（高电压与绝缘技术专业论文）基于xlpe电缆局部放电检测的传感器研究.pdf

中文摘要 交联聚乙烯( x l p e ) 电力电缆凭借优异的电气、热、机械性能及易敷设和维 护简单等优点，被广泛应用于城市电网中。由于在电缆生产、运输、安装及运行 过程中引入杂质、气泡、毛刺、凸起等缺陷，在电场作用下，电缆绝缘中会产生 局部放电现象，造成绝缘劣化，引发电缆故障。因此，检测电力电缆局部放电信 号，对评估电缆绝缘状态，保障电力系统可靠运行具有重要的理论意义和实用价 值。由于局部放电信号非常微弱，极易淹没在环境噪声和干扰信号中，如何采用 传感器将局部放电信号提取出来已成为局部放电检测中最关键的环节之一。 本文首先基于电磁感应原理研制了罗氏线圈高频电流传感器，考察了磁芯材 料、绕线直径、绕线匝数、积分电阻对传感器幅频特性的影响，提取了最优参数。 采用该传感器测量1 0k vx l p e 电缆样品中的局部放电信号，并与脉冲电流法的 测量结果对比。结果表明，该高频电流传感器满足电缆局部放电在线检测的要求， 可用于在线局部放电信号检测。 其次，基于电容耦合原理研制了内置式电容传感器，考察了电容电极宽度、 电极间距对传感器输出特性的影响，并选取了最优参数。为抑制工频干扰，设计 了高通滤波放大电路，增益为3 4d b 。采用该传感器测量含有两种典型缺陷的1 0 k vx l p e 电缆样品中的局部放电信号，并与脉冲电流法测量结果对比。结果表 明，内置式电容传感器灵敏度高，抗工频干扰能力强，可用于在线局部放电检测。 最后，基于f a r a d a y 磁光效应原理研制了光学电流传感器，并对三种典型缺 陷模型及含缺陷的1 0k v x l p e 电缆进行检测。结果表明，光学电流传感器可用 于高频小电流检测，有广阔的应用前景。 关键词：x l p e 电缆局部放电罗氏线圈内置式电容传感器光学电流传感器 a b s t r a c t x l p ep o w e rc a b l eh a sb e e nu s e di naw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n si np o w e r s y s t e mf o ri t se x c e l l e n te l e c t r i c a l ，t h e r m a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s , e a s yi n s t a l l a t i o n a n dm a i n t e n a n c e d u r i n gt h e p r o c e d u r e s o fc a b l e p r o d u c t i o n ，t r a n s p o r t a t i o n ， i n s t a l l a t i o na n do p e r a t i o n ，w e a kp o i n t ss u c ha si m p u r i t i e s ，b u b b l e s ，b u r r , c o n v e xa r e i n t r o d u c e dw i t h i nt h ec a b l e i th a sb e e n p o i n t e do u tt h a tp a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) a p p e a r st ob ei n d u c e db yf i e l de n h a n c e m e n ta r o u n dt h ew e a kp o i n t s ，w h i c ht e n d st o d e g r a d a t et h ei n s u l a t i o nt h a tm a yg i v er i s et os e r i o u sc a b l ef a i l u r e t h e r e f o r e ，f r o mt h e v i e w p o i n to fs a f t y , i ti sn e c e s s a r yt og a i nag o o du n d e r s t a n d i n go fp db e h a v i o rw i t h i n o p e r a t i n gc a b l e s d u et ot h ep r e s e n c eo fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e s ，p d m e a s u r e m e n th a sb e e nc o n s i d e r e da so n e r e m a r k a b l yd e p e n d i n gu p o nt h eb e h a v i o ro f s e n s o r t h u s ，s e n s o rd e s i g nb e