CN106771477B - 大口径高灵敏度的高压直流电缆泄漏电流检测传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型大口径高灵敏度的高压直流电缆泄漏电流检测传感器，通过设置闭环穿心式环形铁芯、测量线圈和电流信号采集处理电路板，应用磁通门技术设计选用高磁导率、低矫顽力材料的闭合环形铁芯，使环形铁芯中心孔径不小于40mm设置以便待测高压直流电缆能够穿过，励磁线圈采用四象限对称绕法缠绕在环形铁芯上，响应线圈对称缠绕在环形铁芯上，电流信号采集处理电路板采用闭环反馈控制，形成深负反馈电路，使该泄漏电流检测传感器具有精度高、稳定度好、抗干扰能力强等优点，能够测量数百微安至数十毫安范围的直流泄漏电流，灵敏度可达约100微安，可以满足高压直流电缆泄漏电流测量及绝缘状态评估的目的。
Description
技术领域
本发明涉及电力系统信号采集领域，尤其涉及到一种大口径高灵敏度的高压直流电缆泄漏电流检测传感器。
背景技术
随着电网建设的逐步发展，高压直流输电因其造价低、无磁感应损耗等优点越来越受到重视。但是高压直流电缆在运行过程中，间歇性的运行停电容易形成大量的空间电荷。根据交联聚乙烯电缆的电树击穿理论，这种长时间的局部电场作用使绝缘层内电树不断增长形成放电通道，再加上交联聚乙烯绝缘材料在制造过程中的不均匀存在，最终导致绝缘电阻降低甚至有击穿的风险。因此高压直流输电的发展对电缆绝缘试验及泄漏电流的检测也提出了更高的要求。
高压直流电缆线路设计规程要求，根据线路电压等级、输送电能容量及相地短路故障时通流能力，确定金属屏蔽层引出电缆规格，一般设计的引出电缆导体截面积较大，导致电缆外径通常在40mm以上，线路正常运行时泄漏电流是微安级的。另外高压直流电缆敷设通道中一般还有其他的高压电缆线路，如110kV或更高等级的高压交流电缆线路，因此线路通道中存在较大的工频干扰或高频电磁干扰。
现在通常采用弱电流传感器来检测电气设备的泄漏电流，又分为交流和直流2种应用场合。常见的直流弱电流传感器通常基于霍尔原理设计，为保证较高的测量精度和稳定度，一般采用小口径闭环穿心式，即传感器内孔直径通常小于20mm，主要应用于电气设备的交直流泄漏电流测量，如大型空调、光伏发电系统等电气设备。
根据高压直流电缆线路特点，常见的弱电流传感器测量口径偏小，工程应用现场中要求穿心接地电缆直径必须小于电流传感器内径，而高压直流电缆屏蔽引出电缆外径较大，所以这类小口径弱电流传感器无法应用到测量现场进行泄漏电流检测。另外，高压直流电缆处于正常运行状态下，泄漏电流通常是微安级的，极其微小，而现有常见弱电流传检测精度一般是毫安级的，检测灵敏度低、精度差，无法实现高压直流电缆泄漏电流测量目的，同时当输电线路环境噪声等影响较大时，它的测量效果会更差，所以现在常见的弱电流传感器无法应用于现场高压直流电缆泄漏电流测量及绝缘状态评估。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种既符合高压直流电缆外径特点又能够使检测灵敏度达到微安级的大口径高灵敏度的高压直流电缆泄漏电流检测传感器。
本发明提供的技术方案如下：一种大口径高灵敏度的高压直流电缆泄漏电流检测传感器，包括闭环穿心式环形铁芯、测量线圈和电流信号采集处理电路板，所述环形铁芯中心孔径不小于40mm设置以使待测高压直流电缆能够穿过，所述测量线圈包括励磁线圈和响应线圈，所述励磁线圈和响应线圈以双绕组方式绕设在所述环形铁芯上，所述电流信号采集处理电路板包括励磁电路和信号处理单元，所述励磁线圈的两个引出端分别接所述励磁电路输出端和接地，所述励磁电路用于产生交变激励方波信号并通过所述励磁线圈使所述环形铁芯产生交变饱和磁场，所述响应线圈的两个引出端分别与所述信号处理单元的输入端与输出端连接从而形成闭环反馈，所述信号处理单元用于将感应到的待测电缆电流信号转变为与电流呈线性变化的电压信号。
