电力电缆局放电磁耦合高频传感器的研制

谈雪晶， 宫 黛， 孙 静， 孔德武， 赵子玉

（1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240；2.上海慧东电气有限公司，上海200436）

电力电缆局放电磁耦合高频传感器的研制

谈雪晶1， 宫 黛1， 孙 静1， 孔德武2， 赵子玉1

（1.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240；2.上海慧东电气有限公司，上海200436）

电力电缆现已广泛应用于输配电网，其绝缘状况关系到电网的安全运行。现评价电力电缆绝缘状况的主要手段是检测电缆的局部放电。局部放电脉冲放电电流大小一般都在微安级，属于高频小电流信号。首先以罗戈夫斯基线圈为原型，分析了电流传感器结构参数对传感器性能的影响。然后设计制作了高频磁芯电磁线圈、放大电路和滤波电路，并进行仿真和实验研究。验证了设计的线圈频带宽，信噪比高，获得了预期效果。

电力电缆；局部放电；电磁耦合传感器

0 引 言

随着我国城市建设飞速发展，电力电缆以其占地少、对人身安全、供电可靠、维护工作量小等优点，在电力系统中得到了广泛应用。为保证供电的安全可靠，电缆的检测技术尤为重要。现在国际上使用的电缆绝缘的在线检测方法很多，但由于局部放电和电缆绝缘状况关系密切，国内外一致认为局部放电检测是电缆绝缘监测的最佳方法。

迄今为止，国内外用于电缆局部放电检测的方法有很多，主要有差分法、超高频电感耦合法、超高频电容耦合法、电磁波法、电磁耦合法等等。其中，基于电磁耦合法原理的电缆局部放电检测方法最常使用。电磁耦合式传感器所用磁芯材料、结构，传感器安装位置、抗干扰措施等各有不同。电磁耦合式传感器通常为宽频带HF或VHF罗氏线圈电流传感器，它可以检测到局放产生的高频电流信号，并且直接跨接在地线或是电缆上，不与高压端产生电气上的直接连接，只有磁的耦合，所以不会带来更多的干扰，抑制噪声能力较强。

1 电流传感器原理

电流传感器是一种穿心式的线圈，其基本原理是：当电缆接地线或外屏蔽连接线的电流流过传感器中心时，就会在其四周产生圆形磁场，次级绕组感应出脉冲信号，通过取样电阻检测此信号，再送入分析单元来判断是否有局部放电信号。电流传感器结构如图1所示。

电流传感器的线圈磁环截面为方形，b为线圈外径，a为线圈内径，h为线圈高度。

假设穿心导线通过大小为i的电流，那么在它的周围会产生辐射的电场和同心圆的磁场。由全电流定律可导出导线外部的磁感应强度：

图1 电流传感器结构图

式中：μ0为真空磁导率（H/m）；x为距线芯的距离（m）。

对于线圈来说，其一直处于导线的外部，所以通过线圈磁芯截面的磁通密度：

式中，μr为线圈磁芯的相对磁导率（H/m）。故线圈感应电压：

又由于

所以可以得到电流传感器的参数：

式中：d为线圈绕线线径（m）；ρ为绕线电阻率（Ω·m）；A为绕线截面积（m2）；l为绕线长度（m）；N为缠绕匝数。

线圈的自感、互感、等效电阻与线圈的规格、磁芯选取、漆包线的选择、缠绕匝数有关。而线圈的参数又决定了设计的电流传感器的增益、频带宽度、信噪比、灵敏度等。

在高频小电流信号下，需考虑分布电容的影响，设线圈杂散电容为Cs，取样电阻R，线圈的等效电路如图2所示。

图2 高频下电流传感器的等效电路图

根据等效电路图和基尔霍夫定律，可解得线圈的输入输出特性在S域为：

在正弦稳态信号下：

则传感器的幅频特性为：

相频特性为：

在测量高频信号且线圈内阻采样电阻较小的情况下，下限和上限截止频率可以等效为：

即线圈的通频带为：

线圈谐振频率为：

在高频信号作用下，杂散电容的作用不能忽视，由于线圈内阻和采样电阻很小，此时幅值的增益即线圈灵敏度为：

由上式可以知道，在高频时，线圈的灵敏度是由其自身电感、电阻、杂散电容、外接电阻共同决定的。虽然高频信号作用时，决定线圈的灵敏度的因素比较复杂，但是从公式可以看出，灵敏度还是具有与外接电阻成正比，与线圈匝数成反比的规律。