c o m e so n eo ft h em o s ti m p o r t a n ti s s u e si nd e t e c t i n gp d s i g n a l s i nt h i sp a p e r , h i g hf r e q u e n c yc u r r e n tt r a n s f o r m e r ( h f c t ) w a sf i r s t l yd e s i g n e db y u s i n ge l e c t r o m a g n e t i cc o u p l i n gf u n d e m e n t a l s f o u rc o i l sa r ee m p l o y e dt oi n v e s t i g a t e t h ee f f e c t so fc o i lm a t e r i a l s ，d i a m e t e ro fe n a m e l e dw i r e ，c o i lt u r n sa n di n t e r g r a l r e s i s t a n c eo na m p l i t u d e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so ft h es e n s o r , b yw h i c ht h eo p t i m a l p a r a m e t e r sf o rs u c hd e s i g nw e r ec h o o s e n p dm e a s u r e m e n tw a ss u b s e q u e n t l yc a r r i e d o u to na10k vx l p ec a b l es a m p l e o b t a i n e dr e s u l t ss h o wt h a tt h eh f c t i sw i t hh i g h s e n s i t i v i t yt h a tm a t c h e st h ed e m a n d so fp dd e t e c t i o n s e c o n d l y ，i n n e rc a p a t i v ec o u p l e rs e n s o rw a sd e s i g n e db yu s i n gc a p a c i t a n c e c o u p l i n gf u n d e m e n t a l s b ya s s e m b l i n gt h es e n s o rw i t h i nac a b l es a m p l e ，e f f e c t so f e l e c t r o d ew i d t ha n di n t e r v a lb e t w e e ne l e c t r o d e so nt h e s e n s o rr e s p o n s ew e r e e x a m i n e d , a n dt h eo p t i m a l p a r a m e t e r s f o r t h e d e s i g n w e r e s u g g e s t e d p d m e a s u r e m e n tw a st h e np e r f o r m e do nt w o10k vx l p ec a b l es a m p l e sw i t ha r t i f i c i a l w e a k p o i n t s o b t a i n e dr e s u l t ss h o wb e t t e rp e r f o r m a n c eo fs e n s i t i v i t ya n d a n t i i n t e r f e r e n c ew i t hi n n e rc a p a t i v ec o u p l e rs e n s o rt h a nt h a tw i t h p u l s e dc u r r e n t m e t h o d t h i r d l y ，o p t i c a l f i b e rc u r r e n tt r a n s f o r m e r ( o f c t ) w a sd e s i g n e d b yu s i n g f u n d e m e n t a l so ff a r a d a ym a g n e t o o p t i c a le f f e c t p dm e a s u r e m e n to ns a m p l e sw i t h t y p i c a lw e a kp o i n t sw a sp e r f o r m e db yt h eo f c t ，t h ee f f e c t i v e n e s sf o rt h eu s eo fs