CN103529366B - 基于罗氏线圈原理的uhf宽频带电流传感器及联合监测系统 - Google Patents

Abstract

基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器及联合监测系统，属于电缆局部放电监测技术领域。该UHF宽频带电流传感器磁芯为两半环状，铁基纳米晶合金材料；绕线为直径为0.8mm的铜导线，线圈15匝。联合监测系统由该UHF宽频带电流传感器和VHF传感器一起组成，VHF传感器和所述UHF宽频带电流传感器同时对运行中的电缆进行实时监测，数据传输给示波器，示波器与工控机相连。本发明可对局部放电信号进行标定，可以有效的去除背景噪声干扰，准确的提取出局放波形。本发明在实验室和现场对含有局部放电的真实电缆中间接头进行了检测试验，试验结果表明系统灵敏度在10pC以下；可以有效地减少干扰信号；为现场人员判断提供了依据。

Description

基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器及联合监测系统

技术领域

本发明涉及一种基于罗氏线圈原理（罗格夫斯基线圈原理）的UHF宽频带电流传感器及联合监测系统，是基于罗格夫斯基线圈原理的UHF宽频带电流传感器以及利用此UHF宽频带电流传感器和VHF传感器联合检测的电缆局部放电监测系统，属于电缆局部放电监测技术领域。

背景技术

电缆局部放电在线检测较为成熟的方法为VHF检测方法，这类检测方法的检测频带都集中在VHF频带（1～300MHz）。此种方法局放信号衰减慢，而且可以实现对局部放电平均视在放电量的标定。但是由于XLPE电缆局部放电信号微弱、幅值很小，外界强电磁场干扰源很多，特别是地线上干扰信号更为复杂，VHF传感技术在实际的现场测量中无法排除某些类似局部放电脉冲的干扰。

特高频（UHF）检测技术在GIS上得到了成功应用。特高频（UHF）传感器的检测原理是接收局部放电辐射的UHF频段的电磁波，此频段的电磁波衰减极为迅速，在电缆局部放电检测中，特别是中间接头处，由于有铠甲和防水护套的屏蔽，局放产生的电磁波很难穿透屏蔽被基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器接收。因此，现有的基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器基本无法应用到电缆中间接头的局部放电检测中。

发明内容

本发明所述的基于罗氏线圈原理（即罗格夫斯基线圈原理）的UHF宽频带钳形传感器，检测频带为200～500MHz，立足于开发出测量灵敏度高、抗干扰能力强、便于现场测量的电缆局部放电在线监测设备。采用研制的UHF宽频带传感器与VHF传感器组成联合监测系统，通过实验检测具有绝缘缺陷的真实电缆附件中间接头，并利用此系统进行现场测试。

本发明的基于罗格夫斯基线圈原理的UHF宽频带电流传感器，是基于罗格夫斯基线圈原理，研制用于110kV高压XLPE电缆局部放电在线检测的UHF宽频带钳型电流传感器。

电缆中间接头部分的检测不能采用传统的基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器，故从检测频带和检测原理两个方面寻求解决方法。

①将基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器的检测频带适当下移至200～500MHz，这样既能够避免特高频信号在到达检测位置前就衰减殆尽，又能避免低频带的多种干扰。

②实验表明局部放电UHF信号也可从接地线中传播出来，但是其信号在导线中传导衰减极为迅速。故特高频法检测电缆局部放电时应尽可能将传感器安装在靠近地线或放电点处，减小信号衰减对检测的影响。

本发明所述的基于罗格夫斯基线圈原理的UHF宽频带电流传感器的联合监测系统是利用上述UHF宽频带电流传感器建立一套基于UHF和VHF联合检测原理的110kV高压XLPE电缆局部放电联合监测系统，并通过实验室试验对该监测系统进行性能测试，确定系统的灵敏度。

VHF检测方法可以标定局部放电的视在放电量，局放信号传输衰减慢，但有抗干扰能力差的缺点；而UHF检测方法抗干扰能力强，但不能标定视在放电量，局放信号传输衰减快。所以要进行联合检测。

