CN106291063A

CN106291063A - 高频电流传感器

Info

Publication number: CN106291063A
Application number: CN201610797302.5A
Authority: CN
Inventors: 章啸; 丁在松
Original assignee: BEIJING SINTAI XUECHENG INSTRUMENTS Co Ltd
Current assignee: BEIJING SINTAI XUECHENG INSTRUMENTS Co Ltd
Priority date: 2016-08-31
Filing date: 2016-08-31
Publication date: 2017-01-04

Abstract

本发明公开了一种高频电流传感器，包括两个分体式的金属屏蔽外壳，所述金属屏蔽外壳的内壁开设有凹槽，所述凹槽内嵌入有半环型磁芯，所述凹槽上开设有用于通过磁力的环型缝隙；所述半环型磁芯与凹槽之间留有空隙，所述空隙填充有绝缘材料，当两个金属屏蔽外壳的两端分别连接时，所述金属屏蔽外壳内的两个半环型磁芯组成环型磁芯。本发明提供高频电流传感器与现有的同类传感器相比，由于采用的上述方案，其频带宽，灵敏度高高频可至400MHz，灵敏度‑10dBm，低频可至2MHz，灵敏度‑12dBm，最适频率25MHz，灵敏度‑40dBm。

Description

高频电流传感器

技术领域

本发明涉及局部放电检测技术领域，特别是一种用于电缆和变压器局部放电测试的高频电流传感器。

背景技术

局部放电检测是检验高压开关GIS、变压器、发电机、电力电缆等高压电气设备绝缘状态的重要试验。现有技术中，除了可以使用超声波法和超高频法直接对高压电气设备的局部放电进行测量外，也可以通过检测高压电气设备接地线的高频电流信号来检测其内部的局部放电状况。高频电流法不仅可以实现对一些微小的绝缘缺陷引起的电缆局部放电微信号的检测，而且可以在线监测电缆、变压器和发电机组等设备绝缘介质的绝缘状态。作为检测和判断局部放电故障的有效方法，高频电流法在发电机、变压器和高压电缆的局放现场检测及在线监测中得到了广泛的应用。

高频电流传感器(HFCT)作为高频电流检测法检测局部放电的传感器部件，一般使用Rogowski线圈方式，在环状的磁芯材料上围绕多匝导电线圈，高频电流穿过磁芯中心引起的高频交变磁场会在线圈中产生感应电流。高频电流传感器的频带宽度和灵敏度是衡量传感器性能的最重要的两个参数。此外，传感器现场抗干扰能力也是衡量传感器性能的重要指标。然而，现有的高频电流传感器在设计上存在频带宽而灵敏度不足或灵敏度高而频带较窄的缺陷，或由于设计上存在电磁屏蔽缺陷，造成在实际应用中仍然存在一定的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种高频电流传感器，以提高抗干扰能力，同时具有检测频带宽、灵敏度高的优点。

基于上述目的，本发明提供的高频电流传感器包括两个分体式的金属屏蔽外壳，所述金属屏蔽外壳的内壁开设有凹槽，所述凹槽内嵌入有半环型磁芯，所述凹槽上开设有用于通过磁力的环型缝隙；所述半环型磁芯与凹槽之间留有空隙，所述空隙填充有绝缘材料，当两个金属屏蔽外壳的两端分别连接时，所述金属屏蔽外壳内的两个半环型磁芯组成环型磁芯。

在本发明的一些实施例中，所述金属屏蔽外壳包括弧形的磁芯槽和盖板，所述磁芯槽的一侧壁上固定连接有盖板，所述盖板与磁芯槽的内壁组成用于嵌入半环型磁芯的凹槽。

在本发明的一些实施例中，所述盖板为L字型，所述磁芯槽的另一侧壁与盖板之间留有环型缝隙。

在本发明的一些实施例中，所述磁芯槽外侧壁的一端通过合页铰接，另一端通过搭扣铰接，所述两个磁芯槽的一端绕着合页转动，所述搭扣用于将两个磁芯槽的另一端打开后者合上。

在本发明的一些实施例中，所述磁芯槽的一个端面上设置有定位孔，另一个端面上设置有定位块，当两个磁芯槽相互合上时，其中一个磁芯槽上的定位块插入另一个磁芯槽的定位孔内。

