局部放电检测中大尺径宽频带传感器的研究

试验研究局部放电检测中大尺径宽频带传感器的研究方琼１，刘宝成１，满玉岩１，徐阳２（１．天津市电力公司技术中心，天津３１００４０；２．西安交通大学，陕西西安７１００４９）摘要：介绍了以检测变压器高压出线套管信号为目的的电流传感器试验，并给出了参数仿真及现场应用实例。关键词：电流传感器；局部放电；宽频带中图分类号：TM４０６文献标识码：B文章编号：１００１－８４２５（２００８）１２－００１０－０５ResearchonSensorswithBig－SizeandWideFrequencyBandinPDTestFANGQiong１,LIUBao－cheng１,MANYu－yan１,XUYang２（１．TianjinElectricPowerCorporation,Tianjin３１００４０,China;２．Xi＇anJiaotongUniversity,Xi＇an７１００４９,China）Abstract：Thetestofcurrentsensorsinordertodetectpulsesignalsoftransformerbush-ingsisintroduced．Thesimulationparametersandexamplesarepresented．Keywords：Currentsensor；PD；Widefrequencyband1引言用脉冲电流法在线检测电力变压器局部放电时，最关键的组成部分之一就是电流传感器。在以往的大多数变压器局部放电在线检测系统中，利用小尺径的电流传感器从变压器高压套管末屏接地线、中性点接地线、铁心接地线等耦合放电信号进行检测，测量频率从几十千赫到几百千赫（最高为１．２MHz）。而Borsi．H及罗兵等人采用大尺径非磁芯式电流传感器置于变压器高压套管底座定向耦合放电信号，可以采集到丰富的放电信号及辅助抑制干扰，因此从高压出线耦合放电信号被日益重视。此外，对局部放电在变压器绕组中的传播研究表明，内部放电信号传播到变压器出线端时频率上限为３MHz左右，下限为几十千赫到几百千赫。为了采集到完整的放电信号，减少波形振荡，提高系统灵敏度，可与套管末屏接地线的信号对比以作脉冲鉴别，并需对大尺径传感器做进一步研究，以增宽它的频带，提高灵敏度。笔者试验了内部直径为４５０mm、以不同材料为芯体的罗高夫斯基线圈，对传感器电路进行了计算与分析后，选取了合适线圈及参数并将其应用到现场。2大尺径电流传感器的结构设计大尺径电流传感器由罗高夫斯基线圈芯体、罗高夫斯基线圈、取样单元、填充层及电磁屏蔽盒等五部分组成。芯体为圆形或接近于圆形的正多边形，它可由磁性及非磁性材料组成。罗高夫斯线圈即为在芯体上均匀绕制一定匝数的带绝缘层的导线，取样单元由串联的采样电阻和滤波电容组成。填充层是由低介电常数的粘合剂将罗高夫斯基线圈固定在屏蔽盒内。厚度为２mm的金属屏蔽盒可以抑制高于２．５kHz的空间电磁干扰。在传感器设计中，应使传感器适合现场安装并减少漏磁，这要求传感器芯体为圆形或接近于圆形。此外，传感器的频带上限需大于１MHz，频带宽度需大于或接近于１MHz，而且具有较高的灵敏度及良好的线性度。3传感器芯体的选取为了选择合适的芯体，对几种不同材料构成芯体的罗高夫斯基线圈进行了相同程度的试验（图１）。首先，在端口１和端口２之间注入上升沿为第45卷第12期2008年12月TRANSFORMERVol．４５DecemberNo．１２２００８方琼、刘宝成、满玉岩等：局部放电检测中大尺径宽频带传感器的研究第12期４５ns的脉冲信号（分别模拟１００００pC及１０００pC的放电量），对不同匝数的线圈进行线性及灵敏度试验以确定其最优匝数。然后，用TextronisSonyAWG２０４１任意波形发生器产生峰值为４V的正弦信号，加在端口１和端口２之间，测量线圈的频率响应。线圈的采样电阻均为１kΩ，型号为TDS２２０的示波器输入阻抗为１MΩ。３．