本发明对研制的联合监测系统进行了现场实际测量，检验联合监测系统其现场测量效果。

基于罗氏线圈原理(罗格夫斯基线圈原理)的UHF宽频带电流传感器，该基于罗格夫斯基线圈原理的UHF宽频带电流传感器:

磁芯形状为两半环状，两半环形磁芯并成一个圆环状磁芯的圆环磁芯；

磁芯材料：铁基纳米晶合金材料；

磁芯尺寸：74×54×15（单位mm）；

绕线材料：直径为0.8mm的铜导线；

线圈匝数：15匝；

积分电阻：20kΩ。

一种基于罗氏线圈原理(罗格夫斯基线圈原理)的UHF宽频带电流传感器的联合监测系统，该联合监测系统由上述基于罗格夫斯基线圈原理的UHF宽频带电流传感器和VHF传感器一起组成，该联合监测系统含有VHF传感器、基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器、数字示波器、工控机及连接线缆；

VHF传感器和基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器同时对运行中的电缆进行实时监测，采集的数据通过连接线缆传输给示波器，示波器与工控机相连。

所述示波器为泰克DPO4034。

DPO3034示波器的频带宽度为350MHz，10M样点记录长度，连续采样方式下采样率为2.5GS/s，一个工频周期（20ms）内采样率可以达到50MS/s。

VHF传感器检测频段为1～100MHz，输出的分别是局部放电检测信号和工频相位信号，局部放电信号通过信号放大器后输出到数字示波器，原始的工频相位信号需要经过硬件的波形滤波、调理后，输出到数字示波器；基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器的检测频段为200～500MHz，检测到的局放高频信号通过信号放大器后输出到数字示波器，同时此通道作为示波器的触发通道。

当电缆中间接头部位发生局部放电时，作为示波器触发源的基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器将检测到放电信号，同时触发示波器采集；示波器将到的采集VHF传感器，基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器和工频相位信号显示出来。工控机控制示波器，并取得示波器采集的数据，从而完成数据储存、分析、处理等多项功能。

（一）图1是罗氏线圈结构示意图。图2罗氏线圈等效电路模型。

基于罗格夫斯基线圈原理的UHF宽频带电流传感器，用于测量电缆中间接头局部放电，根据等效电路，可以列出电路方程：

$u_1\left(t\right)=L_S\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+R_{S}i\left(t\right)+u_2\left(t\right)---(2-1)$

在满足电流传感器自积分条件时，必须满足

$\frac{u_2\left(t\right)}{R}>>C_S\frac{{\mathrm{du}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---(2-2)$

$L_S\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}>>(R_S+R)i\left(t\right)---(2-3)$

忽略杂散电容Cs的影响，得：

$u_1\left(t\right)\≈L_S\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}=\frac{L_S}{R}\frac{{\mathrm{du}}_2\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---(2-4)$

又因为

$u_1\left(t\right)=M\frac{{\mathrm{di}}_1\left(t\right)}{\mathrm{dt}}---(2-5)$

根据（2-4）、（2-5）式可以得到系统的传递函数为：

$H\left(S\right)=\frac{U_2\left(S\right)}{I_1\left(S\right)}\≈\frac{M}{L_S}R---(2-6)$

对于环形结构的电流传感器，截面为矩形，截面面积为S，闭合回路磁路长度为l，线圈自感Ls和互感M的值分别为：

$L_S=\frac{{\mathrm{\μN}}^{2}h}{2\mathrm{\π}}\ln \frac{D_2}{D_1}={\mathrm{\μN}}^2\frac{S}{l}---(2-7)$

$M=\frac{\mathrm{\μN}h}{2\mathrm{\π}}\ln \frac{D_2}{D_1}=\mathrm{\μN}\frac{S}{l}---(2-8)$

