用于绝缘子串泄漏电流测量的光纤电流传感器

郑会军，帅定新，陈 洪，肖大帅

（1.攀枝花学院电气信息工程学院，攀枝花617000；2.西南交通大学电气工程学院，成都610031）

长期以来，高压输电线路绝缘子污闪事故严重威胁电力系统的安全稳定运行［1，2］，而输电线路绝缘子串上的泄漏电流与污闪有着密切的关系［3］，因此测量绝缘子串的泄漏电流成为监测输电线路绝缘子串表面污秽状态的主要手段之一。目前泄漏电流测量中微电流传感器应用较多［4］，尤其是基于Rogowski线圈基本原理研制的传感器测量泄漏电流，无论是无芯式的主要用于测量大电流，还是有芯式的主要用于测量微电流的传感器，一般都无需很高的采样率和测量带宽，此类传感器的特性与测量现场的电磁环境关系密切，易受到越来越复杂的电力设备结构和无时无刻不在变化的环境造成的测量以外强电磁影响而引入测量误差。

由于传感技术、电子技术的不断进步，采用优化电路、滤波和屏蔽等措施来提高抗干扰措施［4］，一些新型简便的在线监测装置不断问世。为此利用光纤传感器的光学特性受周围强电磁场的影响极小的特点，将光纤传感器应用于测量线路绝缘子串泄漏 电 流［5］。发 光 二 极 管 LED（light emitting diode）具有高效节能、高可靠、长寿命、低维护、环保无污等优点，在众多领域都有广泛应用，同时，在电路中引入光电耦合技术不仅大大降低共模干扰的产生，从而达到降噪的目的，并且光电耦合器件响应速度快，无触点，耐冲击，寿命长，通常具有毫微妙甚至纳秒级的响应时间，为使用光纤电流传感器测量泄漏电流提供了技术支持。本文基于发光二极管LED的发光特性和其抗干扰能力，集传感和传导特性研制了一种光纤泄漏电流传感器装置，用于测量输电线路绝缘子串的泄漏电流，可为污闪的预防提供精确的分析数据［6］。

1 采用LED的光纤电流传感器

本文自制的光纤电流传感器的基本结构如图1所示，传感器包括传感器头，传导光纤和探测器模块部分。传感器头中用发光二极管转换泄漏电流信号，泄漏电流经过引导流过并激发LED发光，光信号经由耦合器进入与传感器头相连的光纤传输至探测模块进行探测，继而再发往后级电路放大滤波处理。

图1 光纤电流传感器的基本结构Fig.1 Basic structure of the optical－fiber current sensor

采用的发光二极管LED的腔面发射光线方向性极好，它的出射光垂直于器件的表面，有利于光路的耦合布置。将此探头经过深精密加工使LED与光纤FC（ferrule connector）接口密封连耦合。传导光纤使用多模光纤，该种多模光纤比单模光纤芯径粗，数值孔径大，能从光源耦合更多的光功率。探测器模块中使用了硅光电二极管探测由传感器头转化而来的光信号。为便于取得硅光电二极管测得的弱小电流，模块中适当加入了运算放大器，这样就可将mA甚至是uA级别的泄漏电流放大为易于分辨的大幅值电压信号。

探头中发光二极管LED由泄漏电流驱动发光而作为光纤传感器的光源，LED的两端反向并联一导通二极管D，如图1中所示。与LED并联的二极管不仅能够防止反向电流过大而损坏发光二极管，而且导通电路中与LED中流过的极性相反的另外半周波电流，从而保证电路导通。传感器探头的探测模块主要是光电转换器，用于转换探头传来的光信号为电信号。信号处理单元分析处理从光电转换器传来的电信号。