本文设计的传感器旨在安装在电缆接地线处测量局部放电，所以希望设计出的电流互感器有如下的要求：（1）频带范围在20 kHz～20 MHz；（2）增益大，灵敏度好，能正确反映所测局放信号；（3）线圈尺寸合适，便于安装在接地线处。

由上述参数分析可知，决定设计出的传感器的特性的参数主要有频带宽度和灵敏度。首先，关于频带宽度，为了使传感器的频带宽，就必须尽量使上限截止频率大，下限截止频率小，即使取样电阻和线圈电阻尽量小，线圈自感尽量大。由上述公式可知，要使自感Ls大，就需要选择大的磁芯磁导率和增大线圈的缠绕匝数，通过增加绕线的直径d来减小线圈电阻Rs。其次，关于灵敏度，根据分析可知灵敏度大小与取样电阻成正比，与线圈匝数成反比。这样就存在了矛盾，即减小取样电阻，可以扩宽频带，但是会降低灵敏度，增加绕线匝数也可以扩宽频带，同样会降低灵敏度。所以就需要在线圈尺寸一定的情况下，选择合适的外接电阻和缠绕合适的匝数，使得设计的传感器具有较宽的检测频带和较高的灵敏度。

Matlab仿真线圈参数对线圈特性影响的结果如图3、图4所示。

图3 取样电阻对线圈特性的影响

图4 线圈电感对线圈特性的影响

2 电流传感器罗氏线圈设计制作

设计中设定的检测信号频率20 kHz～20 MHz，所以一般所使用的磁芯材料诸如MnZn铁氧体都不符合要求。一般MnZn铁氧体的相对磁导率大约为2 000左右，其工作频率为2～3 MHz。所以为了达到本设计的要求，采用了NiZn铁氧体线圈。设计的线圈参数如下：线圈内径75.9 mm，外径98.3 mm，线圈高度11.45 mm，相对磁导率约为100左右，适合的工作频率约为15 MHz。

为了使得线圈更好地安装在接地线上，线圈为两个半圆，外加专门设计的两个半圆形状的屏蔽盒，用螺母将其一边固定，方便开合。这样就可以非常方便地套在电缆接地线上进行局部放电测量。制作的线圈如图5所示。

图5 电流传感器实物图

3 电流传感器放大滤波电路设计

3.1 放大电路设计

由于电缆的运行环境异常复杂，干扰信号极易影响局部放电信号的采集，所以为了便于对局部放电信号进行进一步的识别和检测，放大电路是必不可少的。对于高频电流传感器来说，采集到的信号频带宽、幅值小、干扰大，所以对放大电路的要求严格，主要有以下几点：

（1）合理的放大倍数。由于检测到的局部放电信号非常微弱，而且是在高频的状况下，所以采用MOS管组成的运放来实现前置放大。由于罗氏线圈是在自积分的工作方式下运行的，所以外接采样电阻会很小，采集得到的电压也会很小，不便于后续的波形分析，所以需要选择合适的放大倍数。

（2）设置合适的静态工作点。仅有合适的放大倍数还是不够的，由于放大电路中存在着电感和电容等电抗器件，在输入信号的频带较低或较高时，放大倍数都会降低，所以不同的放大电路都有不同的工作频带，必须使得放大电路的工作频带和信号的频带匹配，才能避免信号失真。

（3）放大电路要有尽可能大的输入电阻和小的输出电阻，以保证放大电路不会对输入输出信号产生影响。

（4）放大电路要有高的稳定性，这就要求放大器工作在深度负反馈，故应选择高频性能好的三极管构成放大电路。

（5）使用的偏置电流要非常小，转换速度要非常快。

（6）需要限制放大电路中失调电压和偏置电流的大小。

综合考虑以上这些因素并结合电缆局部放电脉冲信号的特点，选择了晶体管和场效应管来实现放大电路，其电路设计灵活、速度快、工作频率高。

为了实现信号源与输入级阻抗匹配，采用场效应管放大器作为输入级。中间级采用三极管共发射极放大器以实现信号放大。由于输出级需要向负载提供足够的功率，所以采用低输入电阻的共集电极放大器。

K163是一种N沟道结型场效应管，具有速度高、低驱动电流、无二次击穿等特点。适合作为输入级的放大器。

SS9013是输出功率1W的半导体三极管，具有高的集电极电流和线性度良好的共发射极直流放大倍数，基极-集电极饱和电压为0.6V，基极输入偏置电流非常小，只需要微安级就可以进入放大区，放大倍数可近百倍。

