基于罗氏绕组传感器的电缆放电在线监测系统研究

2013-11-21刘名轶李广凯

河北电力技术 2013年4期

刘名轶，李广凯，2

（1.华北电力大学，河北保定 071000；2.南方电网科学研究院，广州 510080）

高压交联聚乙烯（XLPE）电缆具有良好的绝缘特性和热稳定性，并且结构简单，制造周期短，因此在电力系统中得到了广泛应用。国内外运行经验表明，局部放电是造成电缆绝缘劣化的主要原因，而电缆接头又是电缆线路中的薄弱环节［1］，因此针对高压电缆接头开展局部放电检测研究对于及时发现故障隐患，保障其可靠运行具有重要意义。XLPE 电缆绝缘在逐渐劣化的过程中，会随之产生诸多物理、化学效应，如电磁辐射、发光发热以及产生超声波等，这些随之产生的现象为局部放电的检测提供了依据。目前，国内外学者针对高压电缆接头局部放电的检测开展了大量研究，检测方法主要包含电测法和非电测法两大类。常用的电测法有电容传感器法、差分法、特高频法以及脉冲电流法等［2］。其中，脉冲电流法采用罗氏绕组作为微电流传感器，该传感器可以方便地安装在电缆接头的接地线上，其测量回路与高压端无直接的电气连接，抑制噪声效果较好，具有抗干扰性强、操作方便安全等优点［3］。

1 罗氏绕组微电流传感器

微电流传感器是一种带有高频铁心的自积分罗氏绕组电流传感器，其等效电路如图1所示。

图1 罗氏绕组电流传感器等效电路

图中，M为绕组的互感；LS、RS为绕组自感和等效电阻；CS为绕组的杂散电容；R为自积分电阻。R和LS形成自积分电路，u0（t）为绕组的输出电压信号。对等效电路进行分析，可以得到在满足自积分条件下的绕组灵敏度G（s）为：

式中：N为绕组匝数。由于传感器的等效电路与高频小信号并联谐振回路相似，因此利用高频小信号并联谐振回路理论进行分析，得到传感器的频率下限fL、频率上限fH和工作频带fB分别为：

由式（1）－（4）可以看出，电流传感器的灵敏度以及上下限截止频率主要由积分电阻R、绕组自感LS以及绕组匝数N共同决定，而绕组自感的大小则主要取决于传感器的铁心材料以及磁导率。根据高压电缆局部放电信号幅值小、放电脉冲频谱范围宽等特点，磁心材料宜选择铁氧体材料。在选择完磁性材料后，有一个最佳的积分电阻R及绕组匝数N，使电流传感器达到较宽的工作频带，并保持一定的灵敏度。根据以上几种参数的不同，以下设计制作了6种不同参数的电流传感器，各传感器参数如表1所示。

表1 电流传感器参数

利用HP 33120A 信号发生器产生一个幅值不变，频率10～15×106Hz可调的电流，使其穿过传感器的几何中心，测量其感应电压，得到各绕组的幅频特性曲线如图2－3所示。其中图2为传感器1－4的对比；图3为传感器1、5、6的对比。

图2 电流传感器1－4的幅频特性

图3 电流传感器1、5、6的幅频特性

由图2可以看出，锰锌铁氧体在频率为0.5 MHz左右时已有较好的灵敏度，而镍锌铁氧体在2 MHz以上才达到设计的最大灵敏度，并且随着镍锌铁氧体磁导率的减小，传感器的下限频率不断升高。理论和试验研究表明：XLPE 电缆局部放电脉冲信号频率主要集中在100 MHz以下，而噪声干扰的频谱中主要分量多集中在1 MHz以下［4］。因此选用镍锌铁氧体能够有效避开噪声的干扰，提高传感器的抗干扰能力和信噪比［5］。

由图3可以看出，当积分电阻R增大时，虽然传感器的灵敏度有所提高，但是由式（2）、（3）可知工作频带将明显减小，而由式（1）可知增大绕组匝数N会导致传感器的灵敏度下降，因此最终选择磁导率为200的镍锌铁氧体作为磁心，传感器的匝数为10匝，积分电阻为1kΩ，这样既能保证传感器具有较高的灵敏度，又能保证其较宽的工作频带。

利用LDS－6局部放电检测仪附带的标定单元对研制的宽频带电流传感器进行标定试验，得到不同放电量情况下的传感器输出电压峰值曲线，结果如图4所示。5pC 放电量情况下传感器的输出电压波形如图5所示。