探头的输入端接在近地绝缘子的两端，地端为发光二极管的低电位。探头支架为“匚”钳形套圈形结构，探头固定在支架上，通过光纤将信号输送至安装在线路杆塔上的光电转换器，进而由电缆将信号引致杆塔以外的低压安全处进行信号的采集和处理。由于发光二极管单向导通性和并联导通二极管的存在，当流过LED的泄漏电流恰好为LED的正向导通电流时，LED发光产生信号进行传送，而与LED正向导通电流极性相反的另外半周波泄漏电流则是通过并联导通二极管D入地，从而使传感器选择性的测量与LED正向电流极性相同的泄漏电流某个特定半周波信号，即所谓单向半波光纤电流传感器，基于这种策略只测量和记录下每个周期的半周波情况，可以直观的减少了测量的数据量，为后续的存储设备节约了大量的存储空间。

2 光纤电流传感器的输出特性

2.1 输出特性分析

由于传感器中转换器使采用硅光电二极管作为光电转换器件，因此硅光电二极管SPD（silicon photo dioxide）的输出特性直接影响传感器装置的最终输出。硅光电二极管对负载作用时，负载上的电流IL0为

其中：Ip为硅光电二极管受光辐射后产生的光电流；I0为光电二极管的反向饱和电流；Rs为硅光电二极管的串联电阻；Rd是其并联电阻；RL是负载电阻。由上式可知，其输出的负载电流与光电流并非线性关系，负载电流在短路情况下，由于Rs≪Rd，则

当二极管的反向饱和电流很小而输出电流不大时，即IL0Rs≪AVT，可得到IL0≈IP，即输出电流IL0与二极管的光电流IP基本成线性，由此可知应选取Rd大、Rs小、I0小的二极管，并要保持负载输出为短路工作状态。由于负反馈运算放大器的等效输入阻抗为

其中：A0为负反馈运算放大器的开环增益；Rf为反馈电阻；Rid为硅光电二极管的内阻，一般Rid的数量级在兆欧以上，A0＞106，因此Rin很小，接近于零欧姆，硅光电二极管测量电流的线性度P为

当光电二极管的RS越小Rd越大，I0越小，线性P值越小，即线性越好。当负载短路时RL＝0，且Rs≪Rd，则化简式（4）为

由此可知硅光电二极管与放大器的组合电路使光电二极管在接近短路的状态下工作，I0和RS很小可以提高硅光电二极管测量电流的线性度P。而此时其输出信噪比RS，N为

其中q是电子电量；k是波尔兹曼常数；T为绝对温度。对于硅材料，A≈2，VT＝kT／q，△f为工作带宽，这种光电检测电路的信噪比RS，N在反馈电阻Rf1≪106时随Rf的增大而明显增大，在反馈电阻Rf＞106时RS，N随Rf的增大而上升。

2.2 输出特性测试

为检验LED光纤电流传感器的输出特性，利用标准波对传感器进行了标定，函数发生器采用Tektronix公司的CFG280脉冲发生器，带宽为300 MHz，电路中串联的电阻为标准无感采样电阻，使用光纤传感器测得的方波、正弦、脉冲波形或三角波如图2所示。

图2 光纤传感器测得的信号波形Fig.2 Measured waveforms by the sensors

从图2中可看出，光纤电流传感器能够准确检测并如实反映到信号的情况。传感器对10Hz方波和50Hz工频正弦波的低频信号检测波形都没有出现畸变，说明传感器的低频下限在10Hz以下，而传感器对10kHz的脉冲信号响应迅速，见图2，说明传感器的高频上限在10kHz以上。

经过测量，传感器的高频上限可以到达10 kHz左右，由此得到传感器的幅频特性，如图3所示，可知在1～10kHz频段，传感器的响应比较稳定。超过10kHz的信号无法被精确测量，这可能是由于光电二极管和硅光电二极管在采集高频信号时其光电转化速率有所降低而导致的结果。

图3 传感器的幅频特性曲线Fig.3 Amplitude－frequency characteristic curve of the sensors

3 光纤电流传感器的性能测试

3.1 试验平台搭建

试验在人工雾室中进行，接线原理如图4所示。图中的试验电源由移圈式调压器TDJY－1000／10（短路阻抗8.25%）和试验变压器YDJ－900kVA／150kV（短路阻抗8.34%）组成的交流污秽试验电源。电源额定电压150kV，额定电流6A，输入电压0～10.5kV，输出电压0～150 kV，最大短路电流30A。