其中，r₁、r₂为磁环的内、外径。

由上述式子得出：

H(S)＝R/N （2-9）

由（2-9）式可以看出，在一段有效的频段范围内，电流传感器的传递函数是与频率无关的常数。同时，电流传感器的响应灵敏度与积分电阻R成正比，而与线圈匝数N成反比。响应灵敏度是指输出与输入的幅值比，比值越大说明传感器对输入信号的响应越强，即响应灵敏度越高。

但是在高频下，杂散电容的影响很大，不能被忽略。考虑到Cs的影响，在零初始条件下，系统传递函数H(S)为：

$H\left(S\right)=\frac{U_2\left(S\right)}{I_1\left(S\right)}=\frac{\mathrm{MS}}{L_S{C}_S{S}^2+(\frac{L_S}{R}+R_S{C}_S)S+\frac{R_S}{R}+1}---(2-10)$

在正弦稳态信号下，有

$H\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{\mathrm{j\ωMR}}{R+R_S-L_{S}R{C}_S{\mathrm{\ω}}^2+\mathrm{j\ω}(L_S+{\mathrm{RR}}_S{C}_S)}---(2-11)$

因此，电流传感器的幅频特性为：

$\left|H\left(\mathrm{j\ω}\right)\right|=\frac{\mathrm{MR}}{L_S+{\mathrm{RR}}_S{C}_S}\·\frac{1}{{|1+{|\mathrm{\ω}\·\frac{L_S{\mathrm{RC}}_S}{L_S+{\mathrm{RR}}_S{C}_S}-{|\mathrm{\ω}\·\frac{L_S+{\mathrm{RR}}_S{C}_S}{R+R_S}|}^{-1}|}^2|}^{\frac{1}{2}}}---(2-12)$

电流传感器等效电路类似于高频小信号并联谐振回路，采用高频谐振回路理论分析可得到电流传感器的频带，上限和下限频率分别为：

上限频率：

$f_h=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·\frac{L_S+{\mathrm{RR}}_S{C}_S}{L_S{\mathrm{RC}}_S}\≈\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·\frac{1}{{\mathrm{RC}}_S}---(2-13)$

下限频率：

$f_l=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\·\frac{R+R_S}{L_S+{\mathrm{RR}}_S{C}_S}\≈\frac{1}{2\mathrm{\π}}\frac{R+R_S}{L_S}---(2-14)$

工作频宽：

$\mathrm{BW}=f_h-f_l=\frac{1}{2\mathrm{\π}}(\frac{L_S+{\mathrm{RR}}_S{C}_S}{L_S{\mathrm{RC}}_S}-\frac{R+R_S}{L_S+{\mathrm{RR}}_S{C}_S})---(2-15)$

当f_h＞＞f_l时，

$\mathrm{BW}=\frac{L_S+{\mathrm{RR}}_S{C}_S}{2\mathrm{\π}{L}_S{\mathrm{RC}}_S}\≈\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{RC}}_S}---(2-16)$

在磁芯材料和线圈尺寸一定的情况下，为使电流传感器工作频带足够宽，应使其上限频率尽可能大而下限频率尽可能小。由式（2-16）可见，应使Ls尽可能大，Rs和R尽可能小。

因此，在磁芯材料和线圈尺寸确定之后，线圈匝数和积分电阻存在一个最佳匹配问题。

线圈采用的绕线直径为0.8mm的铜导线，通过调整线圈匝数N和积分电阻R，找到一个两者的最佳匹配，使电流传感器具有较好的幅频特性。通过扫频仪对不同线圈匝数N和积分电阻R组合的线圈频带特性曲线进行分析，比较其在200-500MHz频带内的幅频特性。综合考虑，线圈在N＝15，R＝20kΩ下，曲线在较大带宽内比较平缓，幅度也比较大（如图3，图3是线圈在N＝15，R＝20kΩ下的260MHz～500MHz幅频特性图。）

传统的罗戈夫斯基线圈选用的磁芯材料通常为铁氧体磁芯材料。本发明基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器采用铁基纳米晶合金，该合金几乎综合了所有非晶合金的优异性能：高初始磁导率（10⁵）、高饱和磁通密度(1.2T)，低损耗（P_0.2/50k=15W/kg）以及良好的温度稳定性，加工成型方便，适合于高频测量。

