基于羅氏繞組傳感器的電纜放電在線監測系統研究

2013-11-21 02:45:26劉名軼李廣凱

河北電力技術 2013年4期

關鍵詞：檢測

劉名軼，李廣凱，2

（1.華北電力大學，河北保定 071000；2.南方電網科學研究院，廣州 510080）

高壓交聯聚乙烯（XLPE）電纜具有良好的絕緣特性和熱穩定性，并且結構簡單，制造周期短，因此在電力系統中得到了廣泛應用。國內外運行經驗表明，局部放電是造成電纜絕緣劣化的主要原因，而電纜接頭又是電纜線路中的薄弱環節［1］，因此針對高壓電纜接頭開展局部放電檢測研究對于及時發現故障隱患，保障其可靠運行具有重要意義。XLPE 電纜絕緣在逐漸劣化的過程中，會隨之產生諸多物理、化學效應，如電磁輻射、發光發熱以及產生超聲波等，這些隨之產生的現象為局部放電的檢測提供了依據。目前，國內外學者針對高壓電纜接頭局部放電的檢測開展了大量研究，檢測方法主要包含電測法和非電測法兩大類。常用的電測法有電容傳感器法、差分法、特高頻法以及脈沖電流法等［2］。其中，脈沖電流法采用羅氏繞組作為微電流傳感器，該傳感器可以方便地安裝在電纜接頭的接地線上，其測量回路與高壓端無直接的電氣連接，抑制噪聲效果較好，具有抗干擾性強、操作方便安全等優點［3］。

1 羅氏繞組微電流傳感器

微電流傳感器是一種帶有高頻鐵心的自積分羅氏繞組電流傳感器，其等效電路如圖1所示。

圖1 羅氏繞組電流傳感器等效電路

圖中，M為繞組的互感；LS、RS為繞組自感和等效電阻；CS為繞組的雜散電容；R為自積分電阻。R和LS形成自積分電路，u0（t）為繞組的輸出電壓信號。對等效電路進行分析，可以得到在滿足自積分條件下的繞組靈敏度G（s）為：

式中：N為繞組匝數。由于傳感器的等效電路與高頻小信號并聯諧振回路相似，因此利用高頻小信號并聯諧振回路理論進行分析，得到傳感器的頻率下限fL、頻率上限fH和工作頻帶fB分別為：

由式（1）－（4）可以看出，電流傳感器的靈敏度以及上下限截止頻率主要由積分電阻R、繞組自感LS以及繞組匝數N共同決定，而繞組自感的大小則主要取決于傳感器的鐵心材料以及磁導率。根據高壓電纜局部放電信號幅值小、放電脈沖頻譜范圍寬等特點，磁心材料宜選擇鐵氧體材料。在選擇完磁性材料后，有一個最佳的積分電阻R及繞組匝數N，使電流傳感器達到較寬的工作頻帶，并保持一定的靈敏度。根據以上幾種參數的不同，以下設計制作了6種不同參數的電流傳感器，各傳感器參數如表1所示。

表1 電流傳感器參數

利用HP 33120A 信號發生器產生一個幅值不變，頻率10～15×106Hz可調的電流，使其穿過傳感器的幾何中心，測量其感應電壓，得到各繞組的幅頻特性曲線如圖2－3所示。其中圖2為傳感器1－4的對比；圖3為傳感器1、5、6的對比。

圖2 電流傳感器1－4的幅頻特性

圖3 電流傳感器1、5、6的幅頻特性

由圖2可以看出，錳鋅鐵氧體在頻率為0.5 MHz左右時已有較好的靈敏度，而鎳鋅鐵氧體在2 MHz以上才達到設計的最大靈敏度，并且隨著鎳鋅鐵氧體磁導率的減小，傳感器的下限頻率不斷升高。理論和試驗研究表明：XLPE 電纜局部放電脈沖信號頻率主要集中在100 MHz以下，而噪聲干擾的頻譜中主要分量多集中在1 MHz以下［4］。因此選用鎳鋅鐵氧體能夠有效避開噪聲的干擾，提高傳感器的抗干擾能力和信噪比［5］。

由圖3可以看出，當積分電阻R增大時，雖然傳感器的靈敏度有所提高，但是由式（2）、（3）可知工作頻帶將明顯減小，而由式（1）可知增大繞組匝數N會導致傳感器的靈敏度下降，因此最終選擇磁導率為200的鎳鋅鐵氧體作為磁心，傳感器的匝數為10匝，積分電阻為1kΩ，這樣既能保證傳感器具有較高的靈敏度，又能保證其較寬的工作頻帶。

利用LDS－6局部放電檢測儀附帶的標定單元對研制的寬頻帶電流傳感器進行標定試驗，得到不同放電量情況下的傳感器輸出電壓峰值曲線，結果如圖4所示。5pC 放電量情況下傳感器的輸出電壓波形如圖5所示。