图4 不同放电量下的标定曲线

图5 电流传感器在5pC放电量下的输出波形

2 电缆放电在线监测系统介绍

2.1 系统结构

电缆局部放电监测系统原理结构示意见图6，在该系统中，首先通过罗氏绕组电流传感器检测到电缆局部放电产生的微弱的电流信号，电力电缆中的局部放电具有以下特点：放电电流幅值很小，仅为μA 级；放电脉冲时间非常短，仅为ns级；局部放电信号的频率范围分布很广。因此要求局部放电检测用电流传感器满足以下要求：灵敏度高、工作频带宽、线性度好、失真小、稳定性好。Rogowski绕组实质上是一种I／V 转换型电流传感器。1912年俄国科学家Rogowski通过大量的试验研究，从理论和试验的角度证明了该种测量方法的有效性。一般情况下Rogowski绕组是圆形或矩形，绕组骨架可以选择空心或磁芯骨架，然后将绕组均匀绕制在骨架上。Rogowski绕组的原边为一匝，副边为多匝绕组，副边绕组与被测电流产生的磁通相交链。当有脉冲电流穿过Rogowski绕组内孔时，在副边绕组的每一匝中都会产生磁通，整个Rogowski绕组副边N匝中产生的磁链与导体中的脉冲电流大小成正比，变化的磁链产生电动势，且电动势与被测电流成正比。因此绕组输出电压与被测电流之间满足以下关系：该系统通过宽频带电流传感器检测高压电缆接地线中的局部放电电流实现了局部放电信号的采集、显示、分析、保存等功能。

图6 电缆局部放电监测系统原理结构示意

2.2 系统关键技术

该系统通过宽频带Rogowski绕组电流传感器检测高压电缆接地线中的局部放电电流，由于局部放电电流幅值较小，且频率范围分布较广，因此要求传感器具有较宽的检测频带以及较高的检测灵敏度，另外还要综合考虑现场的电磁干扰对传感器的影响，从而确定适合于高压电缆局部放电检测的电流传感器参数。

综上所述，适合于电缆局部放电带电检测的电流传感器的研制将是工作中的难点。在电流传感器研制完成之后，还需要配套相应的滤波放大电路，另外由于绕组输出信号频率较高，给后续的数据采集以及系统的便携式设计都带来了一定困难，因此需要对高频的局部放电信号进行检波，以降低其频率，这样就可以选择采样速率较低的USB数据采集卡，另外对于计算机的要求也相对降低，可以采用笔记本电脑进行数据采集分析。对于系统软件的设计，可以基于LabVIEW 平台，开发相应的检测软件，实现局部放电信号的采集、显示、分析、保存等功能。

3 电缆放电在线监测试验及结果分析

3.1 放电模型及试验接线

针对10kV 的XLPE 电缆接头局部放电的特点，设计了4种典型的放电模型：针板放电、内部放电、悬浮放电和沿面放电。其中：针板放电模型，高压针尖曲率半径为0.5mm，锥角30°，尖长15mm，板电极上放置直径100mm，厚1mm 的环氧树脂绝缘板，针板距离为5 mm；内部放电模型，上下2 层均采用厚3mm 的环氧树脂板，中间1层采用1mm厚的环氧树脂板作绝缘介质，绝缘板上开有直径为10mm 的圆孔，绝缘板之间用环氧树脂胶粘结；悬浮放电模型，2个板电极之间距离为10mm，接地电极上放直径100mm，厚5mm 的环氧树脂板，环氧树脂板上面靠近边缘处放置直径10mm，高10mm的铜柱；沿面放电模型，2个板电极之间纵向放置1个直径10mm，长10mm 的环氧树脂棒。4种模型所用的板电极均为直径50mm，厚10mm 的圆形铜板，为消除电极表面尖角或毛刺的影响，电极表面和边缘均打磨光滑。为防止电极引线处放电，电极螺帽为专门设计加工的球形螺帽。

在实验室条件下，利用电流传感器对局部放电进行检测，试验接线如图7所示。图中R为限流电阻；CK为耦合电容；Zm为LDS－6局部放电检测仪的检测阻抗；A 为电流传感器。

图7 局部放电试验系统

3.2 试验结果及分析

3.2.1 针板放电

放电初期，所加电压约为4kV，放电量约为25 pC，试验结果如图8所示。由图8可看出放电集中在负半周电压峰值处，正半周几乎没有放电现象。随着电压的升高，当所加电压达到约5kV 时，伴随有明显的放电声，此时放电量约为500pC，试验结果如图9所示。由图9可看出此时在正半周电压峰值处出现较大幅值的放电脉冲。

3.2.2 内部放电

试验所加电压约为6kV，放电量约为100pC，试验结果如图10所示。由图10可以看出放电在正负半周均有发生，并集中在上升沿阶段，放电呈明显的针状。

3.2.3 悬浮放电

悬浮放电的试验结果如图11所示，由图11可以看出悬浮放电的放电量较其他放电模型大得多，约为1 000pC，并伴有强烈的“滋滋”声。悬浮放电在正负半周均有发生并集中在峰值附近。