本发明的传感器是悬挂在110kv交联聚乙烯电缆的交叉互联线上，110kv电力电缆的互联线直径为40mm，故本文选用的超微晶材料的磁芯尺寸为：74×54×15（单位mm），即外直径74mm，内直径54mm，厚度15mm。这个尺寸完全符合本发明的要求，又能留出缝隙便于方便的嵌在交叉互连线上。磁芯形状为两半环状，两半环形磁芯并成一个圆环状磁芯。结构示意图见图1，实物图见图4。（图4是套在电缆中间接头交叉互联线的基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器示意图。）

下列为所设计的基于罗格夫斯基线圈原理的UHF宽频带电流传感器（下文简称基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器）的主要参数：

磁芯材料：铁基纳米晶合金材料

磁芯尺寸：74×54×15（单位mm）

绕线材料：直径为0.8mm的铜导线

线圈匝数：15匝

积分电阻：20kΩ

频带宽度：200～500MHz

实验证明，该UHF传感器具有较高灵敏度，能够检测到50pC以下的局部放电信号。同时具有较强的抗干扰性能，现场的干扰基本上都被排除。

（二）基于VHF和基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器联合检测原理的电缆局部放电监测系统由VHF传感器、基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器、工控机、采集卡等硬件组成，联合检测系统结构图如图5所示。（图5电缆在线联合监测系统图。）

通过VHF传感器和基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器同时对运行中的电缆进行实时监测，根据UHF抗干扰能力强的特点对可标定并衰减慢的VHF传感器采集到的信号进行筛选，从而得到局放量数值可计算且准确率高的局放状况。

VHF传感器检测频段为1～100MHz，输出的分别是局部放电检测信号和工频相位信号，局部放电信号通过信号放大器后输出到数字示波器，原始的工频相位信号需要经过硬件的波形滤波、调理后，输出到数字示波器；基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器的检测频段为200～500MHz，检测到的局放高频信号通过信号放大器后输出到数字示波器，同时此通道作为示波器的触发通道。

当电缆中间接头部位发生局部放电时，作为示波器触发源的基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器将检测到放电信号，同时触发示波器采集；示波器将到的采集VHF传感器，基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器和工频相位信号显示出来。工控机控制示波器，并取得示波器采集的数据，从而完成数据储存、分析、处理等多项功能。

数据采集控制、数据传输、实时数据显示和存储的功能是labview软件编程实现的。本系统通过所编写的软件实现了实时采集、二维谱图、三维谱图、时域波形回放、历史趋势谱图功能。通过设置UHF的背景噪声值上限，当UHF采集的信号幅值大于背景噪声值上限时，将实时的VHF信号选取出来，作为局部放电信号显示在实时采集面板上。局部放电具有明显的随机性，对多个工频周期的放电信号进行统计，可得到局部放电的各种分布谱图，以利于局部放电的故障诊断与模式识别。本系统生成的谱图包括：放电幅值相位分布谱图Q－Φ，放电次数相位分布谱图N－Φ，放电次数放电量分布谱图N－Q，N－Q－ф三维谱图等。

抗干扰措施：系统使用了频域开窗和时域开窗来进行电缆局部放电的联合检测。频域开窗是利用周期型干扰在频域上离散的特点对其加以抑制；时域开窗是利用脉冲干扰在时域上离散的特点来消除干扰。对于这两种处理方法，采用了频域开窗在前、时域开窗在后的原则。本文中的VHF和UHF传感器都通过选择合适的工作频带进行频域开窗，消除了大量的低频干扰；利用UHF工作频带高的特点，可与VHF传感器配合对VHF频段的干扰信号进行时域开窗。