在本发明的一些实施例中，一个半环型磁芯的中部缠绕有线圈，所述线圈的两端与信号输出插头连接。

在本发明的一些实施例中，所述线圈的缠绕匝数为1匝，所述线圈为铜片，所述线圈的横截面积为4-10mm²。

在本发明的一些实施例中，所述铜片的厚度为0.5-1.2mm，宽度为5-15mm。

在本发明的一些实施例中，所述环型缝隙的宽度为2-10mm，所述环型磁芯的内径为50-70mm，外径为70-100mm，高度为20-40mm。

在本发明的一些实施例中，所述绝缘材料为聚苯乙烯。

从上面所述可以看出，本发明提供的高频电流传感器通过金属屏蔽外壳完全屏蔽了来自外侧的信号，背景信号低，从而能更好适用于复杂的测试环境，有效提高其检测效果和实用性，而且该传感器具有检测频带宽、灵敏度高，现场带电安装简便的特点。

附图说明

图1为本发明实施例高频电流传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例高频电流传感器的半剖左视图；

图3为本发明实施例高频电流传感器的线圈缠绕示意图；

图4为本发明实施例高频电流传感器的等效电路；

图5为本发明实施例高频电流传感器的各频率的灵敏度响应图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。

参见图1和图2，分别为本发明实施例高频电流传感器的结构示意图和半剖左视图。作为本发明的一个实施例，所述高频电流传感器包括两个分体式的金属屏蔽外壳1，所述金属屏蔽外壳1的内壁开设有凹槽，所述凹槽内嵌入有半环型磁芯4，所述凹槽上开设有用于通过磁力的环型缝隙9；所述半环型磁芯4与凹槽之间留有空隙，所述空隙填充有绝缘材料11，当两个金属屏蔽外壳1的两端分别连接时，所述金属屏蔽外壳1内的两个半环型磁芯4组成一个环型磁芯。可选地，所述绝缘材料11可以为防水硅橡胶。作为本发明的一个优选实施例，所述环型缝隙9的宽度为2-10mm，用于磁力通过，可以很好地屏蔽传感器外侧的各种干扰信号。

作为本发明的又一个实施例，如图2所示，所述金属屏蔽外壳1包括弧形的磁芯槽2和盖板3，所述磁芯槽2的一侧壁上固定连接有盖板3，所述盖板3与磁芯槽2的内壁组成用于嵌入半环型磁芯4的凹槽。优选地，所述盖板3为L字型，所述磁芯槽2的另一侧壁与盖板3之间留有环型缝隙9，用于通过磁力。优选地，所述凹槽为半环型，以与所述半环型磁芯4吻合。可选地，所述凹槽的横截面可以为正方形或者长方形。需要说明的是，在该实施例中，所述磁芯槽2的内侧为半圆形，以使形成的凹槽为半环型，所述磁芯槽2的外侧可以为其他形状。可选地，所述磁芯槽2和盖板3上开设有数个安装螺丝孔10，可以通过安装螺丝将磁芯槽2的侧壁和盖板3固定连接。

作为本发明的一个较佳实施例，所述两个金属屏蔽外壳1的两端分别通过铰接部件互相铰接，以方便将两个金属屏蔽外壳1拆开或者合上。优选地，如图1所示，所述磁芯槽2外侧壁的一端通过合页6铰接，另一端通过搭扣7铰接，因此，所述两个磁芯槽2的一端可以绕着合页6转动，所述搭扣7用于将两个磁芯槽2的另一端打开后者合上。

所述磁芯槽2的一个端面上设置有定位孔12，另一个端面上设置有定位块13，所述定位孔13能够插入定位孔内，当两个磁芯槽2相互合上时，其中一个磁芯槽2上的定位块13插入另一个磁芯槽2的定位孔12内，以便于两个磁芯槽2的安装定位。

