包 晗，張周勝，馬愛清，趙 璐，李 峰

(上海電力學院 電氣工程學院，上海 200090)

中高壓電纜被廣泛地運用在電力網(wǎng)絡中，而且有逐年增加的趨勢.為了保證整個電力網(wǎng)絡的可靠性，必須要保證電力電纜穩(wěn)定可靠地運行，電纜的絕緣對電纜的穩(wěn)定性有著重要的影響.檢測局部放電信號是電力電纜絕緣評估的一項重要任務.

電纜局部放電產(chǎn)生小幅值、高頻率的電流并沿著電纜傳播，由于其固有的特性需要特殊的儀器來測量局部放電信號.電力電纜局部放電測量信號的傳統(tǒng)傳感器有電容式傳感器和高頻電流互感器 .近些年，采用Rogowski線圈來測量局部放電信號的方法已經(jīng)得到了廣泛的關注.[1-4]

Rogowski線圈的基本結構是在一個截面均勻的骨架上均勻地纏繞上一組導線.讓待測電流穿過Rogowski線圈中心，則穿心電流將會在導體周圍產(chǎn)生磁場，該磁場隨著電流的變化而變化，這時Rogowski線圈就會感應產(chǎn)生與待測電流成一定比例關系的電壓信號，母線電流的大小可以通過測量這個電壓信號并計算得出.Rogowski線圈的優(yōu)點是它不與被測電路直接接觸，可以將測量回路與被測的高壓回路隔離開.[5-6]

當Rogowski線圈嚴格地做到線圈的纏繞均勻、線圈的截面積處處相等時，穿過線圈的電流位置不會影響端口的輸出電動勢.然而，在實際的生產(chǎn)操作中，并不能滿足這個條件，所以母線的位置變化就會對線圈端口輸出的電動勢產(chǎn)生一定的影響.本文在Rogowski線圈工作原理的基礎上通過理論和實驗數(shù)據(jù)分析了穿心母線位置的變化對輸出電壓的影響.[7-8]

1 Rogowski線圈的工作原理

Rogowski線圈的結構和測量原理見圖1.

圖1 Rogowski線圈結構和測量原理示意

根據(jù)全電流定律和電磁感應定律可以推導出線圈骨架內磁通Φ和線圈感應電動勢e(t).

由全電流定律:

得到:

骨架中的磁通為:

幾何參數(shù)不均勻的Rogowski線圈結構如圖2所示.

圖2 母線偏心示意

由文獻[7]可知:

式中:R——線圈中心到骨架中心的距離;

λ——被測導體通過傳感器時的偏心度(導線距圓心的距離);

γ——非均勻繞組的起始角度;

θ——非均勻繞組所對應的圓心角.

當λ=0，γ=0且 θ=2π 時，表示 Rogowski傳感器的繞組是均勻纏繞在骨架上的.

2 實驗步驟

傳感器幅頻特性檢測實驗接線如圖3所示.將信號發(fā)生器作為信號源，通過同軸信號電纜串接電阻值為50 Ω的電阻，將同軸信號電纜的屏蔽線穿過Rogowski線圈傳感器，傳感器的輸出端接至示波器.

實驗中采用沒有屏蔽殼的Rogowski傳感器，骨架采用鎳鋅鐵氧體，外徑Ra=92 mm，內徑Rb=61 mm，厚度h=10 mm，初始磁導率u=200u0(其中u0為真空磁導率).繞組集中在骨架的半邊，γ = －60°，θ =120°.

信號發(fā)生器輸出信號的幅值保持500 mV，通過50 Ω的無感電阻，調節(jié)輸出信號的頻率，輸出信號的頻率范圍為0.2～25 MHz，其中，在0.2～1 MHz頻率范圍內的檢測步長為50 kHz，1～25 MHz頻率范圍內的檢測步長為1 MHz，記錄信號發(fā)生器輸出信號的頻率以及示波器接收信號的電壓幅值，繪制出傳感器的幅頻特性曲線.