利用联合监测系统在实验室对含有局部放电的真实电缆中间接头进行了检测试验，试验结果表明研制的UHF和VHF传感器联合监测系统灵敏度在10pC以下；对现场运行的电缆中间接头及终端进行检测，试验表明，使用联合监测系统可以有效地减少干扰信号，为现场人员的判断提供依据。

本发明的有益效果：本发明能用于实际测量电缆中间接头局部放电信号；研制的基于电磁耦合原理的VHF和基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器联合检测的电缆局部放电监测系统，可以对局部放电信号进行标定，可以有效的去除背景噪声干扰，准确的提取出局放波形。利用联合监测系统在实验室对含有局部放电的真实电缆中间接头进行了检测试验，试验结果表明研制的UHF和VHF传感器联合监测系统灵敏度在10pC以下；对现场运行的电缆中间接头及终端进行检测，试验表明，使用联合监测系统可以有效地减少干扰信号，为现场人员的判断提供依据。

附图说明

图1是罗氏线圈结构示意图。

图2是罗氏线圈等效电路模型。

图3是线圈在N＝15，R＝20kΩ下的260MHz～500MHz幅频特性图。

图4是套在电缆中间接头交叉互联线的基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器示意图。

图5是本发明联合监测系统结构示意图。

图6是联合监测系统实物示意图。

图7气泡缺陷模型。

图8电树枝缺陷模型。

图9滑闪模型。

图10悬浮缺陷模型。

图11三相交叉互联XLPE电力电缆模拟系统。

图12三相交叉互联XLPE电力电缆模拟系统中间接头和终端。

图13放电量标定实验接线图。

图14放电量与信号电压幅值关系图。

图15联合检测系统实验接线图。

图16三相交叉互联系统实测局放信号。

图17现场试验示意图。

图18传感器检测信号。

图19传感器检测模拟局放信号。

图20现场检测示意图。

图21传感器检测信号示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。

基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器的联合监测系统,该基于罗格夫斯基线圈原理的UHF宽频带电流传感器—

磁芯形状为两半环状，两半环形磁芯并成一个圆环状磁芯；

磁芯材料：铁基纳米晶合金材料；

磁芯尺寸：74×54×15（单位mm）；

绕线材料：直径为0.8mm的铜导线；

线圈匝数：15匝；

积分电阻：20kΩ。

一种基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器的联合监测系统，该联合监测系统由上述基于罗格夫斯基线圈原理的UHF宽频带电流传感器和VHF传感器一起组成，该联合监测系统含有VHF传感器、基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器、数字示波器、工控机及连接线缆；

VHF传感器和基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器同时对运行中的电缆进行实时监测，采集的数据通过连接线缆传输给示波器，示波器与工控机相连。

所述示波器为泰克DPO4034。

DPO3034示波器的频带宽度为350MHz，10M样点记录长度，连续采样方式下采样率为2.5GS/s，一个工频周期（20ms）内采样率可以达到50MS/s。

VHF传感器检测频段为1～100MHz，输出的分别是局部放电检测信号和工频相位信号，局部放电信号通过信号放大器后输出到数字示波器，原始的工频相位信号需要经过硬件的波形滤波、调理后，输出到数字示波器；基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器的检测频段为200～500MHz，检测到的局放高频信号通过信号放大器后输出到数字示波器，同时此通道作为示波器的触发通道。

当电缆中间接头部位发生局部放电时，作为示波器触发源的基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器将检测到放电信号，同时触发示波器采集；示波器将到的采集VHF传感器，基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器和工频相位信号显示出来。工控机控制示波器，并取得示波器采集的数据，从而完成数据储存、分析、处理等多项功能。

