈敏度11 dB，在0.1～0.8 MHz的工作頻段內(nèi)保持穩(wěn)定的靈敏度.

由傳感器模型分析可知，線圈的工作頻帶和靈敏度與所繞制的匝數(shù)和選用的自積分電阻的大小有關(guān).對(duì)于這兩種不同的參數(shù)，在仿真軟件中通過(guò)逐次改變其中一個(gè)參數(shù)來(lái)觀察對(duì)線圈幅頻特性的影響，然后得出兩個(gè)參數(shù)的最佳匹配值.［7］

改變自積分電阻的大小可以改變線圈的幅頻特性，如圖4所示.當(dāng)選用1 000 Ω的自積分電阻時(shí)，設(shè)計(jì)的最大靈敏度約為30 dB.線圈工作頻帶的下限在1 MHz左右才達(dá)到設(shè)計(jì)的最大靈敏度.這樣雖然能夠避開(kāi)改頻段內(nèi)的噪聲干擾，但是在捕捉頻率相對(duì)較低段局部放電信號(hào)的能力方面有所下降，并且最大靈敏度處的工作頻帶遠(yuǎn)小于局部放電信號(hào)的帶寬.如果持續(xù)增加自積分值，則原始信號(hào)的耦合能力更為減弱.當(dāng)選用10 Ω的的自積分電阻時(shí)，設(shè)計(jì)的最大靈敏度為-10 dB，下限頻率將減少到10 kHz，大大增加了工作頻帶內(nèi)耦合干擾信號(hào)的可能.為使靈敏度和帶寬同時(shí)滿足要求，將R取為100 Ω.由仿真結(jié)果可知，積分電阻在100 Ω時(shí)，傳感器的靈敏度和工作頻帶都能很好地滿足局部放電信號(hào)的測(cè)量要求.

圖4 積分電阻影響下的變化規(guī)律

改變繞制匝數(shù)可以改變線圈的幅頻特性，如圖5所示.當(dāng)增加線圈匝數(shù)為90匝時(shí)，設(shè)計(jì)的最大靈敏度約為1 dB，線圈在10 kHz時(shí)已達(dá)到設(shè)計(jì)的最大靈敏度，工作頻帶為0.01 ～1.0 MHz.由于干擾信號(hào)一般在1 MHz以下，該工作頻帶導(dǎo)致線圈抗干擾信號(hào)的能力有所下降.當(dāng)減少線圈匝數(shù)為10匝時(shí)，最大靈敏度為20 dB，工作頻帶為1～10 MHz.該工作頻帶對(duì)于低頻段局部放電信號(hào)的捕捉能力較弱，在0.1～1.0 MHz內(nèi)的信號(hào)不能被耦合過(guò)來(lái).當(dāng)匝數(shù)為30匝時(shí)，傳感器靈敏度和工作頻帶都能很好地滿足局部放電信號(hào)的測(cè)量要求.

圖5 繞線匝數(shù)影響下的變化規(guī)律

根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，最終確定匝數(shù)為30匝，積分電阻為100 Ω，工作頻帶為0．1～8．0 MHz，傳感器的工作頻帶平坦且有12 dB的最大靈敏度．

3 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

對(duì)傳感器耦合到的信號(hào)，一方面要進(jìn)行濾波處理，另一方面由于傳感器幅頻響應(yīng)曲線在通帶和阻帶臨界處的降落速度不夠理想，為提高臨界處的信噪比，綜合考慮下設(shè)計(jì)了如圖6所示的6階帶通濾波單元．

圖6 信號(hào)處理電路

信號(hào)處理部分的頻帶為0．1～10 MHz．前級(jí)采用2階高通濾波器，通帶到阻帶臨界部分的滾降速度為40 dB/10倍頻程，后級(jí)采用4階低通濾波器，臨界部分的滾降速度為80 dB/10倍頻程，邊界滾降性能良好．整個(gè)濾波電路的通帶增益是電壓分壓器比值與濾波器部分增益的乘積，取值為1，故有:

式中:AVF1——巴特沃斯濾波器特定階數(shù)設(shè)定下的增益．

4 測(cè)試結(jié)果

搭建波形發(fā)生器產(chǎn)生各種頻率的正弦波，用高頻電容進(jìn)行分壓，再用一個(gè)相同的高頻電容獲得所需的電流信號(hào)．將電流信號(hào)線盡可能垂直于傳感器幾何中心穿過(guò)，用示波器測(cè)取經(jīng)信號(hào)處理電路的電壓信號(hào)．為了增大線圈的互感，提高線圈的抗干擾能力，采用回繞線方式．測(cè)試結(jié)果如圖7所示．

圖7 加裝處理電路的電流傳感器幅頻特性

帶信號(hào)處理電路的電流傳感器通帶平坦，頻率低于下限頻率處的曲線以40 dB/10倍頻程降落，頻率高于上限頻率處的曲線以80 dB/10倍頻程迅速衰減，處理電路在濾波的同時(shí)提高了通帶和阻帶臨界處的信噪比，增加了傳感器的耦合能力．

盡管實(shí)測(cè)傳感器和仿真幅頻曲線存在一定的靈敏度偏差，但已達(dá)到預(yù)期幅頻要求．偏差原因可能是外界磁場(chǎng)對(duì)羅氏線圈造成的影響、母線偏心放置時(shí)引起的誤差，以及繞線重疊造成的誤差等.通過(guò)改進(jìn)繞組的纏繞技術(shù)和屏蔽措施(屏蔽殼套)，可以在一定程度上減少傳感器的誤差.［8］

5 結(jié)論

(1)分析了高頻電流傳感器模型，設(shè)置了基本參數(shù)對(duì)其進(jìn)行仿真，通過(guò)變化規(guī)律，確定積分電阻和傳感器匝數(shù)合適的匹配值，設(shè)計(jì)制作了性能良好的電流傳感器，適合測(cè)量0.1～8.0 MHz頻段內(nèi)的局部放電信號(hào).

(2)加裝信號(hào)濾波處理電路，提高了傳感器幅頻特性通帶到阻帶的邊界性能，低通部分通帶到阻帶以80 dB/10倍頻程快速降落，能耦合到信噪比高的信號(hào).

(3)加裝信號(hào)處理電路的電流傳感器幅頻特性的測(cè)試表明，電流傳感器在0.1～8.0 MHz的工作頻段內(nèi)具有靈敏度高、工作頻帶寬、通帶曲線波動(dòng)率小的特點(diǎn)，總體工作性能良好.

［1］ 羅俊華，馬翠嬌，邱毓昌，等.35kV及以下XLPE電力電纜試驗(yàn)方法的研究［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2000，24(12):58-61.

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