１磁芯式线圈由于很难加工大尺径的圆形磁芯，整体磁芯由多个条状铁氧体磁芯（截面积为２５．６mm×２５．６mm）加工组成封闭正六边形，内接圆直径为４５０mm。频率在１０kHz～１MHz时，每个条状铁氧体的相对初始磁导率为２５００，饱和磁感应强度Bs、剩余磁感应强度Br、矫顽磁力Hc分别为０．５１T、０．１２T、１１．９A蛐m。加工后整体磁芯的相对初始磁导率（μ蛐μ０）约为５６０。按图１所示，铁氧体为磁芯的线圈在不同匝数下对注入脉冲信号的响应幅值如图２a所示。选取线性度及灵敏度较好时的６０匝线圈作频率响应（图２b），－３dB下频带为３００kHz～１．２MHz，高于１００mV时为９０kHz～７０００kHz。３．２空心式线圈芯体为一根长１．４４mm、内径为２３mm、外径为２７mm的空心聚乙烯管。以此为芯体的线圈在不同匝数下的响应幅值如图３a所示，选择１１０匝线圈作频率响应（图３b），－３dB下的频带为２．８MHz～４MHz，高于１００mV的频带为２．７MHz～４．５MHz。３．３磁粉芯式线圈将３．１所述的条形铁氧体球磨为粉末，灌入３．２所用的聚乙烯管中。以此为芯体的线圈在不同匝数下的响应幅值如图４a所示，选择９０匝时的线圈作频率响应（图４b），－３dB下的频带为２．２MHz～３．５MHz，高于１００mV的频带为１MHz～５MHz。比较以上试验，磁芯式线圈的灵敏度（１２μV蛐μA）、频带宽度（０．３MHz～１．２MHz）适合局部放电在线检测，但成本较高。空气芯式线圈的每项指标都不大理想。磁粉芯式线圈具有较高的灵敏度（７μV蛐１１kΩ罗高夫斯基线圈２０．０１μFI同轴屏蔽电缆Scope图１罗高夫斯基线圈测试回路Fig．１TestcircuitforRogowskicoil图２磁芯式线圈试验０．８０．７０．６０．５０．３０．４０．２０．１００１０２０３０４０５０６０７０８０９０匝数响应幅值蛐V１００００pC１０００pC（a）匝数与响应幅值０．７０．６０．５０．４０．３０．２０．１００２４６８１０频率蛐MHz响应幅值蛐V（b）６０匝时频率响应Fig．２Testofmagneticcorecoil０．６０．５０．４０．３０．２０．１００２０４０６０８０１００１２０１４０１６０１００００pC１０００pC响应幅值蛐V匝数（a）匝数与响应幅值０．２０．１５０．１０．５００２４６８１０响应幅值蛐V频率蛐MHz（b）１１０匝时频率响应图３空心式线圈试验Fig．３Testofaircorecoil11第45卷μA），且结构趋于圆形，但其性能受填充磁粉等加工工艺的限制，每次制作的线圈其性能分散性较大。4传递函数及参数分析４．１等效电路及传递函数大尺径电流传感器存在不可忽略的线圈漏感、磁化电感及寄生电容等分布参数，考虑了这些分布参数后的电流源等效电路如图５a所示，各参数计算如下。L２＝N２Sμ蛐l（１）M＝L２蛐N（２）k＝M蛐（L１L２）１蛐２（３）n＝kN（４）L０＝k２L１（５）Ls＝（１－k２）L１（６）Rf＝R２蛐n２（７）Cf＝n２C２（８）C１＝n２Cx（９）式中L１，L２———原边、副边电感N———线圈匝数μ———为整体磁芯的初始磁导率S———磁芯截面积l———磁芯等效为圆形时的长度M———原、副边互感k———耦合系数n———实际的变比R２，C２———原边的负载电阻、电容Cx———副边线圈与外壳的分布电容假定t＝０时，图５a中没有存储电磁能，则应用拉普拉斯变换后等效运算电路见图５b。当电流I（s）为一冲击函数δ时，根据基尔霍夫电流定律（KCL）及电压定律（KVL），并考虑到磁芯本身磁导率对频率f的变化k（ω），此时脉冲电流传感器采样电阻上的电压对电流源I的转移阻抗函数为：H（ω）＝U（s）I（s）s＝jω＝k（ω）P２P３RfP１（P２＋P４）式中，P１＝１＋jωRfCfjωCfP２＝jωL０RTjωL０＋RTP３＝P１１＋jωP１C１P４＝jωL２２＋P３k（ω）＝１－ω３π×１０７４．