本发明已经经过了实验室和现场的多项试验，证明性能良好。以下是试验的具体内容。

1联合监测系统标定实验

1.1实验室三相电缆系统介绍

为更好的研究XLPE电缆局部放电的特性，在实验室建有一套完整的110kV三相交叉互联XLPE电缆模型。此套模型由x电力公司工程公司负责加工，该系统采用的是实际工程用电缆（型号为XLPE-64/110kV-1*400）、终端（型号为YJZWC3－64／110kV、YJZWCF4－64／110k和YJZW14－64／110kV）和中间接头（型号为YJJJ(T)－64／110kV）。通过在电缆附件安装前预先在电缆中设置绝缘缺陷来模拟运行中出现的故障，这样保证了电缆附件局部放电模型的真实性。遵照现场运行电缆绝缘故障的实际情况，本系统设置了电树枝、滑闪、气泡、悬浮四种局部放电模型。由于不同故障信号特性和发生的位置不同，其传播特性有所不同。因此该系统两端只要加上高压匹配阻抗和变换两端的接地方式即可用于各种局部放电与干扰信号在三相交叉互联系统中的传播规律及特性的分析与试验研究。该系统可三相同时加高压也可单相加高压进行试验。该系统的局部放电故障模型的设置如下所述：

气泡模型中，对电缆附件有绝缘缺陷端电缆本体处理：将电缆本体经打磨后厚度为φ61.5mm，而应力锥内径为φ57.5mm，这样电缆绝缘厚度与应力锥过盈4mm配合，满足安装要求；应力锥内的半导电部分长70mm。在电缆本体的半导电口，向前5mm处挖一个10x2x2的小坑。缺陷如图7（图7气泡缺陷模型）。最后应力锥定位于电缆本体半导电口向后40mm,这样此小坑将埋于应力锥半导电部分下，位于电场较强的位置，这样更接近于实际电缆运行中的气泡放电类型故障产生的位置。

电树枝模型中，对电缆附件有绝缘缺陷端电缆本体处理：将电缆本体经打磨后厚度为φ61.5mm，而应力锥内径为φ57.5mm，这样电缆绝缘厚度与应力锥过盈4mm配合，满足安装要求；应力锥内的半导电部分长70mm。在电缆本体的半导电口，向前20mm处顶入一个长4mm的大头针钉入绝缘体内。缺陷如图8（图8电树枝缺陷模型）。

滑闪模型中，对电缆附件有绝缘缺陷端电缆本体处理：将电缆本体经打磨后厚度为φ58.5mm，使用内径为φ57.5mm，锥内半导体长度为70mm的应力锥；在电缆的半导电口。向前用半导电漆涂一个长40mm针的尖端；应力锥定位于半导电口向后35mm，这样锥到位后所涂尖端露出锥内半导电口5mm。缺陷如图9。（图9滑闪模型）。

悬浮模型中，对电缆附件有绝缘缺陷端电缆本体处理：电缆本体绝缘经过精心打磨后厚度为电缆绝缘φ58.5mm。使用的应力锥尺寸为：φ57.5mm内径，锥内半导体长70mm。电缆绝缘厚度与应力锥内径过盈1mm。在电缆本体的半导电口，向前40mm处涂一块10x2（长、宽，单位mm）半导电漆，如图10（图10悬浮缺陷模型）。

以上四种缺陷模型分别设置在该电缆系统的中间接头和户外终端处，其中A相电缆中间接头处设置电树缺陷模型，B相电缆中间接头设置滑闪缺陷模型，C相电缆两个户外终端分别设置气泡和悬浮缺陷模型。如图11所示为本实验室实际三相电缆模拟系统示意图；如图12为实验室实际的三相交叉互联系统示意图（图12三相交叉互联XLPE电力电缆模拟系统中间接头和终端示意图）

在该系统中，交叉互连线长度分别为：A相长6.80m，B相7.20m，C相9.60m。电缆本体均约长28m。该系统采用的是实际工程用电缆、户外终端和中间接头。在安装时的加压实验过程中，各个模型能很好的模拟实际电缆局部放电。

1.2三相交叉互联系统放电量标定实验

联合监测系统利用基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器信号提取VHF传感器信号，通过VHF信号幅值来确定局放的放电量。为了确定检测到的VHF传感器信号大小与放电量之间的关系，本文对联合检测系统进行了标定试验。试验接线如图13（图13放电量标定实验接线图），所用的脉冲发生器为TZF-9型校正脉冲发生器。该脉冲发生器可发出放电量为5pC、10pC、50pC、500pC的脉冲信号。