在本发明的较佳实施例中，所述励磁线圈采用四象限对称绕法缠绕在所述环形铁芯上，所述响应线圈采用对称绕法缠绕在所述环形铁芯上。
在本发明的较佳实施例中，所述环形铁芯采用高磁导率的钴基合金材料制作。
在本发明的较佳实施例中，所述励磁电路包括振荡电路和后级驱动电路，所述振荡电路和后级驱动电路之间连接有电阻R2,所述振荡电路包括分频器U1、电容C1、电容C2、晶振Y1和电阻R1，晶振Y1的两端分别与电容C1的一端和电容C2的一端连接后并联在电阻R1的两端，电容C1的另一端与电容C2的另一端均接地，电阻R1的两端均接入分频器U1中，所述后级驱动电路包括放大器N1、反馈电阻R3，反馈电阻R4和耦合电容C3，电阻R2的一端与分频器U1输出端连接而另一端与放大器N1的反相输入端连接，反馈电阻R3的一端接地而另一端分别与反馈电阻R4的一端和放大器N1的同相输入端连接，反馈电阻R4的另一端分别与放大器N1的输出端和耦合电容C3的一端连接，耦合电容C3的一端和放大器N1的输出端连接而另一端与所述励磁线圈的一个引出端连接。
在本发明的较佳实施例中，所述信号采集处理单元包括峰值检测电路、积分滤波电路和由反馈电阻R9组成的反馈回路，所述峰值检测电路包括检波二极管D1、检波二极管D2、电阻R5电阻R6、电阻R7、电容C4和电容C5，所述积分滤波电路包括放大器N2、电容C6和电阻R8，检波二极管D2的阳极分别与电阻R5的一端、与检波二极管D1的阴极连接，检波二极管D2的阳极还和所述响应线圈的一个引出端连接，检波二极管D2的阴极分别与电阻R6的一端和电容C5的一端连接，电阻R5的另一端接地，电容C5的另一端分别与电阻R5的另一端和放大器N2的反相输入端连接，检波二极管D1的阳极分别与电容C4的一端和电阻R7的一端连接，电容C4的另一端接地，电阻R7的另一端与电阻R6的另一端连接，电阻R6的另一端还与放大器N2的同相输入端连接，电容C6并联在电阻R8的两端，电阻R8的两端分别与放大器N2的同相输入端和输出端连接，反馈电阻R9的一端与放大器N2的输出端连接而另一端与所述响应线圈的另一个引出端连接。
在本发明的较佳实施例中，所述采集处理处理单元还包括电阻R10、钳位电路和电压跟随器，电阻R10连接在所述积分滤波电路和所述钳位电路之间，所述钳位电路连接在电阻R10和电压跟随器之间，所述钳位电路包括检波二极管D3和电容C7，所述电压跟随器包括放大器N3、滤波电阻R11和滤波电容C8，电阻R10的一端与放大器N2的输出端连接而另一端与放大器N3的同相输入端连接，电容C7的两端分别连接在检波二极管D3的阳极和阴极，检波二极管D3的阳极和阴极还分别接地和与放大器N3的同相输入端连接，滤波电阻R11的一端分别与放大器N3反相输入端和放大器N3输出端连接，滤波电阻R11另一端与滤波电容C8的一端连接，滤波电容C8的另一端接地。
在本发明的较佳实施例中，分频器U1和放大器N1的供电电压均为+12V和-12V，放大器N1接入+12V和-12V供电电源的两端分别连接有电源滤波电容CD1和电源滤波电容CD2，电源滤波电容CD1一端与+12V电源连接而另一端接地，电源滤波电容CD2一端与-12V电源连接而另一端接地。