u c h s e n s o ri np dd e t e c t i o nw i t h i nx l p ec a b l ew a sv e r i f i e d k e yw o r d s ：x l p ec a b l e ，p a r t i a ld i s c h a r g e ( p d ) ，h i g h f r e q u e n c yc u r r e n t t r a n s f o r m e r ( h f c d ，i n n e rc a p a t i v ec o u p l e r , o p t i c a lf i b e rc u r r e n tt r a n s f o r m e r ( o f c t ) 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他入已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨壅叁堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 款磊 签字日期：多a a 罗 年 多月乎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位做作者躲钦磊 新躲奄 b 孛 签字日期：跏了年 6 月年日 签字日期：砂明年月牛日 天津大学硕：l 学位论文第一章绪论 1 1 研究意义 第一章绪论 随着我国城市电网改造和升级步伐的进一步加快，电力电缆越来越多的应用 于各种电压等级的输电线路和配电网中。据不完全统计，已投入运行的1 1 0 k v 及 以上的高压电缆线路达数百公里，而3 5 k v 及以下电压等级多达5 0 万公里之多， 最高电压等级已达5 0 0 k v l 。 近年来，x l p e 电缆以其优越的电气性能、良好的热、机械效应、安装维护 方便等特点被广泛应用于电力系统。投入运行后，由于在电缆生产、运输、安装 及运行过程中引入杂质、气泡、毛刺、凸起等缺陷，或长期受到水分、潮气、化 学物质的侵蚀渗透，引发电缆绝缘老化，影响电缆运行寿命1 2 1 。目前，国内对高 压x l p e 电缆绝缘检测多进行周期性的耐压试验，该方法对明显缺陷较有效，而 对于那些需发展数年才逐步显现老化迹象的绝缘薄弱点却无能为力。近年来，研 究者提出了基于局部放电在线监测的x l p e 电缆绝缘状况评估方法p j 。局部放电 指发生在电缆本体绝缘或附件中的非贯穿性放电现象【4 】。在局部放电过程中，电 离出的电子、正负离子在电场力作用下获得较大能量，当它们撞到绝缘中气隙内 壁时，可打断绝缘材料高分子的化学键，产生裂解。此外，在放电点上，介质发 热可达到很高的温度，使绝缘材料在放电点被烧焦或融化；温度升高还会产生热 裂解，使介质电导及损耗增加，加速绝缘老化。局部放电过程还会产生许多活性 生成物，腐蚀绝缘体，使介质性能劣化。连续爆破性的放电及放电产生的高压气 体都会使绝缘体产生微裂，形成电树枝老化。研究证明，电缆局部放电量与其绝 缘状况密切相关，放电量增大预示着电缆绝缘可能存在危害电缆安全运行的缺 陷。因此，准确测量电缆局部放电量是判断电缆绝缘品质最直观、有效的方法。 国外虽在六十年代起开展了关于电缆绝缘局部放电检测方法的研究，并进行了长 期的实践摸索，但对x l p e 电缆绝缘老化及其检测技术的研究仍不完善。此外， 由于1 1 0k v 与2 2 0k v 级x l p e 电缆在世界上开发应用至今不过3 0 余年，不像充油 电缆有5 0 年以上成熟的使用经验并且具备完善的绝缘老化检测方法。因此，深入 研究x l p e 电缆局部放电的测量方法，对正确评估电缆绝缘安全状态、保障电力 系统的可靠供电具有重要的理论意义和实用价值。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 2x l p e 电力电缆局部放电检测技术研究现状 局部放电是电缆绝缘非破坏性电气试验的重要项目。从5 0 年代后期开始，世 界各国纷纷采用宽频带放大检测器对电缆绝缘进行局部放电检测。1 9 6 3 年，荷兰 n k f 电缆厂f h k r e u g e r 博士发表了他19 5 7 19 6 0 年实验研究的论文和局部放 电检测一书，奠定了局部放电测量技术的基础1 5 】。此后，国际大电网会议( c i g r e ) 第2 l 技术委员会( 高压电缆) 成立了局部放电工作组，针对电缆局部放电的特点进 行确定试验方法标准的工作【6 j 。1 9 7 9 年，德国5 家主要电缆工厂同汉诺威大学西 林研究所合作研究，提出了长电缆上局部放电测试的科学方法1 7 j 。1 9 8 0 年德国 正式批准这一建议为国家标准。1 9 8 2 年国际电工委员会( 1 e c ) 第1 7 - i - 作组采纳为 i e c 标准草案，1 9 8 5 年经各国i e c 分委会多数表决，同意将该草案作为电缆局部 放电的试验方法标准1 9 l 。 