经过试验，对应于放电量为5pC、10pC、50pC、500pC的脉冲，VHF传感器检测到的信号电压幅值平均值分别为34mV、63mV、292mV和648mV。以VHF传感器检测到的信号电压幅值为横轴X，以脉冲放电量为纵轴Y，绘制出放电量与信号电压幅值的关系图，见图14（图14放电量与信号电压幅值关系图）。并使用最小二乘法曲线拟合相关数据，可以得到拟合曲线方程：

可见，脉冲放电量与信号电压幅值虽非呈线性关系，但是基本满足某一关系式，故可以通过这一关系式，在已知信号电压幅值时估算出脉冲放电量的大小。

由于中间接头是整体封闭结构，无法不破坏中间接头而将标定信号加入中间接头内部。故本文采用从电缆终端标定的方法，如图13，脉冲发生器信号从A相终端加入电缆系统，信号经过约14m电缆本体到达中间接头，在传播过程中会发生衰减，中间接头处VHF传感器测到的实际上是衰减后的信号。而中间接头处真实放电没有经过长距离的衰减。因此对于VHF检测到的真实局放的幅值按照图14换算出的放电量要比实际放电量大。例如，VHF传感器检测到中间接头局放信号为80mv，换算后放电量约为11.5pC，则实际放电量要小于11.5pC。

1.3联合监测系统灵敏度校验

利用标定实验得出的放电量与信号电压幅值关系图（图14），可以进而通过实验校验联合检测系统的灵敏度。利用研制的VHF和UHF联合监测系统在实验室的110kV三相电缆交叉互联系统上进行局放检测实验。实验接线如图15（图15联合检测系统实验接线图）。

在实验室三相交叉互联系统中，VHF钳形传感器套在A相中间接头端部，研制的基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器套在中间接头交叉互联线根部共同检测局部放电信号。

A相加电压至12.9kV，使预埋在中间接头内部的电树枝模型发生局部放电，联合监测系统检测到放电信号。如图16，图16三相交叉互联系统实测局放信号示意图，基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器、VHF传感器都检测到信号，观察可发现，放电发生在一个工频周期的第一象限，VHF信号的幅值为60mv，由图14可以换算出视在放电量为9.2pC，考虑到标定信号在传播中的衰减，可知，在低噪声环境中联合监测系统的检测灵敏度小于10pC。

2电缆附件局部放电现场试验

2.1电缆中间接头局放检测现场实验

本文为了检验研制的UHF和VHF传感器联合监测系统的现场测量效果，对xx电缆公司运行的自回龙观至回龙观站外终端塔段110kV XLPE电缆A、B相中间接头进行了实际检测，如图17所示（图17现场试验图）。110kV电缆为坑道式电缆，敷设在距离地下5米的电缆沟中。

在现场检测中，现场检测到的信号如图18所示。（图18：传感器检测信号）图中信号显示，VHF传感器的背景噪声分布比较广泛，存在一些脉冲干扰信号信号，基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器的信号比较干净，没有发现异常，显示出良好的抗干扰能力。在交叉互联线根部模拟局部放电信号，VHF传感器检测到模拟局放信号和干扰信号，基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器只检测到模拟局放信号，如图19所示（图19：传感器检测模拟局放信号）。实验证明，研制的基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器有良好的抗干扰能力，利用基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器提取VHF传感器中的局放信号是可行的。

2.2电缆终端局放检测现场实验

对x省xx市供电局110kV铜支线某正常运行变压器的A相电缆终端进行局放检测。由于变压器是封闭结构，VHF传感器无法套在电缆本体上，故UHF和VHF传感器都接在接地保护箱根部，如图20所示。（图20现场检测示意图）。

