用磁传感器测量三芯对称电缆相电流的方法

袁燕岭，李世松，董　杰，甘景福，黄松岭，赵　伟

（1.国网唐山供电公司，河北　唐山 063000；2.清华大学电机系，北京 100084）

用磁传感器测量三芯对称电缆相电流的方法

袁燕岭1，李世松2，董杰1，甘景福1，黄松岭2，赵伟2

（1.国网唐山供电公司，河北唐山 063000；2.清华大学电机系，北京 100084）

三芯对称电力电缆的三相芯线互呈120°角分布，因结构紧凑、敷设成本低，被广泛应用于35kV以下电缆输配电工程中。三芯对称电力电缆使用共同的屏蔽层和外壳，由于在稳态运行时三相电流之和为0，因而传统的感应式电流测量方法无法用于该类型电力电缆相电流的测量。为解决该问题，提出一种基于磁传感器的三芯对称电力电缆相电流测量方法。通过在三芯对称电力电缆表面沿周向互差120°地安装3个与各相芯线准直的磁传感器，可线性地感知三芯对称电力电缆各相芯线的电流。通过建立物理数学模型，明确磁传感器输出量与三芯对称电力电缆各相芯线电流之间的量值关系。数值仿真计算验证所建立模型以及所提出测量方法准确实用。

电力电缆；电流测量；在线监测；磁传感器

0　引言

与单芯电缆相比，三芯对称电力电缆以结构紧凑、敷设简单等优势，被广泛应用于中低压（35kV以下）输配电工程中［1］。一般地，三芯对称电力电缆A、B、C各相芯线之间，沿周向两两相隔120°做均匀分布，且三相芯线使用共同的屏蔽保护层。然而，对这种三相芯线共用同一屏蔽保护层的三芯电力电缆，传统的基于电磁感应原理的电流测量方法并不适用。

随着电力电缆在城市供电系统中的大量应用，其运行的安全性越来越受到重视［2］。为实现对电力电缆运行状态的在线监测，需要一种较为可靠的方法，实时监测电缆在实际运行中各相芯线电流的变化情况，并基于此，对电力电缆的运行状态进行评估。目前已有的电力电缆监测方法和监测装置，也大多是间接反映电缆运行特性相关参数的测量，如电缆温度测量、老化测量等［3-8］。而间接测量的结果，虽然也能反映电力电缆是否已存在缺陷、是否存在即将发生故障的隐患甚至已发生故障等，但测量存在延迟，且不能明确诊断缺陷或故障的位置和类型，存在较大的局限性。

近年来，随着磁测量技术的发展和磁测量元器件加工工艺和制造水平的提高，以磁传感器法测量电流已成为电力行业认可的一种有效方法［9-10］。鉴于此，本文建立了三芯对称电力电缆表面周向磁场与该电缆各相芯线电流之间关系的物理数学模型，通过测量三芯对称电力电缆表面周向磁场的变化，可实现对三芯对称电力电缆中各相芯线电流的有效测量。具体地，通过安装位置在三芯对称电力电缆表面周向上互差120°的3个磁传感器，并保证这3个磁传感器分别与该电缆A、B、C三相芯线准直，进而测量三芯电力电缆表面磁场沿周向的切向分量的大小。本文还提出一种解耦算法，借助它，并根据3个磁传感器输出的量值和该电缆周向的几何尺寸，可直接得到该电力电缆A、B、C各相芯线中电流的大小和方向。

与现有技术相比，该电流测量方法解决了以传统感应式电流测量装置无法测量出三芯对称电力电缆各相电流的难题。该方法通过在三芯对称电力电缆表面测量磁场信息来确定电缆中各相电流的大小及变化，理论上，可基于它实现对三芯对称电力电缆中各相电流的实时在线监测。

1　测量方法的解析模型

建模所使用的三芯对称电力电缆的结构如图1所示，电缆中心为O，A、B、C为三相芯线的位置，电缆中心到A、B、C三相芯线的距离均为r。不失一般性，可让y轴与OA重合，则A点的坐标为（0，r）。电缆中心到B、C两相芯线的矢量，即OB、OC，与x轴的夹角分别为210°、330°，故B点坐标为C点坐标为三相芯线通过的正弦电流幅值分别为IA、IB和IC。