对已敷设的x l p e 电缆进行现场检测，现场的外界干扰远比在实验室中复杂， 所以需要适合现场操作的灵敏度高、抗干扰性强和轻便灵活的测试仪器与方法。 局部放电的测试以局部放电所产生的各种现象为依据，通过能表述该现象的物理 量的测量来表征局部放电的状态。因此测试的方法很多，有脉冲电流法( 测试样 两端电荷的变化) ，电桥法( 测放电能量损耗) ，无线电干扰电压法( 测放电量产生 的无线电干扰电压) ，以及许多非电检测法( 测局部放电产生的声、光、热以及放 电生成物等) 。其中，传统的脉冲电流法是8 0 年代初发展起来的一种测试方法， 以其安全、可靠、接线简单等优点显示了强大的生命力【l 玉1 4 】。脉冲电流法采用线 性耦合器采集电缆中的电流行波信号。它是将线性电流耦合器穿过低压侧地线， 通过磁耦合来检测电缆故障击穿时在接地线中产生的局部放电脉冲电流信号，成 功地实现了仪器与高压回路的耦合，省去了与电缆之间的串联电阻与电感，简化 了接线。由于测量回路与高压回路无直接的电气连接，对记录仪器和操作人员来 说，特别安全、方便，且电流耦合器耦合输出的脉冲电流波形也比较容易分辨 1 3 l 。 近年来，国内外研究者深入研究了x l p e 电缆局部放电在线监测的方法。由 于局部放电信号微弱，波形复杂多变，极易被背景噪声和外界电磁干扰噪声淹没， 所以，抑制电磁噪声、获取理想的信噪比是实现电缆局部放电在线监测的重要课 题。局部放电在线监测方法中主要的有差分法、方向耦合法、电磁耦合法、电容 分压法、超高频电容法、超高频电感法、超声波检测法等。差分法是日本东京电 力公司和日立电缆公司共同开发的一种检测方法，其接线示意图如图1 1 ( a ) 所示。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 外 金 护 ( a ) 差分法检测结构示意图 高压导体 注入的 极 ( b ) 差分法电路原理图 图1 1 差分法结构示意图和电路原理图 z c ， 该方法将两块金属箔通过耦合剂分别贴在x l p e 电缆中间接头两侧的金属 屏蔽筒上，金属箔与屏蔽筒之间构成一个约为1 5 0 0p f 2 0 0 0p f 的等效电容。两 金属箔之间连接5 0q 的检测阻抗。金属箔与屏蔽筒的等效电容、两段电缆绝缘 的等效电容与检测阻抗构成检测回路，如图1 1 ( b ) 所示。 当电缆接头一侧存在局部放电时，由于另一侧电缆绝缘的等效电容的耦合电 容作用，检测阻抗便耦合到局部放电脉冲信号。该信号将输入到频谱分析仪中进 行窄带放大并显示。当频谱分析仪中心频率设在1 0m h z 2 0m h z 时，信噪比最 高。差分法的检测回路类似于差动平衡电路，来自导线芯的噪声信号在检测阻抗 的两端不能产生压降，因而可以很好地抑制噪声。日本电力公司将其应用于2 7 5 k vx l p e 电缆局部放电在线监测中，检测灵敏度达到0 2p c 4p c 1 5 】。 方向耦合器的结构示意图如图1 2 所示，由一个插在电缆绝缘上的电极板、 一个罗氏线圈和两个终端阻抗( 分别与端口a 、b 相连) 构成。电极板与金属屏 蔽层之间形成等效电容，罗氏线圈分为性能相同的两部分。当局部放电信号沿电 缆从一侧( 如右侧) 传来，在电容和线圈上可感应出脉冲信号，b 端输出的电压 信号为电容的电压信号和线圈2 的电压信号的叠加；而a 端输出的电压信号则 为电容与线圈1 的电压信号相减得到。如果电容耦合的信号与线圈耦合信号大小 相等，则b 端输出信号则增大，而a 端信号则被抵消了，由此可判断局部放电 无津大学硕士学位论文第一章绪论 脉冲的传播方向。通常，只需2 个端口的电压比值大于8 ：1 时即可认为该脉冲 信号为局部放电信号且方向可判断。检测系统在电缆中间接头两侧分别安装一个 方向耦合器，这样可以根据两个方向耦合器耦合到的局部放电信号的方向判断该 放电脉冲信号是来自中间接头内部还是来自外部。这种方法具有很好的抗干扰能 力。现场测试表明，方向耦合器的检测灵敏度可小于5 p c 。检测系统测量频带最 高可达6 0 0m h z i t s 。 罔1 - 2 方向耦台结构图 电磁耦合检测法是一种测量电气设备局部放电的有效方法。这种方法较早 应用于发电机、变压器的绝缘监测，而将电磁耦合法应用于x l p e 电缆的而局部 放电检测是近几年才开始的。目前，基于电磁耦合法原理研制的x l p e 电缆局部 放电检测装置较多，采用的传感器材料及结构、安装位置、抗干扰措施等各有不 同。电磁耦合法通常采用带铁氧体磁芯的宽频带罗氏线圈型电流传感器，安装在 电缆中间接头或终端的金属屏蔽接地线处呻。电磁耦台法用于x l p e 电缆局部放 电在线监测比较成功的例子是1 9 9 8 年瑞士研制的1 7 0 k v x l p e 电缆局部放电在 线监测系统。该检测系统由罗氏线圈、前置放大器和频谱分析仪等组成。检测系 统以铁氧体磁芯线圈为传感器，磁芯直径为3 6m m ，线圈匝数为l 匝，积分电阻 为5 0n ：搠i 量位置选在1 7 0 k v x l p e 电缆中间接头金属屏蔽的连接引线上如 图1 3 所示【2 5 1 。 圉i - 3 电流传感器安装位置图 天津大学硕士学位论文第章绪论 此外，德国汉诺威大学提出的一种检测方法可提高电磁耦合法的抗干扰能 力，较好地判断电缆中间接头是否存在局部放电现象。