作为本发明的再一个实施例，一个半环型磁芯4的中部缠绕有线圈14，如图3所示，所述线圈的两端与信号输出插头5连接。可选地，所述信号输出插头5为N型接头，并固定于所述磁芯槽2外侧壁上。所述磁芯槽2外侧壁还设置有接地孔8，所述接地孔8通过一接地柱与地连接，不仅可以起到接地的作用，而且可以起到支撑固定传感器，从而保证导线垂直穿过传感器中心。

干扰源屏蔽实施例

局部放电电流传感器的外部干扰源主要来自于现场的各种电磁信号。良好的屏蔽对于传感器信号灵敏度具有重要作用。目前现有的高频传感器有多种屏蔽方式，包括工程塑料屏蔽、金属屏蔽加侧面塑料盖板、以及本发明中的外部屏蔽，内部留间隙的屏蔽方式。

本发明采用同样规格的磁芯、同样的绕线匝数对这三种屏蔽方式在最适频率范围(10-50MHz)内的灵敏度均值和灵敏度峰值进行的研究，证明了本发明提供的高频电流传感器具有较低的噪声和更高的灵敏度均值和灵敏度峰值，参见表1。

表1不同屏蔽方式对高频电流传感器灵敏度的影响

不同屏蔽方式	工程塑料屏蔽	不完全金属屏蔽	本发明
				灵敏度均值	-20dBm	-26dBm	-32dBm
灵敏度峰值	-31dBm	-37dBm	-40dBm

信号检测频带和灵敏度试验实施例

典型的电流传感器等效电路如图4所示，其类似于高频小信号并联谐振回路。其中I₁(t)为原边电流，U₁(t)为线圈的感应电压，M为原边和次边的互感，L_s为线圈自感，R_s为线圈自身电阻，C_s为杂散电容，R为负载电阻。采用高频小信号并联谐振回路理论分析，可得电流传感器的频带为

下限频率：

f_{1} = \frac{1}{2 π} \cdot \frac{R + R_{s}}{L_{s} + {RR}_{s} C_{s}} - - - (1)

上限频率：

f_{2} = \frac{1}{2 π} \cdot \frac{L_{s} + {RR}_{s} C_{s}}{L_{s} {RC}_{s}} - - - (2)

工作频带宽度：

B = f_{2} - f_{1} = \frac{1}{2 π} \cdot \frac{L_{s} + {RR}_{s} C_{s}}{L_{s} {RC}_{s}} - \frac{1}{2 π} \cdot \frac{R + R_{s}}{L_{s} + {RR}_{s} C_{s}} - - - (3)

灵敏度：

K = \frac{M R}{L_{s} + {RR}_{s} C_{s}} = \frac{L_{s}}{N} \cdot \frac{R}{L_{s} + {RR}_{s} C_{s}} - - - (4)

高频电流传感器的带宽B和灵敏度K由线圈的自感L_s，自身电阻R_s，杂散电容C_s，互感M和负载电阻R共同决定。由1-4式可知，要提高传感器带宽，就要使f₂尽可能大，f₁尽可能小。如果提高线圈自感L_s，就会降低下限截止频率f₁；同样，如果减小线圈的杂散电容C_s和自身电阻R_s，就会增大上限截止频率f₂，两种方式都会扩大带宽，但都使得传感器灵敏度下降；当负载电阻R减小时，下限截止频率f₁降低，上限截止频率f₂增大，即工作频带变宽，但随着R的减小，传感器的灵敏度也随之下降。可见，既要保证传感器有足够高的灵敏度，又要保证它有较宽的频带是很难实现的。

线圈的L_s、C_s和R_s这些参数决定于磁芯的内外径、高度，线圈匝数，线圈本身的长度和截面积(5-7式)。其中N为线圈匝数，A为磁芯的截面积，l为磁路的平均长度，μ为初始磁导率，ε为线圈绝缘的介电常数，r₂和r₁分别为磁芯的外径和内径；ρ、L和S分别为线圈所用导线的电阻率、总长度和截面积。

