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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

【摘要】局部放电是反映XLPE电力电缆绝缘状况的重要参量.电磁耦合法是目前

检测XLPE电缆局部放电最有效的方法,基于电磁耦合法,设计并研制了用于XLPE

电缆的局部放电传感器,根据局放信号的特点选择合适的磁芯材料,通过数学模型分

析及试验对比,研究了积分电阻及线圈匝数等参数对电流传感器幅频特性的影响,确

定了最优的积分电阻及线圈匝数等传感器关键参数.实验室测试及现场安装运行情

况显示,研制的高频局放传感器安装方便、工作频带宽、灵敏度高,能满足XLPE电

缆局部放电检测的要求.

【期刊名称】《电气自动化》

【年(卷),期】2015(037)004

【总页数】3页(P115-117)

【关键词】XLPE电缆;局部放电;罗戈夫斯基线圈;高频电流传感器;幅频特性;电磁耦

合

【作者】麦洪;张伟忠;张一鸣;陈孝信

【作者单位】广东电网佛山供电局,广东佛山528000;广东电网佛山供电局,广东佛

山528000;上海交通大学电气工程系,上海200240;上海交通大学电气工程系,上海

200240

【正文语种】中文

【中图分类】TP212

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不同磁芯材料特性材料坡莫合金软磁铁氧体超微晶合金最大磁导率/H·m-1

20000—20000饱和磁感应强度/T＜0.6＜0.5＞1.2矫顽力/T＞0.420＜2居

里温度/K＞400＜230＞560铁损/W·kg-1P0.2/20k=13P0.2/20k＜10输出

功率比0.80.441.2P0.2/20k＜20

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