其基本原理是将两个性能 相同、绕线方向相反的罗氏线圈型传感器安放在电缆中间接头的两侧，2 个传感 器的感应信号通过加法器进行叠加。当发生在电缆中间接头内的局部放电信号沿 电缆两侧传播经过传感器时，2 个传感器中感应出极性相同的2 个信号，经叠加 后得到更大幅值的输出信号；相反，当来自电缆接头外侧的局部放电信号或干扰 信号将在2 个传感器中感应出极性相反的信号，经叠加后则会被削弱。根据此原 理，可以判断电缆中间接头处是否存在局部放电现象。但上述环状结构的传感器 只能在电缆施工时预先安装在检测位置或在设备停运情况下安装，因而具有一定 的局限性。新西兰开发了用于x l p e 电缆局部放电在线监测的钳型传感器和手提 式数字贮存示波器组成，可由手提箱带到现场。传感器可暂时或永久性地安放在 x l p e 电缆附件的合适位置上，因此特别适用于现场测量和在线检测。 超高频电容耦合法是由英国南安普顿大学、英国电网公司和西安交通大学共 同研究的一种x l p e 电缆局部放电在线检测方法。其传感器示意图如图1 - 4 所示。 局放 脉冲 耦合传感器的输出 ( a ) 超高频电容耦合法结构图 ( b ) 超高频电容耦合法电路原理图 图1 - 4 超高频电容耦合结构图和电路原理图 该传感器的安装方法如下：取一段靠近接头的电缆，剥去部分外护套，将金 属箔贴在外半导电层作为电极。信号从耦合器上的b n c 头输出，中断的金属层 天津大学硕士学位论文第章绪论 经导线连接。在工频电压下，由于外半导电层的阻抗远小于绝缘层的阻抗，因此 半导电层可视为工频地电位，故电容耦合器并不影响电缆绝缘效果。在超高频下， 外半导电层阻抗与绝缘层阻抗可比，而地电位为金属屏蔽层，故有利于高频信号 的测量。该检测方法采用的超高频放大器频带为1 0m h z 5 0 0m h z ，数字示波器 的采样率为5g s s 。在实验室条件下测量，灵敏度可达3p c 。 除了上述提到的电气测量方法以外，还有很多非电气量的测量方法。这些方 法是根据局部放电过程中伴随着电荷的转移和电能损耗产生的各种非电信息，如 声波、发光、发热以及出现新的生成物等，通过测量这些非电气量来获取局部放 电信息。超声波检测法就是其中一种。 当局部放电在电缆绝缘内部产生时，一部分能量以声能的形式传播出去，这 部分能量约占总能量的1 【1 引。局部放电的声能测量法依赖于对局部放电导致材 料突然变形所产生的波的压力的检测。它的一个很大的优点是不受电气干扰的影 响，易于应用并且可用于在线监测。声能检测技术已应用于电缆以及附件的局部 放电检测及定位中【1 9 】，但声波在电缆绝缘材料和界面中传播时会严重衰减，导致 检测灵敏度降低。该方法通常采用压电晶体作为传感器，将声信号成比例地转换 成电荷量，再经过前置放大器放大后进行光电转换，并由光纤传输，传输的光信 号再经过光电元件转换成电信号，信号放大后便可在示波器或峰值表上显示。近 代超声波测量局部放电所用的仪器频带多取6 0k h z 3 0 0l d q z 。由于传播衰减等原 因，能采集的声信号又很微弱，因而长期以来此方法因灵敏度太低而没有被广泛 采用。 1 3x l p e 电力电缆局部放电在线监测中存在的问题 虽然局部放电在线监测技术在理论上可行，但要在实际运行中使用仍有许多 困难。迄今为止，x l p e 电力电缆的局部放电检测试验大多都仅局限于实验室里 完成，其主要原因如下： 1 欲采集的局部放电信号幅值很小，极易被背景噪声淹没；外界强电磁干 扰源很多，单纯依赖硬件技术消除或防止外界电磁干扰难度很大； 2 受滤波放大器带宽的影响，采集到的信号易发生畸变； 3 传感器安装过程复杂，电缆绝缘不易恢复或引入新的缺陷。 1 4 本文的研究内容 为实现x l p e 电力电缆局部放电的在线监测，首先必须采用传感器准确提取 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 放电信号。x l p e 电力电缆绝缘中的局部放电脉冲数量级小，持续时间短，所包 含的频谱很宽，因此适用于x l p e 电力电缆局部放电检测的传感器器应满足以下 要求：工作频带宽、瞬态响应好、线性度好、输出失真小、工作稳定性好、灵敏 度高。目前国内进行局部放电检测所采用的传感器，一般工作频带较窄，从几十 k h z 到几百k h z ，应用到x l p e 电力电缆局部放电测量时，效果不太理想。本文 分别基于罗氏线圈测量电流基本原理、电容耦合原理及光电原理，研制了应用于 电缆局部放电在线监测的传感器，主要工作如下： 1 ) 研制基于电磁耦合原理的宽频带电流传感器。考察了磁芯材料，绕线方式、 匝数对传感器响应特性的影响，选取最优参数制作传感器，并采用该传感器对电 缆局部放电信号进行测量。 2 ) 采用电缆外半导电层为分压电阻，基于电容耦合原理研制了内置式电容传 感器。考察了电容的电极尺寸、安放位置对传感器响应特性的影响，得出传感器 最优设计参数。采用该传感器对含人工缺陷的1 0k vx l p e 电力电缆局部放电信 号进行采集，分析了不同缺陷的放电特征。 