在本发明的较佳实施例中，放大器N2和放大器N3的供电电压均为+12V和-12V，放大器N2接入+12V和-12V供电电源的两端分别连接有电源滤波电容CD3和电源滤波电容CD4，电源滤波电容CD3一端与+12V电源连接而另一端接地，电源滤波电容CD4一端与-12V电源连接而另一端接地，放大器N3接入+12V和-12V供电电源的两端分别连接有电源滤波电容CD5和电源滤波电容CD6，电源滤波电容CD5一端与+12V电源连接而另一端接地，电源滤波电容CD6一端与-12V电源连接而另一端接地。
在本发明的较佳实施例中，还包括壳体，所述壳体将所述环形铁芯、测量线圈和电流信号采集处理电路板包覆在内，所述壳体对应所述环形铁芯中部圆孔位置开设有一通孔使得待测电缆能够穿过，所述电流信号采集处理电路板还电连接有输出信号线，所述输出信号线从所述壳体穿出以便与外部检测电流泄漏值的设备连接。
在本发明的较佳实施例中，所述环形铁芯中心孔径设置为50mm。
本发明产生的有益效果在于：该高压直流电缆泄漏电流检测传感器，通过设置闭环穿心式环形铁芯、测量线圈和电流信号采集处理电路板，应用磁通门技术设计选用高磁导率、低矫顽力材料的闭合环形铁芯，使环形铁芯中心孔径不小于40mm设置以便待测高压直流电缆能够穿过，励磁线圈采用四象限对称绕法缠绕在环形铁芯上，响应线圈对称缠绕在环形铁芯上，电流信号采集处理电路板采用闭环反馈控制，形成深负反馈电路，使该泄漏电流检测传感器具有精度高、稳定度好、抗干扰能力强等优点，能够测量数百微安至数十毫安范围的直流泄漏电流，灵敏度可达约100微安，可以满足现场高压直流电缆泄漏电流测量及绝缘状态评估的目的。
附图说明
图1为本发明中的高压直流电缆泄漏电流检测传感器的外观示意图；
图2为本发明中的高压直流电缆泄漏电流检测传感器中励磁线圈和响应线圈绕设在环形铁芯上的绕法示意图；
图3为本发明中的高压直流电缆泄漏电流检测传感器的内部单元连接示意图；
图4为本发明中的高压直流电缆泄漏电流检测传感器中电流信号采集处理电路板的励磁电路的电路连接示意图；
图5为本发明中的高压直流电缆泄漏电流检测传感器中电流信号采集处理电路板的信号采样处理单元连接示意图。
具体实施方式
参见图1至图3，该大口径高灵敏度的高压直流电缆泄漏电流检测传感器，包括传感器壳体1、环形铁芯2、测量线圈3,4、电流信号采集处理电路板5、紧固螺栓6和传感器输出信号线7，环形铁芯2、测量线圈3,4和电流信号采集处理电路板5装入传感器壳体后，灌注环氧树脂密封胶进行整体密封，传感器输出信号线7连接电流信号采集处理电路板5进行信号传输，并通过紧固螺栓6在预设位置伸出传感器壳体1外以便与外部检测电流泄漏值的设备连接，环形铁芯2中心孔径不小于40mm设置以使待测电缆能够穿过，应用磁通门技术设计选用高磁导率、低矫顽力材料的闭合环形铁芯2，如钴基合金等，本实施例中，环形铁芯2中心孔径设置为50mm，参见图2，闭合环形铁芯2上用漆包线缠绕两组线圈-励磁线圈3和响应线圈4，图中虚线表示励磁线圈3，实线表示响应线圈4，31和32是励磁线圈3的两个引线输出端，漆包线在铁芯采用“四象限”对称绕法，保证励磁信号的线性度；41和42是响应线圈4的两个引线输出端，感应直流弱电流产生的磁场信号，漆包线在铁芯两个半圆上对称缠绕，如图2所示，电流信号采集处理电路板5包括励磁电路、信号采集处理单元，峰值检波电路、积分滤波电路、反馈环节，以及电路所需的供电电路输出+12V，-12V和电源地Gnd，励磁线圈3连接在励磁电路上，响应线圈4连接在峰值检波电路、积分滤波电路和反馈环节上，励磁电路用于产生交变激励方波信号并通过励磁线圈3使环形铁芯2产生交变饱和磁场，响应线圈4的两个引出端41，42与电流信号采集处理电路板5的输入端连接，同时与积分滤波电路输入连接，形成闭环反馈,励磁驱动信号由晶振产生，波形和频率的稳定度高；采用结构简单的峰值检波电路取代传统复杂的谐波法电路，通过后续积分滤波还原电流信号；采用闭环反馈控制，形成深负反馈电路，提高测量灵敏度和稳定度。