圖4 不同放電量下的標定曲線

圖5 電流傳感器在5pC放電量下的輸出波形

2 電纜放電在線監測系統介紹

2.1 系統結構

電纜局部放電監測系統原理結構示意見圖6，在該系統中，首先通過羅氏繞組電流傳感器檢測到電纜局部放電產生的微弱的電流信號，電力電纜中的局部放電具有以下特點：放電電流幅值很小，僅為μA 級；放電脈沖時間非常短，僅為ns級；局部放電信號的頻率范圍分布很廣。因此要求局部放電檢測用電流傳感器滿足以下要求：靈敏度高、工作頻帶寬、線性度好、失真小、穩定性好。Rogowski繞組實質上是一種I／V 轉換型電流傳感器。1912年俄國科學家Rogowski通過大量的試驗研究，從理論和試驗的角度證明了該種測量方法的有效性。一般情況下Rogowski繞組是圓形或矩形，繞組骨架可以選擇空心或磁芯骨架，然后將繞組均勻繞制在骨架上。Rogowski繞組的原邊為一匝，副邊為多匝繞組，副邊繞組與被測電流產生的磁通相交鏈。當有脈沖電流穿過Rogowski繞組內孔時，在副邊繞組的每一匝中都會產生磁通，整個Rogowski繞組副邊N匝中產生的磁鏈與導體中的脈沖電流大小成正比，變化的磁鏈產生電動勢，且電動勢與被測電流成正比。因此繞組輸出電壓與被測電流之間滿足以下關系：該系統通過寬頻帶電流傳感器檢測高壓電纜接地線中的局部放電電流實現了局部放電信號的采集、顯示、分析、保存等功能。

圖6 電纜局部放電監測系統原理結構示意

2.2 系統關鍵技術

該系統通過寬頻帶Rogowski繞組電流傳感器檢測高壓電纜接地線中的局部放電電流，由于局部放電電流幅值較小，且頻率范圍分布較廣，因此要求傳感器具有較寬的檢測頻帶以及較高的檢測靈敏度，另外還要綜合考慮現場的電磁干擾對傳感器的影響，從而確定適合于高壓電纜局部放電檢測的電流傳感器參數。

綜上所述，適合于電纜局部放電帶電檢測的電流傳感器的研制將是工作中的難點。在電流傳感器研制完成之后，還需要配套相應的濾波放大電路，另外由于繞組輸出信號頻率較高，給后續的數據采集以及系統的便攜式設計都帶來了一定困難，因此需要對高頻的局部放電信號進行檢波，以降低其頻率，這樣就可以選擇采樣速率較低的USB數據采集卡，另外對于計算機的要求也相對降低，可以采用筆記本電腦進行數據采集分析。對于系統軟件的設計，可以基于LabVIEW 平臺，開發相應的檢測軟件，實現局部放電信號的采集、顯示、分析、保存等功能。

3 電纜放電在線監測試驗及結果分析

3.1 放電模型及試驗接線

針對10kV 的XLPE 電纜接頭局部放電的特點，設計了4種典型的放電模型：針板放電、內部放電、懸浮放電和沿面放電。其中：針板放電模型，高壓針尖曲率半徑為0.5mm，錐角30°，尖長15mm，板電極上放置直徑100mm，厚1mm 的環氧樹脂絕緣板，針板距離為5 mm；內部放電模型，上下2 層均采用厚3mm 的環氧樹脂板，中間1層采用1mm厚的環氧樹脂板作絕緣介質，絕緣板上開有直徑為10mm 的圓孔，絕緣板之間用環氧樹脂膠粘結；懸浮放電模型，2個板電極之間距離為10mm，接地電極上放直徑100mm，厚5mm 的環氧樹脂板，環氧樹脂板上面靠近邊緣處放置直徑10mm，高10mm的銅柱；沿面放電模型，2個板電極之間縱向放置1個直徑10mm，長10mm 的環氧樹脂棒。4種模型所用的板電極均為直徑50mm，厚10mm 的圓形銅板，為消除電極表面尖角或毛刺的影響，電極表面和邊緣均打磨光滑。為防止電極引線處放電，電極螺帽為專門設計加工的球形螺帽。

在實驗室條件下，利用電流傳感器對局部放電進行檢測，試驗接線如圖7所示。圖中R為限流電阻；CK為耦合電容；Zm為LDS－6局部放電檢測儀的檢測阻抗；A 為電流傳感器。

圖7 局部放電試驗系統

3.2 試驗結果及分析

3.2.1 針板放電

放電初期，所加電壓約為4kV，放電量約為25 pC，試驗結果如圖8所示。由圖8可看出放電集中在負半周電壓峰值處，正半周幾乎沒有放電現象。隨著電壓的升高，當所加電壓達到約5kV 時，伴隨有明顯的放電聲，此時放電量約為500pC，試驗結果如圖9所示。由圖9可看出此時在正半周電壓峰值處出現較大幅值的放電脈沖。

3.2.2 內部放電

試驗所加電壓約為6kV，放電量約為100pC，試驗結果如圖10所示。由圖10可以看出放電在正負半周均有發生，并集中在上升沿階段，放電呈明顯的針狀。

3.2.3 懸浮放電

懸浮放電的試驗結果如圖11所示，由圖11可以看出懸浮放電的放電量較其他放電模型大得多，約為1 000pC，并伴有強烈的“滋滋”聲。懸浮放電在正負半周均有發生并集中在峰值附近。