实验发现（图21为传感器检测信号），VHF传感器检测到类似局部放电的信号，但是UHF背景干净，没有检测到局放信号。VHF传感器是套在电缆外皮接地线上的，在接地点附近存在着大量的电气设备，有很多的干扰信号从接地线上耦合上来，从而被VHF传感器接收到。而基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器检测频带高，能够避开此类低频干扰，不受其影响。

本发明能用于实际测量电缆中间接头局部放电信号；研制的基于电磁耦合原理的VHF和基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器联合检测的电缆局部放电监测系统，可以对局部放电信号进行标定，可以有效的去除背景噪声干扰，准确的提取出局放波形。利用联合监测系统在实验室对含有局部放电的真实电缆中间接头进行了检测试验，试验结果表明研制的UHF和VHF传感器联合监测系统灵敏度在10pC以下；对现场运行的电缆中间接头及终端进行检测，试验表明，使用联合监测系统可以有效地减少干扰信号，为现场人员的判断提供依据。

Claims (2)

1.一种基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器的联合监测系统，其特征在于，该UHF宽频带电流传感器的磁芯形状为两半环状，两半环形磁芯并成一个圆环状磁芯的圆环磁芯；

所述磁芯材料：铁基纳米晶合金材料；

磁芯尺寸：74mm×54mm×15mm；

绕线材料：直径为0.8mm的铜导线；

线圈匝数：15匝；

积分电阻：20kΩ；

该联合监测系统含有VHF传感器、基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器、数字示波器、工控机及连接线缆；

VHF传感器和基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器同时对运行中的电缆进行实时监测，根据UHF抗干扰能力强的特点对可标定并衰减慢的VHF传感器采集到的信号进行筛选，从而得到局放量数值能计算且准确率高的局放状况，采集的数据通过连接线缆传输给示波器，示波器与工控机相连；

VHF传感器检测频段为1～100MHz，输出局部放电检测信号和工频相位信号，局部放电信号和工频相位信号输出到数字示波器；基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器的检测频段为200～500MHz，检测到的局放高频信号通过信号放大器后输出到数字示波器，同时此通道作为示波器的触发通道；

当电缆中间接头部位发生局部放电时，作为示波器触发源的基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器将检测到放电信号，同时触发示波器采集；示波器将采集到的局部放电信号和工频相位信号显示出来；工控机控制示波器，并取得示波器采集的数据，从而完成数据储存、分析、处理功能；

数据采集控制、数据传输、实时数据显示和存储的功能是labview软件编程实现的；该联合监测系统通过所编写的软件实现了实时采集、二维谱图、三维谱图、时域波形回放、历史趋势谱图功能；通过设置UHF的背景噪声值上限，当UHF采集的信号幅值大于背景噪声值上限时，将实时的VHF信号选取出来，作为局部放电信号显示在实时采集面板上；

局部放电具有明显的随机性，对多个工频周期的放电信号进行统计，得到局部放电的各种分布谱图，以利于局部放电的故障诊断与模式识别；该联合监测系统生成的谱图包括：放电幅值相位分布谱图Q－Φ，放电次数相位分布谱图N－Φ，放电次数放电量分布谱图N－Q，N－Q－ф三维谱图；

在抗干扰方面，该联合监测系统使用了频域开窗和时域开窗来进行电缆局部放电的联合检测；频域开窗是利用周期型干扰在频域上离散的特点对其加以抑制；时域开窗是利用脉冲干扰在时域上离散的特点来消除干扰；对于这两种处理方法，采用了频域开窗在前、时域开窗在后的原则；VHF和UHF传感器都通过选择合适的工作频带进行频域开窗，消除了大量的低频干扰；利用UHF工作频带高的特点，与VHF传感器配合对VHF频段的干扰信号进行时域开窗。

2.根据权利要求1所述的一种基于罗氏线圈原理的UHF宽频带电流传感器的联合监测系统，其特征在于，所述数字示波器为泰克DPO4034，DPO3034示波器的频带宽度为350MHz，10M样点记录长度，连续采样方式下采样率为2.5GS/s，一个工频周期20ms内采样率可以达到50MS/s。