图1　三芯电力电缆结构及各相电流的测量原理示意

磁传感器安装位置SA、SB、SC，分别为OA、OB、OC延长线与电缆表面的交点。SA、SB、SC到电缆中心的半径均为r。调整磁传感器的角度，使得磁传感器测量的磁感应强度分别为SA、SB、SC三点的磁感应强度沿电缆外表面周向的切向分量。

根据安培环路定理，A相芯线电流IA在SA处产生的磁感应强度为

其中μ0为真空磁导率。

为方便起见，对磁传感器，定义沿周向的方向为n，沿径向的方向为r，如图1所示。显然，式（1）中磁感应强度为n方向的分量。

类似地，B相电流IB在SA处产生的磁感应强度为

式（2）所示的磁感应强度BSA-B的方向为

故BSA-B沿n方向的分量为

同理，C相电流IC在SA处产生的磁感应强度为

式（5）所示的磁感应强度BSA-C的方向为

故BSA-C沿n方向的分量为

联立式（2）、式（4）和式（7），可得SA处，由A、B、C三相电流共同产生的磁感应强度沿n方向的分量为

考虑到三芯电力电缆结构上具有对称性，在求解SB、SC处由A、B、C三相电流共同产生的磁感应强度时，可将x和y坐标轴进行旋转。例如，在求解SB处由A、B、C三相电流共同产生的磁感应强度时，可将y轴旋转至与OB重合。此条件下，OC、OA 与x轴的夹角分别为210°、330°。因此，计算时，仅需轮换相应的相电流即可。采用此方法，可得SB处由A、B、C三相电流共同产生的磁感应强度沿n方向的分量为

同理，采用类似的方法，可得SC处由A、B、C三相电流共同产生的磁感应强度沿n方向的分量为

测量时，由于BSA-n、BSB-n和BSC-n为磁传感器的输出量，联立式（8）、式（9）和式（10）组成的线性方程组，便可求解出相电流IA、IB和IC，即得到三芯对称电力电缆各芯线通过的正弦电流的幅值。解出相电流IA、IB和IC的表达式为

式（11）、式（12）和式（13），建立起三芯电力电缆的相电流幅值与SA、SB、SC处由磁传感器测得的磁感应强度量值的关系。

2　模型仿真验证

为验证本文所提方法的有效性，采用一个有限元仿真的三芯电力电缆计算模型，获得SA、SB、SC处的磁场随时间变化的函数。有限元仿真计算时，电缆的参数设置如下：R=45mm，r=20mm，A、B、C三相芯线通过的正弦电流的幅值分别为IA=90A，IB=100A，IC=110A；A、B、C三相芯线的半径均为12.5mm。有限元仿真计算模型所采用的相电流时域波形如图2所示。三相电流分别加载至如图1所示的3电缆芯中，A、B、C三相的初始电流分别为0 A、-86.60 A、95.26A。仿真模型的边界设置为气球Balloon边界，加载至以坐标原点为圆心、半径为320 mm的圆上。仿真所得的SA、SB和SC处的磁感应强度沿n方向的分量随时间变化的曲线见图3。

然后，将图3所示的SA、SB、SC处的磁感应强度随时间变化的曲线作为已知条件，采用本文建立的模型去求解三芯对称电力电缆的相电流IA、IB和IC。若所求解出的相电流幅值与有限元计算时输入的相电流幅值一致，则证明该方法有效可行。