参见图4，励磁电路包括振荡电路和后级驱动电路，振荡电路和后级驱动电路之间连接有电阻R2,振荡电路包括分频器U1、电容C1、电容C2、晶振Y1和电阻R1，晶振Y1的两端分别与电容C1的一端和电容C2的一端连接后并联在电阻R1的两端，电容C1的另一端与电容C2的另一端均接地，电阻R1的两端均接入分频器U1中，所述后级驱动电路包括放大器N1、反馈电阻R3，反馈电阻R4和耦合电容C3，电阻R2的一端与分频器U1输出端连接而另一端与放大器N1的反相输入端连接，反馈电阻R3的一端接地而另一端分别与反馈电阻R4的一端和放大器N1的同相输入端连接，反馈电阻R4的另一端分别与放大器N1的输出端和耦合电容C3的一端连接，耦合电容C3的一端和放大器N1的输出端连接而另一端与励磁线圈3的一个引出端1连接，励磁电路产生交变激励方波信号，通过励磁线圈3产生磁场，使环形铁芯2处于周期性的饱和与非饱和状态转变，激励方波信号通过晶振Y1产生，频率、相位稳定度高。分频器U1的13脚Q9输出频率固定、具有正负电平的方波信号，信号通过电阻R2传输给后级驱动电路，驱动电路由高阻抗、低温漂的精密运算放大器N1，反馈电阻R3、R4组成，提高了励磁信号驱动能力，经过驱动放大后的励磁信号通过耦合电容C3形成最终励磁信号U1，送给励磁线圈3，U1连接励磁线圈3的引出端31，电源地连接到励磁线圈3的引出端32，分频器U1和放大器N1的供电电压均为+12V和-12V，放大器N1接入+12V和-12V供电电源的两端分别连接有电源滤波电容CD1和电源滤波电容CD2，电源滤波电容CD1一端与+12V电源连接而另一端接地，电源滤波电容CD2一端与-12V电源连接而另一端接地，增加保护、滤波电路，提高了电流检测传感器噪声抑制能力。
参见图5，响应线圈4的2个引出端41，42分别连接电路输入端A和B，并经过峰值检测、积分滤波、反馈环节等电路，最终输出与待测电缆中弱电流I成线性变化的电压信号U0。峰值检测电路包括检波二极管D1、检波二极管D2、电阻R5电阻R6、电阻R7、电容C4和电容C5，积分滤波电路包括放大器N2、电容C6和电阻R8，检波二极管D2的阳极分别与电阻R5的一端、与检波二极管D1的阴极连接，检波二极管D2的阳极还和响应线圈4的一个引出端连接，检波二极管D2的阴极分别与电阻R6的一端和电容C5的一端连接，电阻R5的另一端接地，电容C5的另一端分别与电阻R5的一端和放大器N2的反相输入端连接，检波二极管D1的阳极分别与电容C4的一端和电阻R7的一端连接，电容C4的另一端接地，电阻R7的另一端与电阻R6的另一端连接，电阻R6的另一端还与放大器N2的同相输入端连接，电容C6并联在电阻R8的两端，电阻R8的两端分别与放大器N2的同相输入端和输出端连接，反馈电阻R9的一端与放大器N2的输出端连接而另一端与响应线圈4的另一个引出端4连接。放大器N2和放大器N3的供电电压均为+12V和-12V，放大器N2接入+12V和-12V供电电源的两端分别连接有电源滤波电容CD3和电源滤波电容CD4，电源滤波电容CD3一端与+12V电源连接而另一端接地，电源滤波电容CD4一端与-12V电源连接而另一端接地，放大器N3接入+12V和-12V供电电源的两端分别连接有电源滤波电容CD5和电源滤波电容CD6，电源滤波电容CD5一端与+12V电源连接而另一端接地，电源滤波电容CD6一端与-12V电源连接而另一端接地。