3 ) 研制了基于法拉第磁光效应光学电流传感器，采用该传感器对电力电缆典 型缺陷模型和含有缺陷的x l p e 电缆进行局部放电检测，结果表明本文研制的光 学电流传感器可用于局部放电在线检测。 天津大学硕士学位论文第二章宽频带电磁耦合电流传感器 第二章宽频带电磁耦合电流传感器 本章介绍了电磁耦合传感器的工作原理，并基于该原理研制了罗可夫斯基 ( r o g o w s k i ) 线圈型电流传感器。考察了磁芯材料，绕线方式、匝数对传感器响 应特性的影响，并选取了最优参数。采用该传感器测量了含人工缺陷电缆的局部 放电信号。 2 1 电磁耦合传感器工作原理 罗氏线圈( 简称罗氏线圈) 从本质上是一种原边为单匝线圈、副边为多匝线 圈的电流互感器，其副边线圈是一个窗口面积较大而截面较小的n 匝环形绕组， 它与穿过圆环窗口的被测电流，( f ) 所产生的磁通相交链。线圈输出的感应电压 u o ) 与被测电流之间有如下关系【1 8 】 u ：m 丝( 2 1 ) a t 式中，m 为线圈与载流导体间的互感系数。其测量原理及等效电路如图2 1 所示。 ( a ) 罗氏线圈测量原理图 ( b ) 罗氏线圈等效电路图 图2 一l 罗氏线圈测量原理及等效电路图 + 天津大学硕士学位论文 第二章宽频带电磁耦合电流传感器 其中l 和r ，分别为线圈的电感和电阻，r 为线圈负载电阻。 从m a x w e l l 方程出发可分析罗氏线圈的工作原理。根据安培环路定律 v-i：。+挈：z(2-2)h j w * , a t , , j jv = + = 式中，j ，为穿过罗氏线圈的导体中的总电流密度，日和d 分别为围绕导体的磁 场强度和电通密度。该方程的积分形式为 可h 。d 7 ：f f j z d s d ，= l i ， c5 ( 2 3 ) 式中，s 为垂直与z 轴、半径为p 的圆面；c 为包围s 的环路。 定义( 2 3 ) 式右边为总电流，考虑图2 2 所示的线圈形式，则可得到 2 互 p h d e = i ， ； ( 2 4 ) 若再定义半径为p 的圆周上的平均磁场强度日哪为 日哪2 去即 协5 ， 由( 2 - 4 ) 和( 2 5 ) 式可得 2 南 ( 2 - 6 ) 由( 2 - 6 ) 式可见，可以通过测量半径为p 的圆周上的平均磁场强度h 瞅来 获得总电流，的值。但必须要求骨架上所绕线圈的匝数要达到一定的数量，从而 可以得到准确的平均磁场强度日哪。 ( a ) 线圈骨架轮廓图( b ) 线圈骨架俯视图 天津大学硕士学位论文 第二章宽频带电磁耦合电流传感器 上! i a 一 l ( c ) 线圈骨架侧视图 图2 2 线圈骨架外形示意图 由图2 1 可知，我们可以由( 2 6 ) 式求得罗氏线圈的开路电压p ( f ) 。 根据f a r a d a y 电磁感应定律，有 p “) ：坐 ( 2 7 ) 一 班 其中n 为所绕线圈匝数，为磁通。 令线圈骨架材料导磁率为，风风为自由空间导磁率，有 _ _ d ( p r p oh 嘴d s ) p o ) = n d ( h ： d ( h ： = n j 。2 r 万1 l o 衅b ) 盟3 t2 万 、7 记m ：n - 警n ( ! ) ，则 以_ h l 、b 印m 鲁 ( 2 8 ) ( 2 9 ) 上式即为( 2 1 ) 式，其中m 为罗氏线圈的互感系数，其值可通过公式 m ：n - 警h l n ( 导) 计算求得。 2 ，o 丝 纠一 尝喜 一 一 弘一弘一 天津大学硕士学位论文第二章宽频带电磁耦合电流传感器 根据线圈负载的不同，罗氏线圈又可分为外积分式和自积分式。外积分式罗 氏线圈输出必须经过一个r c 积分回路，对( 2 1 ) 式进行积分，从而得到待测 电流j ，。外积分式罗氏线圈因受积分器频率性能的影响，其测量的频率响应受到 限制，在纳秒级电流信号测量中很难应用。而自积分式罗氏线圈直接采用积分电 阻，频率响应高，是测量纳秒级脉冲电流信号的理想手段，在国外己被广泛应用 d 9 i 。本文所研究的罗氏线圈采用自积分式。 对于图2 1 形式的罗氏线圈的等效电路，一般r 。 ( 尺。+ r ) f a f一 一 ( 2 1 4 ) 上式的频域表达形式为 l e 0 1 。 ( r 。+ r ) i 。 即l e o 似，+ r ) ( 2 1 5 ) 由自积分条件式( 2 1 5 ) 可知，要满足自积分条件，必须使负载电阻r 很 小或者l o 很大。负载电阻r 和线圈电感l 均由测量回路所决定的，彩为所测信 号的角频率。由此可见，待测电流的频率分量越高，自积分条件式( 2 1 5 ) 越容 易满足，因此我们说自积分式罗氏线圈较外积分式罗氏线圈的频率响应高，更适 合测量纳秒级电流信号。此外，视被测电流而定，自积分式罗氏线圈的负载电阻 r 一般选的很小，有时可以为1q 以下，这样可以使得线圈输出电压圪适合用示 天津大学硕士学位论文 第二章宽频带电磁耦合电流传感器 波器等设备进行读取，而外积分式罗氏线圈所测电流则要受积分负载回路的功率 和耐压能力所限制，因此对于小电流信号测量来说，自积分式罗氏线圈也是较为 优越的。 