图4给出了采用本文提出的模型计算得到的三芯对称电力电缆各相电流随时间变化的曲线。为评价模型的准确性，可采用如下公式对所求解的电缆电流进行二元线性拟合，即：

式中：｛Ip｝——由解析模型计算得到的相电流；

ω——工频电流的角速度，为100π；

a、b、c——拟合所得的直流偏置电流、余弦系数和正弦系数。

图2　有限元仿真计算实例中A、B、C三相正弦电流的输入波形

图3　实例中有限元仿真计算所得的SA、SB和SC处的磁感应强度沿n方向的分量随时间变化的函数

图4　由解析模型复现出的三芯电力电缆各相芯线通过的正弦电流的波形

如此，可按照下式求出计算所得的三相电流的峰值和相角，即：

计算结果如表1所示，可见，计算结果与有限元计算输入的相电流幅值较一致，A、B、C三相电流的幅值计算误差分别为-4.7%、-1.8%、-2.8%；相角的误差分别为0.85°、0.33°、-0.23°。这些指标显示出：本文提出的三芯电缆相电流测量方法，可用于三芯电缆相电流的在线监测。更进一步，若采用本文提出的基于磁传感器方法对三芯电缆相电流做准确测量，则需采用相应标准计量仪器对磁传感器进行校准。

表1　由解析模型计算得到的相电流的拟合结果

为进一步表征磁传感器测得的磁感应强度在SA、SB、SC处沿电缆周向的切向n分量Bn与三芯对称电力电缆相电流的关系，图5给出了上述计算实例在三相电流对称平衡条件下，每个磁传感器测得的磁感应强度与相电流幅值之间的关系。

图5　三相电流对称平衡条件下，计算实例中SA、SB、SC三点的磁感应强度沿n方向的分量与相电流幅值之间的线性关系

可以看出，在三芯对称电力电缆各相电流对称平衡条件下，SA、SB、SC处沿该电缆周向磁感应强度的切向n的分量Bn与相电流的幅值成正比。这表明，此种基于磁传感器的相电流测量方法，可以线性地反映三芯电力电缆各相芯线电流的变化。

3　结束语

针对传统的感应式电流测量方法无法用于三芯对称电力电缆相电流测量的缺陷，提出了一种基于磁传感器的三芯对称电力电缆相电流测量方法。通过在三芯对称电力电缆表面沿周向互差120°地安装3个与各相芯线准直的磁传感器，线性地感知三芯对称电力电缆各相芯线电流的大小和方向。通过建立物理数学模型，明确了磁传感器的输出量与三芯对称电力电缆各相芯线电流之间的与现有技术相比，所提出的三芯对称电力电缆相电流测量方法，较好地解决了以传统感应式电流测量装置无法测出三芯电力电缆各相电流的难题。通过在三芯对称电力电缆表面测量磁场信息来确定电缆中各相电流的大小及变化，理论上，可基于它实现对三芯对称电力电缆中各相电流的实时在线监测。

量值关系。通过有限元仿真计算，验证所建模型的准确性。

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（编辑：刘杨）

Measuring method for phase current of symmetrical three-core power cable based on magnetic sensors

YUAN Yanling1，LI Shisong2，DONG Jie1，GAN Jingfu1，HUANG Songling2，ZHAO Wei2
（1.Tangshan Electrical Power Company，Tangshan 063000，China；2.Department of Electrical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China）

The symmetrical three-core cable has three phase cores with every 120 degrees，which，based on its simple construction and low cost，has been widely used in the electrical energy transmission project below 35kV.A symmetrical three-core cable uses a common shield and shell.Since the total current of three phases is zero insteady state，and hence the traditional inductive current measurementmethod cannotbe employedtomeasure thephase current.In order to overcome this shortcoming of the existing measurement technique，this paper presents a new method for the phase current measurement of a symmetrical three-core power cable based on magnetic sensors.In the approach，three magnetic sensors，aligned to the three phase cores of the cable，are installed on the power cable surface，yielding a linear response of the phase current.By developing a physical model，the relationship between the sensor output and the phase current is defined.The model has been verified by finite element simulations.

electrical power cable；current measurement；online monitoring；magnetic sensor

A

1674-5124（2016）08-0029-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2016.08.006

2016-02-23；

2016-04-18

袁燕岭（1982-），男，高级工程师，主要从事电力设备运维检修技术及应用方法研究。