电阻R5为响应线圈负载电阻，检波二极管D1、D2，电容C4、C5，电阻R5、R6分别组成正负峰值差检波电路，滤掉了单纯有励磁信号产生的正负上下对称信号，得到了由待测电流磁场被调制产生的脉冲电压信号，该信号经过由高阻抗、低温漂的精密运算放大器N2，电容C6，电阻C7组成的积分滤波放电电路处理后，得到平滑的直流电压信号，为提高传感器抗干扰能力，采用反馈电阻R9将信号反馈到响应线圈4的引出端上，形成深负反馈电路，使响应线圈4始终工作在零磁场状态下，最后信号经过电阻R10，钳位电路C7、D3传输给电压跟随器，提高信号稳定度。电路中峰值检波二极管D1、D2选择一致性好的器件，运算放大器N1、N2、N3采用低温漂、低噪声、高阻抗的精密运算放大器。
实际使用中，按图3所示，将图1所示的检测传感器安装的被测直流电缆上，穿心安装，而后将图1所示输出信号线与其他电流检测设备的信号接口相连，测量待测电缆直流泄漏电流数据。
综上所述，该高压直流电缆泄漏电流检测传感器，通过设置闭环穿心式环形铁芯2、测量线圈3,4和电流信号采集处理电路板5，应用磁通门技术设计选用高磁导率、低矫顽力材料的闭合环形铁芯2，使环形铁芯2中心孔径不小于40mm设置以便待测高压直流电缆能够穿过，励磁线圈3采用四象限对称绕法缠绕在环形铁芯2上，响应线圈4对称缠绕在环形铁芯2上，电流信号采集处理电路板5采用闭环反馈控制，形成深负反馈电路，使该泄漏电流检测传感器具有精度高、稳定度好、抗干扰能力强等优点，能够测量数百微安至数十毫安范围的直流泄漏电流，灵敏度可达约100微安，可以满足现场高压直流电缆泄漏电流测量及绝缘状态评估的目的。
上述仅为本发明的一个具体实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (9)
1.一种大口径高灵敏度的高压直流电缆泄漏电流检测传感器，其特征在于:包括闭环穿心式环形铁芯、测量线圈和电流信号采集处理电路板，所述环形铁芯中心孔径不小于40mm设置以使待测高压直流电缆能够穿过，所述测量线圈包括励磁线圈和响应线圈，所述励磁线圈和响应线圈以双绕组方式绕设在所述环形铁芯上，所述励磁线圈选用四个绕组采用四象限对称缠绕法缠绕在环形铁芯上，响应线圈选用两个绕组采用对称缠绕法缠绕在环形铁芯上，所述励磁线圈的每对双绕组中的两个绕组同名端反向串联连接，所述电流信号采集处理电路板包括励磁电路和信号处理单元，所述励磁线圈的两个引出端分别接所述励磁电路输出端和接地，所述励磁电路用于产生交变激励方波信号并通过所述励磁线圈使所述环形铁芯产生交变饱和磁场，所述响应线圈的两个引出端分别与所述信号处理单元的输入端与输出端连接从而形成闭环反馈，所述信号处理单元用于将感应到的待测电缆电流信号转变为与电流呈线性变化的电压信号。
2.根据权利要求1所述的大口径高灵敏度的高压直流电缆泄漏电流检测传感器，其特征在于：所述环形铁芯采用高磁导率的钴基合金材料制作。
3.根据权利要求1所述的大口径高灵敏度的高压直流电缆泄漏电流检测传感器，其特征在于：所述励磁电路包括振荡电路和后级驱动电路，所述振荡电路和后级驱动电路之间连接有电阻R2,所述振荡电路包括分频器U1、电容C1、电容C2、晶振Y1和电阻R1，晶振Y1的两端分别与电容C1的一端和电容C2的一端连接后并联在电阻R1的两端，电容C1的另一端与电容C2的另一端均接地，电阻R1的两端均接入分频器U1中，所述后级驱动电路包括放大器N1、反馈电阻R3，反馈电阻R4和耦合电容C3，电阻R2的一端与分频器U1输出端连接而另一端与放大器N1的反相输入端连接，反馈电阻R3的一端接地而另一端分别与反馈电阻R4的一端和放大器N1的同相输入端连接，反馈电阻R4的另一端分别与放大器N1的输出端和耦合电容C3的一端连接，耦合电容C3的一端和放大器N1的输出端连接而另一端与所述励磁线圈的一个引出端连接。