线圈自感：

L_{s} = \frac{N^{2} A μ}{l} - - - (5)

线圈杂散电容：

C_{s} = \frac{4 π (r_{2} + r_{1}) ϵ}{\log (\frac{r_{2} + r_{1}}{r_{2} - r_{1}})} - - - (6)

线圈电阻：

R_{s} = \frac{ρ L}{S} - - - (7)

由5-7式并结合前面的分析，关于频带宽度，为了使传感器的频带宽，需要选用磁导率大的磁芯，增加线圈缠绕匝数和磁芯截面积，降低磁路长度以使线圈自感增加；通过增加线圈长度和截面积来减小线圈电阻R_s；通过增加磁芯直径和内外径差异来减小线圈杂散电容C_s。关于灵敏度，根据分析可知灵敏度大小与负载电阻R成正比，与线圈匝数N成反比。这样就存在了矛盾，即减小负载电阻，可以扩宽频带，但是会降低灵敏度，增加绕线匝数也可以扩宽频带，同样会降低灵敏度。而目前，一般使用阻抗为50Ω的同轴电缆作为传感器信号输出，为使系统稳定，负载电阻R也只能选择50Ω。因此传感器设计中只能考虑磁芯和线圈两个因素。而在电缆局放现场测试特别是在线检测中，首先要考虑的是灵敏度。因为现场中高频干扰非常复杂，造成背景信号高，如果传感器灵敏度低的话，一些较小的高频放电信号就会淹没在背景信号中。本发明设计的原则就是，在保证灵敏度的前提下，尽可能的扩宽传感器的检测频带。

由式4知，要尽可能提高传感器灵敏度，就要较少线圈缠绕匝数。为此，本发明采用最小缠绕匝数1匝，所述线圈为铜片。可选地，所述线圈的截面积可以为4-10mm²，可以提高传感器感应频带的上限截止频率及高频段的灵敏度。线圈匝数一定情况下，其它可调的参数对于线圈就是其导线直径和绝缘材质，选择直径大、绝缘材料介电常数小的导线可以降低线圈电阻以增加传感器检测的频带宽度；另一可调的参数就是磁芯。所述铜片可以选自紫铜片、黄铜片、青铜片和白铜片。优选地，所述铜片选自紫铜片，以提高传感器的检测灵敏度。

磁芯的设计包括磁芯的内外径和高度以及磁芯材料。本发明在优化条件下，经过理论计算和实际试验，本发明优选使用0.5-1.2mm厚，宽度5-15mm的紫铜片作为缠绕线圈，以聚苯乙烯作为绝缘材料。作为本发明的又一个实施例，本发明选用0.8mm厚，宽度为10mm的紫铜片作为缠绕线圈，缠绕匝数1匝，以提高检测灵敏度。作为本发明的另一个实施例，本发明可以选用1mm厚，宽度为8.8mm的紫铜片作为缠绕线圈，缠绕匝数1匝，以提高检测灵敏度。作为本发明的再一个实施例，本发明可以选用0.9mm厚，宽度为10mm的紫铜片作为缠绕线圈，缠绕匝数1匝，以提高检测灵敏度。作为本发明的另一个实施例，本发明可以选用1.2mm厚，宽度为6mm的铜片作为缠绕线圈，缠绕匝数1匝，以提高检测灵敏度。所述铜片

磁芯选择在高频区性能好的镍锌铁氧体磁芯，磁芯的尺寸，从原理上是越大越好，考虑到电缆本身的大小，其最佳内径就比较固定，本发明设计磁芯的内径为50-70mm，外径为70-100mm，高度为20-40mm。作为本发明的一个实施例，所述磁芯的内径为66mm，外径为74mm，高度为30mm，作为本发明的又一个实施例，所述磁芯的内径为58mm，外径为70mm，高度为35mm，作为本发明的又一个实施例，所述磁芯的内径为62mm，外径为85mm，高度为28mm，可以提高传感器感应频带的上限截止频率及高频段的灵敏度。需要说明的是，所述磁芯是指由两个半环型磁芯4组成的环型磁芯。

