基于电磁耦合法XLPE电缆局部放电传感器的研制

麦洪，张伟忠，张一鸣，陈孝信

(1.广东电网佛山供电局，广东 佛山 528000;2.上海交通大学 电气工程系，上海 200240)

0 引言

随着我国电力系统的不断发展，交联聚乙烯(XLPE)电缆凭借其绝缘性能好、介电损耗系数小、安装维护便捷等特点，被广泛应用于各电压等级的输电线和配网中［1］。但早期投运的XLPE电缆逐渐接近其使用寿命，故障率大幅上升［2］，严重威胁着电网的安全运行。在XLPE电缆绝缘层被击穿前，其绝缘介质内部往往会发生局部放电现象，由于局部放电会加速电缆绝缘老化，大大缩短了电缆的使用寿命，因此对局部放电进行检测有着重要的实际意义。

本文基于电磁耦合法研制了一种高频电流传感器，其原理是将罗戈夫斯基线圈安装于电缆终端屏蔽层的接地线上，通过电磁感应提取出局部放电脉冲。本文研制的传感器工作频带宽、灵敏度高、线性度好，同时采用了钳式结构设计，安装方便、抗干扰性强，具有较高的实用价值。

1 电流传感器数学模型

本文设计的高频电流传感器基于罗戈夫斯基线圈的检测原理，采用新型磁芯材料，其结构图如图1所示。XLPE电缆接地线垂直地从线圈中央穿过，通过罗戈夫斯基线圈可感应出高频脉冲电流信号，经过积分电阻即可对信号进行提取。

图1 罗戈夫斯基线圈型电流传感器结构图

图2 传感器等效电路图

电流传感器线圈等效电路图如图 2 所示［3］，其中 LS为线圈自感，RS为线圈等效电阻，CS为等效杂散电容，R为积分电阻。根据局部放电信号的特点，适合使用高频小信号并联谐振理论进行分析，电路方程为:

在满足下列条件时，电流传感器满足自积分条件:

正弦信号下幅频特性为:

上限频率为:

下限频率为:

工作频带宽度:

当 fh≫fl时，

由公式(9)可知，磁芯材料的磁导率μ越高则LS越大［4］，从而提高工作频带宽度。在磁芯材料和尺寸一定时，传感器幅频特性及工作频带宽的主要决定因素为积分电阻R和线圈匝数N，R越大则传感器灵敏度越高，但工作频带宽变窄，N越大则传感器工作频带越宽，但灵敏度降低，故设计传感器时需综合考虑线圈匝数和积分电阻的数值。

2 电流传感器磁芯材料选择及参数确定

2.1 传感器磁芯材料选择

为了使罗戈夫斯基线圈不出现磁饱和现象且拥有较宽的工作频带，传感器所使用的磁芯材料要有较大的磁导率和高饱和磁感应强度，几种常用材料特性见表1［5］。

表1 不同磁芯材料特性

从表1中可以看出超微晶合金具有高磁导率、低损耗、高饱和磁感应强度等特点，所以选取超微晶合金作为高频电流传感器磁芯材料。

2.2 传感器主要参数的确定

由上一节的分析可知，积分电阻R和线圈匝数N均影响着传感器的幅频特性及工作频带带宽，为确定此参数，应用控制变量法进行了如下测试，测试电路图如图3所示。

在测试线圈匝数N对高频电流传感器特性影响的实验中，保持积分电阻R为50 Ω 不变，线圈匝数 N分别取7、8、9及10，测试结果如图4所示。

图4中，由下至上线圈匝数N分别为 10、9、8、7，可见，线圈匝数越小，传感器传递阻抗越大，灵敏度越高。

图3 传感器幅频特性实验示意图

图4 线圈匝数对传感器幅频特性的影响

在测试积分电阻R对高频电流传感器特性影响的实验中，保持线圈匝数N不变，积分电阻R分别取50 Ω及100 Ω，测试结果如图5所示。

图5 积分电阻对传感器幅频特性的影响

图5 中，由下至上曲线对应的积分电阻R分别为50 Ω及100 Ω，可见，积分电阻越小，传感器工作频带越宽，传递阻抗越小，检测灵敏度越低。

综合考虑工作频带及灵敏度，本文研制的高频电流传感器积分电阻选取50 Ω，线圈匝数选取7匝。

高品电流传感器用于电缆局放现场检测时，根据现场实际情况，可能安装在电缆本体上，也可能安装在电缆的接地线上，根据需要经常可能会从一条电缆线路上拆卸安装到另一条电缆线路上，为此，为了方便安装及拆卸，传感器设计时采用的是钳形结构。制作完成的高频电流传感器实物图如图6所示。

在灵敏度测试中，高频电流传感器传递阻抗数值如表2所示。

图6 高频电流传感器实物图

表2 传递阻抗测试结果

根据上表绘制的传递阻抗图如图7所示。

图7 传递阻抗曲线

除传递阻抗外，多传感器还需检测其一致性，任意两个传感器一致性测试结果如图8所示。

图8 传感器一致性测试波形图

3 结束语

本文基于电磁耦合法研制了应用于XLPE电缆局部放电检测的高频电流传感器，传感器具有较高的灵敏度和较宽的工作频带。经过现场测试，该传感器可以较好地提取出XLPE电缆中的局部放电信号。如图9所示，为高频电流传感器在某变电站的现场安装照片，传感器套接在电缆的接地线上，由于采用的是钳形结构，传感器安装及拆卸都很方便。

如图10所示，为电缆监测系统显示的高频局放传感器测得的电缆中的高频脉冲信号。传感器运行稳定，能有效检测出电缆异常信号。

图9 高频电流传感器现场安装图

图10 传感器检测到的电缆高频脉冲信号

［1］朱晓辉，杜伯学，周风争，等.高压交联聚乙烯电缆在线监测及检测技术的研究现状［J］.绝缘材料，2009，42(5):58-63.

［2］李华春，周作春，从光，等.110千伏及以上高压交联电缆系统故障分析［C］.全国第八次电力电缆运行经验交流会，2008:459-470.

［3］赵来军，何俊桂，钱冠军，等.电力变压器局放宽频带传感器的研究［J］.高电压技术，2005，31(3):46-47.

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［5］黄敬华，沈君风，柴荔英.超微晶合金的磁性能及在开关高压电流中的应用［C］.静电基础理论与应用技术研究，中国物理协会，2002.