4.根据权利要求1所述的大口径高灵敏度的高压直流电缆泄漏电流检测传感器，其特征在于：所述信号采集处理单元包括峰值检测电路、积分滤波电路和由反馈电阻R9组成的反馈回路，所述峰值检测电路包括检波二极管D1、检波二极管D2、电阻R5电阻R6、电阻R7、电容C4和电容C5，所述积分滤波电路包括放大器N2、电容C6和电阻R8，检波二极管D2的阳极分别与电阻R5的一端、与检波二极管D1的阴极连接，检波二极管D2的阳极还和所述响应线圈的一个引出端连接，检波二极管D2的阴极分别与电阻R6的一端和电容C5的一端连接，电阻R5的另一端接地，电容C5的另一端分别与电阻R5的另一端和放大器N2的反相输入端连接，检波二极管D1的阳极分别与电容C4的一端和电阻R7的一端连接，电容C4的另一端接地，电阻R7的另一端与电阻R6的另一端连接，电阻R6的另一端还与放大器N2的同相输入端连接，电容C6并联在电阻R8的两端，电阻R8的两端分别与放大器N2的同相输入端和输出端连接，反馈电阻R9的一端与放大器N2的输出端连接而另一端与所述响应线圈的另一个引出端连接。
5.根据权利要求4所述的大口径高灵敏度的高压直流电缆泄漏电流检测传感器，其特征在于：所述信号采集处理单元还包括电阻R10、钳位电路和电压跟随器，电阻R10连接在所述积分滤波电路和所述钳位电路之间，所述钳位电路连接在电阻R10和电压跟随器之间，所述钳位电路包括检波二极管D3和电容C7，所述电压跟随器包括放大器N3、滤波电阻R11和滤波电容C8，电阻R10的一端与放大器N2的输出端连接而另一端与放大器N3的同相输入端连接，电容C7的两端分别连接在检波二极管D3的阳极和阴极，检波二极管D3的阳极和阴极还分别接地和与放大器N3的同相输入端连接，滤波电阻R11的一端分别与放大器N3反相输入端和放大器N3输出端连接，滤波电阻R11另一端与滤波电容C8的一端连接，滤波电容C8的另一端接地。
6.根据权利要求3所述的大口径高灵敏度的高压直流电缆泄漏电流检测传感器，其特征在于：分频器U1和放大器N1的供电电压均为+12V和-12V，放大器N1接入+12V和-12V供电电源的两端分别连接有电源滤波电容CD1和电源滤波电容CD2，电源滤波电容CD1一端与+12V电源连接而另一端接地，电源滤波电容CD2一端与-12V电源连接而另一端接地。
7.根据权利要求5所述的大口径高灵敏度的高压直流电缆泄漏电流检测传感器，其特征在于：放大器N2和放大器N3的供电电压均为+12V和-12V，放大器N2接入+12V和-12V供电电源的两端分别连接有电源滤波电容CD3和电源滤波电容CD4，电源滤波电容CD3一端与+12V电源连接而另一端接地，电源滤波电容CD4一端与-12V电源连接而另一端接地，放大器N3接入+12V和-12V供电电源的两端分别连接有电源滤波电容CD5和电源滤波电容CD6，电源滤波电容CD5一端与+12V电源连接而另一端接地，电源滤波电容CD6一端与-12V电源连接而另一端接地。
8.根据权利要求1所述的大口径高灵敏度的高压直流电缆泄漏电流检测传感器，其特征在于：还包括壳体，所述壳体将所述环形铁芯、测量线圈和电流信号采集处理电路板包覆在内，所述壳体对应所述环形铁芯中部圆孔位置开设有一通孔使得待测电缆能够穿过，所述电流信号采集处理电路板还电连接有输出信号线，所述输出信号线从所述壳体穿出以便与外部检测电流泄漏值的设备连接。
9.根据权利要求1所述的大口径高灵敏度的高压直流电缆泄漏电流检测传感器，其特征在于：所述环形铁芯中心孔径设置为50mm。
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