高频时，要考虑电感线圈的杂散电容，罗氏线圈等效电路【1 9 】如图2 3 所示， 其中m 是线圈的互感，l 。是线圈的自感，是线圈的的等效电阻，c 。是线圈的 等效杂散电容，r 是线圈的积分电阻。 图2 - 3 罗氏线圈测量等效电路图 根据线圈的等效电路，可以列出下列方程： 叱) = m 掣 件t 掣懈( ，) + v o ( r ) 矾) = e 掣+ 掣 满足线圈的自积分条件时，必须满足 v o ( f ) ( 2 1 6 ) ( 2 一1 7 ) ( 2 1 8 ) k 掣 ( 即驯力( 2 - 1 9 ) 在忽略线圈的杂散电容c 。的影响后，可以得到系统的传递函数为 日( s ) = v 邪0 3 _ ) ) = 罢r ( 2 2 。) 对于环形结构的电流传感器，截面为矩形，截面面积为s ，闭合回路磁路长 度为l ，线圈自感l 。和互感m 的值分别为【2 l 】： 天津大学硕士学位论文第- 章宽频带电磁耦合电流传感器 ( 2 2 1 ) ( 2 - 2 2 ) ( 2 2 3 ) 其中，f - _ 2 r r _ ( a i - b ) 。式中，口、6 分别是线圈的外、内半径，是线圈磁芯的磁 l n 佃b ) 。 导率，h 是线圈的高度，是线圈匝数。 由上述式子可以得出 日( s ) = 万r ( 2 - 2 4 ) 由式( 2 2 4 ) 可以看出，在一段有效的频段范围内，罗式线圈的传递函数是与频率 无关的常数。同时，电流传感器的响应灵敏度与积分电阻r 成正比，而与线圈匝 数n 成反比。响应灵敏度是指输出与输入的幅值比，比值越大说明传感器对输入 信号的响应越强，即响应灵敏度越高。 但是在高频下，杂散电容的影响很大，不能被忽略。考虑到c 。的影响，在 零初始条件下，系统传递函数为： 邓) = 粥2 鬲一m s ( 2 - 2 5 ) 在频域内，传递函数为 h 彩) = h 异( ，缈) + h ，( j o ) = = - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - o - m - - r - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 只+ r s 一只s c s 功2 + j c o ( l s + r r s c s ) 一缈2 m r ( l s + r r s c s ) ( r + r s r s c s 彩2 ) + 【缈( s + r r s c s ) 】2 c o m r ( r + r c r l q c q 缈2 ) 十l - - - - - - - - - - - 二二- - - - - ：= 二一 。( 畏+ r s r l s c s 国2 ) 2 + b ( 三s + r r s c 5 ) 】2 s 一， s 一， 遘， s 了 砬一日 砬一日 m 墨日 墨q 埘 挚譬 小 一 批 天津大学硕士学位论文第二章宽频带电磁耦合电流传感器 m r c 0 2 ( s + r r s c s ) k 撒矗( 鬻卜 则传感器的幅频特性为 日( 国) i = 丽m r 相频特性为 州= 鹕t a n 黜 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 由于x l p e 电力电缆局部放电脉冲持续时间短，信号幅值小，根据电流传感 器等效电路，电缆局部放电信号的分析可以采用高频小信号并联谐振回路理论。 本文采用的等效电路类似与高频小信号并联谐振回路，f l q ( 2 2 7 ) 式，电流传感器 的工作频带可用上限频率与下限频率表示出来。 上限频率： ， 1 一2 芴。 相应的上限角频率为： 下限频率： l s r c s 2 i tr c s 魄2 等 ( 2 - 2 9 ) ( 2 3 0 ) 一爿 墨坠吣篱 天津大学硕士学位论文第二章宽频带电磁耦合电流传感器 z ：圭羔j 毕( 2 - 3 1 )，= 一二l 一一o | 2 7 r l s + r r s c s 2 r e l s 相应的下限角频率为： 工作的频带宽为： 或者表示为： r + r 铲耳面三 ( 2 3 2 ) m = 去( 等一盖 p 3 3 ， 国2 魄一劬2 兰专矣喜一z 拿妄妄_ c 2 - 3 4 ， 设线圈的谐振频率为f o ，f o 与上下频率满足关系 谐振角频率为 z = 厮= 百1 c o o2 当0 - - ( 1 口时的幅频放大倍数k 称为传感器的灵敏度 ( 2 - 3 5 ) ( 2 - 3 6 ) k = i h ( j 吼= 丽m r ( 2 - 3 7 ) 由以上的理论分析知道，传感器的灵敏度由传感器线圈的电感l 。、电阻r s 、 线圈杂散电容c 。以及积分电阻r 共同决定 当 时， 厝 雁 天津大学硕士学位论文 第二章宽频带电磁耦合电流传感器 b w ：罂上( 2 - 3 8 ) 2 刀t r c , 2 r c r c , 在磁芯材料和线圈尺寸定的情况下，为使罗式线圈工作频带足够宽，应使 其上限频率尽可能大而下限频率尽可能小。由式( 2 3 8 ) 可见，应使l 。尽可能大， r s 和r 尽可能小。但要增大线圈l s ，则线圈匝数n 应尽可能大。