整个放大板电路部分如图6所示。

图6 整个放大板电路图

在复杂的现场环境中，尽管存在着种类繁杂的干扰信号，但是干扰信号和局部放电信号所包含的频谱分量不完全相同，故可使用带通滤波器滤除部分干扰，以提高信噪比。

在本文中，我们希望将检测信号的频率设定在20 kHz～20 MHz之间，所以采用低通和高通电路串联起来组成的带通滤波器。如图7所示，本设计中利用TI公司的200 MHz CMOS集成运放。

此种运放要求采用单电源供电，电压范围为+2.7 V～+5.5V，但是供电电压的浮动范围一般在+2.5 V～+5.5V，如果电压超过7.5 V的话就会对运放产生损伤。所以，本文中选择比较常用的7805芯片为滤波电路提供电压。图7中C4和C5是为了滤除5 V电源中的纹波而设置的。为了使交流信号能够不失真地放大，那么就必须考虑电源偏置的问题，图7中R3和R4就是单电源运算放大器的偏置电路构成，提供运放同向输入端的基准电压。电容C3用来旁路AC信号，提高AC的电源抑制能力。

图7 带通滤波电路

3.2 抗干扰措施

本文设计了检测局部放电的硬件电路，在硬件电路设计过程中应用了如下的一些抗干扰措施：

（1）系统中的电源在接入芯片之前都会先经过旁路电容，再送入相应的管脚。

（2）高频信号在送入输入端之前都要经过一个低通滤波器，再送入相应回路，它不仅可以滤去高频干扰，也可以改善电压波形。

（3）高压试验中采用隔离变压器对仪器供电，能有效阻止高压回路中的干扰信号经电源流入检测仪器中。

（4）高压引线选用较粗的铜导线，在接线处均套上均压罩，以保证在被试品上发生局部放电时高压导线不会发生局部放电。

（5）采用单点接地。电气设备的接地不仅保护设备，也为了保证人身安全，如果在一个测量系统中有两点或者两点以上的接地点，则由于两点之间可能存在电位差而引起干扰，导致测量不准。

（6）电流传感器需要设计一个屏蔽罩，用以屏蔽空间中高频电磁场干扰。

4 电流传感器幅频特性测量

根据实验前的仿真和资料查询的相关分析，采用信号源产生各种频率的正弦波，采用两个2 200 pF的高频电容进行分压，再用一个相同的高频电容获得需要的电流信号，线圈匝数选择0.75 mm的铜漆包线缠绕8圈，外接电阻5Ω的采样电阻，用示波器采样电压信号。实验测得电流传感器幅频特性如图8所示。

图8 电流传感器幅频特性曲线

5 结 论

本文理论计算和仿真分析了电流传感器线圈电感和取样电阻与线圈特性的关系。结果表明，取样电阻和绕线电阻越小、线圈电感越大，传感器频带越宽，但同时传感器灵敏度也会越小。

本文设计制作了电磁耦合高频电流传感器线圈，并应用一些抗干扰措施，设计了电流传感器放大电路和滤波电路。实验表明，研制的高频电磁耦合传感器频带宽、信噪比高，获得了预期效果。

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Design of Electromagnetic Coup ling High Frequency Sensor Used in Cable Partial Discharge

TAN Xue-jing1，GONG Dai1，SUN Jing1，KONG De-wu2，ZHAO Zi-yu1
（1.School of Electronic Information and Electrical Engineering，Shanghai Jiaotong University，Shanghai200240，China；2.ShanghaiWelldone Electric Equipment Company，Shanghai200436，China）

Power cables have been widely used in themodern power grid.The insulation condition of the cable concerns the security and stability of the power grid.Now themainmethod of evaluating the cableˊs insulation condition is to detect the partial discharge of the cable.The pulse currentof partial discharge is generally in themicroampere level，which belongs to small current signal of high frequency.This paper analyzes the impact of the parameters of the current sensor on the sensor performance.This paper designs a high-frequency electromagnetic coupling sensors，amplification circuit and filter circuit，using Rogowski coil as the basic prototype and a high frequency core.The experiment is simulated and verifies that the improved coil does not producemagnetic saturation；furthermore，it has broadband，high signal to noise ratio，obtaining quite a satisfactory result.

power cable；partial discharge；electromagnetic coupling sensor

TM855

A

1672-6901（2014）03-0014-05

2013-08-22

谈雪晶（1981-），男，工程师.

作者地址：上海市广元西路55号［200030］.