根据IEC60507－1991和国际GB／T 4582－2004的要求［7－8］，可以得到满足交流污秽试验的电源。试验电源通过高压套管引入雾室，试验电压通过分压比为1000：1的电容分压器连接到示波器，测得试品上试验当前施加的电压大小。

图4 试验接线原理图Fig.4 Experiment wiring diagram

污秽绝缘子的泄漏电流可以反映绝缘子当前的污秽状态，对污闪的预警有着直接的指导作用。

本试验目的是检验基于LED的光纤电流传感器的实际效果以及测量绝缘子的泄漏电流来反映试验绝缘子的污秽状态，由于泄漏电流在运行电压下一般很小，为此采用了同一湿度（85%）下采集绝缘子串泄漏电流，试品分为四组NO.1～NO.4，每组均由3片XP－160绝缘子片串接，盐密ESDD分 别 取 为 0.05mg／cm2、0.1mg／cm2、0.15 mg／cm2和0.2mg／cm2，灰密：盐密 ＝6：1，采用逐渐加压法监测绝缘子串的泄漏电流，试验使用单向半波光纤电流传感器。

3.2 泄漏电流波形采集及分析

将电流传感器按图4所示的试验示意图安装进绝缘子泄漏电流测量系统。

施加的电压从零逐渐增大，当加压较小时，泄漏电流的幅值也较小（微安级），波形显示仍然是标准正弦信号，在泄漏电流达到0.1mA时，传感器测量值显示如图5（a）所示，曲线1、2、3从上到下依次为试验电压、采样电阻所得泄漏电流和传感器测得的信号波，传感器测得的信号中没有负半波，此时泄漏电流较小，仍然属于泄漏电流的安全区范围（≤50mA）。这也正确的反映了光纤电流传感器的半波选择性。

图5 绝缘子泄漏电流逐渐增大的波形Fig.5 Increasing state of leakage current

随着施加电压逐渐增大，泄漏电流开始畸变为三角形，如图5（b）所示，从采样电阻上可知泄漏电流为2mA，传感器上也得到相应幅值的电压波形。当电压进一步加大时，泄漏电流的幅值为5mA，波形畸变的程度更加明显，泄漏电路明显的呈现出三角波形，且有小幅脉冲出现，见图5（c）。而电压继续加大时，泄漏电流的幅值为25mA，泄漏电流的畸变已经相当明显，此时绝缘子偏上已经开始出现零星的火花，如图5（d）所示，可以明显看到泄漏电流基波上叠加了大幅值脉冲，脉冲幅值可达到基波峰值的10倍甚至更高。

经过实测可知，设计的传感器在1～80mA测量范围的线性度很好，见图6，其响应度为40 mV／mA左右。

图6 传感器实测响应线性曲线Fig.6 Response linearity of the two sensors

4 结论

（a）本文以LED作为基础元件，设计制作了基于LED的泄漏电流光纤传感器，用于测量输电线路绝缘子串的泄漏电流。传感器可以检测达到微安级的绝缘子串泄漏微电流，可以使用单光纤电流传感器选择性的测量泄漏电流半波信号。

（b）文中传感器基于LED的发光特性和硅光电二极管和放大器组合的高效率转换，将微小电流检测并转换为适合检测的信号。

（c）基于LED的光纤电流传感器有效检测频率范围为1Hz～10kHz，灵敏度为40mV／mA，线性拟合度高，初步说明这种基于LED的光纤电流传感器可以应用于检测绝缘子串的泄漏电流，有助于输电线路的污闪预防。

［1］ 张仁豫.绝缘污秽放电［M］.北京：水利水电出版社，1994.

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［7］ IEC 60507，Artificial pollution tests on high－voltage insulators to be used on AC systems［S］.

［8］ GB／T4585－2004，交流系统用高压绝缘子的人工污秽试验［S］.