增大绕线直径 可减少风，但增大绕线直径与增大线圈匝数n 是相互制约的。此外，积分电阻 r 对带宽和响应灵敏度均有影响。因此，在磁芯材料和尺寸确定之后，线圈匝数 和积分电阻存在一个最佳匹配问题。 2 2 电流传感器的设计 本文研制的罗氏线圈用于测量幅值高、前沿为纳秒级的小电流信号。假设待 测电流的峰值，一= l o o 朋。脉宽t 为几十纳秒至微秒级，前沿f ，= 4 6 n s 。根 据近似公式丘= o 3 5 t ，确定其最高频率分量为8 7 5m h z 。 2 2 1 自积分条件 对于特定的待测电流信号，为满足自积分式罗氏线圈的自积分条件，可采用 如下两种途径：( 1 ) 加大线圈电感l ；( 2 ) 减小负载电阻r 。 线圈骨架采用的是前面所讨论的矩形截面环形骨架，如图2 - 2 所示。由前面 推导，线圈的互感系数m ：丛办l n ( 昙)因此，矩形截面环形线圈的电感为： 2 r rb o l ：n m ：b 1 2 0 n h i n 仁)( 2 3 9 ) 2 zb 。 故当骨架尺寸一定的情况下，要加大线圈电感，既可以选用特殊材料作为线 圈骨架以增大线圈的初始相对磁导率以，也可以增加线圈匝数n 。由( 2 1 3 ) 式， 线圈感应电流。为被测电流，的l n ( 称为线圈的电流变比) ，所以在测量小 电流时线圈匝数不能太多，否则当被测信号较弱时，线圈灵敏度太低；还要尽可 能地降低负载电阻，使得负载上压降适合示波器记录。 2 2 2 线圈绕线及匝数 首先确定线圈的匝数n 。线圈匝数的确定不仅需要考虑自积分条件和线圈输 出信号的强弱，还应该注意其对线圈传输时间的影响。线圈的传输时间t 为感应 天津大学硕士学位论文第二章宽频带电磁耦合电流传感器 电流信号在线圈中传输所需的时间，其计算表达式为 t = n ( p 2 + ，2 ) l 比w e ) 2 ( 2 4 0 ) 其中p 为线圈绕线的匝间距，l 为线圈骨架矩形截面的周长。可见传输时间t 与 线圈匝数n 成正比。被测量的导线如果不在线圈中心，那么在线圈的不同位置 感应出的电动势会有时间差，这会引起输出信号的畸变。它会在输出电压信号上 叠加一个振荡，这个振荡会在4 5 倍的传输时间后消失，所以通常要求线圈的传 输时间t 小于4 5 倍大的被测电流上升时间t ，【2 2 j ，以减少这个振荡对输出信号的 干扰。此外由于存在匝间电容的影响，线圈绕线一般为一层，所以线圈匝数还受 磁环骨架大小的影响。因此，线圈的匝数又不能过多，本文中分别选为选为3 4 匝和3 8 匝。 由于设定待测电流峰值为1 0 0 ，线圈感应电流峰值理论值应为1 0 0 3 4 和1 0 0 3 8 脚，线圈绕线选择的漆包线直径为0 3 5m m 和0 8m i l l 。 2 2 3 线圈骨架的选用 线圈骨架可以选用绝缘材料，也可以选用磁性材料。主要依据被测电流信号 的脉宽和罗氏线圈应满足的自积分条件来决定。一般来说，不管用什么材料做骨 架，只要环不是太大，t ， 7 n s 是不难做到的。 1 厂 电感线圈的品质因数q 定义为q = - 7 ，其中l 和r ，分别为线圈的电感和电 n c 阻，q 值的物理意义为线圈的无功伏安值与消耗能量的比值。要满足罗氏线圈的 自积分条件，必须尽可能地提高线圈电感l ，即提高线圈的q 值，但同时又要适 当减少线圈的匝数( 减少线圈匝数也可以减少导线电阻造成的铜损耗) 。因此， 便要求所选用的线圈骨架具有高的值及低的损耗。此外，由于所测电流的频带 很宽，所以要求线圈骨+ 架材料的值对频率的不稳定系数及工作频率范围均须满 足要求。 根据上面的要求，磁性材料是线圈骨架的最佳选择，常用的磁性材料有镍锌 铁氧体和锰锌铁氧体。这些材料的导磁率是频率的函数，其存在截止频率，当超 过截止频率时，导磁率随着频率的升高而急剧下降1 2 3 。镍锌材料的初始导磁率低 而截止频率高，锰锌材料正好相反。本文研制的罗氏线圈分别选用镍锌铁氧体和 锰锌铁氧体材料作为线圈骨架进行不同磁芯材料的比较，线圈骨架与绕法示意见 图2 - 4 ，图中线圈沿磁环外反绕圈是为了抵消垂直与磁环平面的杂散磁场的干 扰。 本文中待测电流的最大峰值在线圈骨架中产生的磁通密度最大值可由下式 计算 天津大学硕士学位论文第二章宽频带电磁耦台电流传感器 2 z , l o 蕊 当所选做为线圈骨架的磁芯对于被测电流的最大磁通密度小于其饱和磁通密度， 则就可用作传感器材料。 本论文所选磁芯材料、材料尺寸、初始磁导率、饱和磁通以及对待测电流的 最大磁通密度如表2 - i 所示。 袭2 - l 线圈骨架材料参数 饱和磁遘密度 材料尺寸( n 血)初嫱斑导率 ( 肛) ( m t ) 锰锌铣氧体 籀x 6 0 2 07 2 5 54 2 01 s 38 钍锌铁氧雉 8 9 6 0 ! o18 5 05 1 04 7 锦锌铁鳅 4 9 x 3 1 1 98 0 0：s 0 0 3 8 由上表我们可以看出，所选磁芯的最大磁通密度远小于各自饱和磁通密度 说明所选择的磁芯是满足电流传感器测量要求的。 2 2 4 负载电阻 厂 i 】 l 二：一 图2 - 4 线圈骨架绕法 由于传感器设计的待测电流峰值根小，