２频率特性分析为了设计出符合使用要求的大尺径电流传感器，需了解电流传感器的参数对其灵敏度及频率特性等的影响规律。０．６０．５０．４０．３０．２０．１００２０４０６０８０１００１２０１４０１６０响应幅值蛐V匝数（a）匝数与响应幅值１００００pC１０００pC０．６０．５０．４０．３０．２０．１００２４８１０６响应幅值蛐V频率蛐MHz（b）９０匝时频率响应图４磁粉芯式线圈试验Fig．４TestofmagneticparticlecorecoilR１—原边电阻Ls—原边漏感L０—原边磁化电感L２２—副边漏电感C１—原、副边等值分布电容R１—铁心损耗电阻Rf、Cf—原、副边折算负载电阻及电容I—脉冲电流源IR１LsL２２C１RfRTL０Cp（a）等值电路图５传感器的等值线路及运算电路I（s）SLsSL０I１（s）SL２２RTRf（b）运算电路１蛐sCpFig．５Equivalentandoperationalcircuitsofsensor12方琼、刘宝成、满玉岩等：局部放电检测中大尺径宽频带传感器的研究第12期在计算机上编程分别计算了磁导率μ、线圈匝数N、负载电阻R２及分布电容Cx等参数对传感器幅频特性的影响。采用以下值为基准：N＝６０，S＝６．２５×１０－４m２，l＝１．４４m，RT＝１．４６×１０４Ω，L１＝２×１０－６H，C２＝１００００pF，Cx＝１２０pF，R２＝１kΩ，μ＝７．０６×１０－４H蛐m。各参数对传感器特性的影响如图６所示。从图６中可以看出：（１）增加芯体的磁导率，可以近似线性地提高传感器的灵敏度，所以可选取磁芯式线圈制作传感器以适合现场测量需求。（２）增加线圈匝数，传感器的谐振频率有下降的趋势，对带宽影响并不明显；同时，存在一最佳匝数，使传感器具有较高的灵敏度。（３）降低采样电阻值，可增宽传感器的使用频带，但同时会降低传感器的灵敏度。（４）减小分布电容，可以增宽传感器的频带及提高灵敏度。４．３对实际测量回路的仿真通过４．２分析，６０匝时的磁芯式电流传感器具有较好的特性。将该传感器的实际参数代入传递函数H（ω），并将H（ω）与图２所示的电流源I（ω）函数相乘，即可得到仿真实际电流源的传感器频率响应（见图７）。I（ω）＝４jωC蛐（１＋jωRC）式中R———任意波形发生器内阻，R＝５０ΩC———测试电容，C＝０．０１μF图７中－３dB下频带为３００kHz～２MHz，高于１００mV时为１００kHz～６０００kHz。与图２b相比，从频带及幅度上都基本一致，这说明根据仿真结果进行实际参数的选择是很有意义的。5现场应用在天津某变电站的变压器（２２０kV蛐１２０MVA）上每相高压侧套管法兰处安装一内径为４５０mm的大尺径磁芯式电流传感器，在每相高压套管末屏处安装一小尺径磁芯式传感器。图８是变压器正常运行时大、小传感器测量到的内部放电原始信号，它们首波的幅值基本可比，分别为０．０４５V及０．１２V，极性相反，二者时延小于５０ns。这为脉冲极性鉴别提供了条件，使局部放电测量系统可以定向耦合局部放电信号。４０２００－２０－４０－６０－８００２４６８１０１２３５４振幅蛐dB频率蛐MHz１：１０kΩ２：５kΩ３：１kΩ４：０．５kΩ５：０．１kΩ（c）采样电阻R对频率特性的影响１２３４５２００－２０－４０－６０－８０－１０００２４６８１０振幅蛐dB频率蛐MHz（a）相对磁导率对频率特性的影响１：１０２：５０３：１００４：５００５：１０００１：２０匝２：４０匝３：６０匝４：８０匝５：１００匝４０２００－２０－４０－６０－８００２４６８１０振幅蛐dB频率蛐MHz（b）绕组匝数对频率特性的影响２１３４５（d）分布电容对频率特性的影响２００－２０－４０－６０－８０－１００－１２０－１４００２４６８１０１２３５４振幅蛐dB频率蛐MHz１：１０pF２：１００pF３：１０００pF４：０．０１μF５：０．１μF图６各参数对传感器频率特性的影响Fig．６Influenceofparameterstosensorfrequence１．４１．２１．００．８０．６