利用本发明的优选设计，对传感器的上下截止频率和灵敏度进行了实际测试。测试时使用信号发生器模拟高频信号，传感器输出端与放大器连接，对放大的信号用示波器进行检测。在2-400MHz频率范围内，选择20个频率值进行测试。利用信号发生器模拟每一频率的高频信号，并调节信号强度，在示波器上显示传感器感应的高频信号，测试信噪比为2:1时的灵敏度。传感器在该频率范围内的灵敏度响应，如图5所示。高频可至400MHz，灵敏度-10dBm，低频可至2MHz，灵敏度-12dBm，最适频率10-50MHz，灵敏度-40dBm。

本发明提供的高频电流传感器在工作时，两个分体式金属屏蔽外壳绕着合页打开，将屏蔽盒套于接地电缆上，合上合页，扣紧搭扣以闭合金属屏蔽外壳。电缆中微弱的高频电流信号在磁芯中感应生成相应变化的磁场，该变化的磁场在线圈中感应生成相应变化的电动势，该感应电动势经信号输出插头输出。

由此可见，本发明提供高频电流传感器与现有的同类传感器相比，由于采用的上述方案，其频带宽，灵敏度高，高频可至400MHz，灵敏度-10dBm，低频可至2MHz，灵敏度-12dBm，最适频率25MHz，灵敏度-40dBm。另外信号输出接头牢固可靠；接地柱不仅保证了接地的稳定性，也保证了传感器的稳定；金属屏蔽外壳完全屏蔽了来自外侧的信号，背景信号低；这些都使本发明提供的高频电流传感器能更好适用于复杂的测试环境，有效提高其检测效果和实用性。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种高频电流传感器，其特征在于，包括两个分体式的金属屏蔽外壳，所述金属屏蔽外壳的内壁开设有凹槽，所述凹槽内嵌入有半环型磁芯，所述凹槽上开设有用于通过磁力的环型缝隙；所述半环型磁芯与凹槽之间留有空隙，所述空隙填充有绝缘材料，当两个金属屏蔽外壳的两端分别连接时，所述金属屏蔽外壳内的两个半环型磁芯组成环型磁芯。

2.根据权利要求1所述的高频电流传感器，其特征在于，所述金属屏蔽外壳包括弧形的磁芯槽和盖板，所述磁芯槽的一侧壁上固定连接有盖板，所述盖板与磁芯槽的内壁组成用于嵌入半环型磁芯的凹槽。

3.根据权利要求2所述的高频电流传感器，其特征在于，所述盖板为L字型，所述磁芯槽的另一侧壁与盖板之间留有环型缝隙。

4.根据权利要求2所述的高频电流传感器，其特征在于，所述磁芯槽外侧壁的一端通过合页铰接，另一端通过搭扣铰接，所述两个磁芯槽的一端绕着合页转动，所述搭扣用于将两个磁芯槽的另一端打开后者合上。

5.根据权利要求2所述的高频电流传感器，其特征在于，所述磁芯槽的一个端面上设置有定位孔，另一个端面上设置有定位块，当两个磁芯槽相互合上时，其中一个磁芯槽上的定位块插入另一个磁芯槽的定位孔内。

6.根据权利要求2所述的高频电流传感器，其特征在于，一个半环型磁芯的中部缠绕有线圈，所述线圈的两端与信号输出插头连接。

7.根据权利要求6所述的高频电流传感器，其特征在于，所述线圈的缠绕匝数为1匝，所述线圈为铜片，所述线圈的横截面积为4-10mm²。

8.根据权利要求7所述的高频电流传感器，其特征在于，所述铜片的厚度为0.5-1.2mm，宽度为5-15mm。

9.根据权利要求1所述的高频电流传感器，其特征在于，所述环型缝隙的宽度为2-10mm，所述环型磁芯的内径为50-70mm，外径为70-100mm，高度为20-40mm。

10.根据权利要求1所述的高频电流传感器，其特征在于，所述绝缘材料为聚苯乙烯。