圖3 傳感器幅頻特性檢測接線

鉗式Rogowski線圈的繞組通常平均分布在BNC接頭側(輸出側)，所以實驗對象選擇沒有屏蔽外殼的 Rogowski線圈，并模仿成品鉗式Rogwski電流傳感器繞線方式.

3 實驗結果分析

將實驗得到的數(shù)據(jù)用Matlab軟件制圖，橫坐標表示通過被測導體的電流頻率，縱坐標表示Rogowski線圈傳感器輸出的電壓幅值.將被測導體穿過圓心、被測導體向BNC頭反方向側偏移1 cm(λ=－1)、被測導體向BNC頭反方向偏移2 cm(λ=－2)的測量結果如圖4所示;將被測導體穿過圓心、被測導體向BNC頭方向側偏移1 cm(λ=1)、被測導體向BNC頭方向偏移2 cm(λ=2)的測量結果如圖5所示.

由圖4可知，當λ=－1時，輸出幅值偏移在4.2%以內;當 λ=－2時，輸出幅值偏移在 9%以內.

由圖5可知，當 λ=1時，輸出幅值偏移在3.4%以內;當 λ=2時，輸出幅值偏移在 6.8%以內.

分別選取輸出信號的頻率 f為 3 MHz，4 MHz，5 MHz，以λ為橫坐標，傳感器輸出幅值為縱坐標作圖進行分析，結果如圖6所示.

由圖6可以發(fā)現(xiàn)，線圈的輸出幅值與偏移量λ大致成線性關系.

圖4 λ=－1，λ=－2時幅頻特性曲線

圖5 λ=1，λ=2時幅頻特性曲線

圖6 輸出幅值與偏心距離的關系

將被測電流的頻率f作為橫軸，近似直線的斜率k作為縱軸，用Matlab作圖，得到的結果如圖7所示.

由圖7可以看出，當頻率f=3 MHz時斜率k達到最大值，之后隨著頻率的增加逐漸減小，圖形的趨勢和傳感器的幅頻特性圖相對應.

圖7 斜率k隨被測電流頻率f的變化

4 結論

(1)當被測導體偏心穿過鉗式Rogwski電流傳感器時會引起傳感器輸出電壓的偏差.

(2)導線偏心穿過鉗式Rogwski傳感器引起傳感器輸出電壓幅值偏差在9%以內，并且與被測導線穿過傳感器時的偏心量有關.

(3)當被測導體向BNC頭側偏移時，導致傳感器輸出電壓幅值增大;當被測導體向傳感器BNC頭反方向偏移時，導致傳感器輸出電壓幅值減小.

[1]ZHANG Z S，XIAO D M，LI Y.Rogowski air coil sensor technique for on-line partial discharge measurement of power cables[J].IET Sci.Meas.Tech.，2009，3(3):187-196.

[2]ARGUESO M，ROBLES G.Implementation of a rogowski coil for the measurement of partial discharges[J]. Rev. Sci.Instrum，2005(6):107-115.

[3]ROBLES G，ARGUESO M，J.Identification of parameters in a rogowski coil used for the measurement of partial discharges[J].IEEE Instrum.Meas.Technol，2007(5):3-7.

[4]ROBLES G，SANZS J.Designing and tuning an air-cored current transformer for partial discharges pulses measurements[J].IEEE Instrum.Meas.Technol，2008(5):2 021-2 025.

[5]馬海杰，尚秋峰，劉艷峰.PCB式 Rogowski線圈的性能分析〔J〕.華北電力大學學報，2007(11):97-100.

[6]羅蘇南，田朝勃.空心線圈電流互感器性能分析[J].中國電機工程學報，2004(3):33-38.

[7]龍祖利.小型大電流 Rogowski線圈設計及性能[J].高電壓技術，2007，33(7):79-83.

[8]張明明，張艷，李紅斌，等.Rogowski電流互感器的積分器技術[J].高電壓技術，2004，30(9):13-16.