CN110702965B - 一种电缆状态监测传感器装置 - Google Patents

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Abstract

一种电缆状态监测传感器装置，包括依次连接的TMR磁场传感器模块、高通滤波模块和信号放大模块。TMR磁场传感器模块测量电缆的磁场变化信号，并将其转化为电压信号输出给所述高通滤波模块；高通滤波模块滤除电压信号的直流偏置，并将滤除后的电压信号传输给所述信号放大模块；信号放大模块对滤除后的电压信号进行放大后得到输出电压信号并输出。本发明通过在电缆外部放置由铁磁性材料构成的屏蔽磁环过滤内部差模负载电流，以提取内部待测共模电流的大小。通过对磁场的解析分析表明通过使用高磁导率材料构成的屏蔽磁环可以有效滤除内部差模电流产生的磁场，同时对待测共模电流产生的磁场不产生任何影响。

Description

一种电缆状态监测传感器装置
技术领域
本发明涉及电缆绝缘状态的在线监测领域，具体涉及一种电缆状态监测传感器装置。
背景技术
运行中的电缆常会由于受潮或过载出现老化和失效，影响电力系统的安全可靠运行，带来巨大的经济损失，因此急需新的电缆绝缘在线监测方法。在电力系统和电力设备中，共模电流大小常作为衡量绝缘漏电流及老化程度的指标。然而电缆中共模电流微弱，存在较大的负荷差模电流干扰，且电缆结构复杂，线径较宽，难以实现对电流的直接测量。因此，本专利提出一个用于电缆状态在线监测的共模电流传感器。
目前对电缆及导线系统中共模电流的测量多采用罗氏线圈的方案，如图1所示，待测导线穿过由塑料管及缠绕在其上的线圈构成的罗氏线圈结构。当待测导线中流过交流电流时，线圈内部的磁通量发生改变，进而在缠绕的线圈中感应出交变电压。该电压经过后续电路处理输出，并可由之计算出电流大小。
罗氏线圈作为最普遍的电流测量方案，在电力系统中得到了广泛的应用。然而，对于电气设备尤其是电缆中的共模电流测量而言，罗氏线圈存在以下明显缺陷：
1、由于罗氏线圈不是专门为共模电流测量设计的，当存在多根导线尤其是导线几何结构不能忽略时，罗氏线圈内部的磁场会出现畸变，当导线内存在较大的差模负载电流干扰时，磁场畸变会更加严重，使得测量出现很大的误差。
2、罗氏线圈本身的测量精度较低，测量误差可达到几安，难以满足电缆中微小共模电流(常为mA量级)测量的需要。
3、罗氏线圈的测量频带受限。对于低频段电流信号，感应出的电压较低，测量精度下降。
发明内容
本发明要解决电缆在线监测中的共模电流测量问题。以6/10kV长度为2500m的三相中压电缆为例，在在线监测过程中，假设在三相上施加1kV的注入电压，在绝缘完好状态下，主回路内的共模电流大小约为0.5A，而对于绝缘老化的情况，这一电流值会增大10％。因此，本发明旨在测量约0.05A的共模电流大小变化，测量范围为0到1A，同时需要克服存在的负载电流干扰，该电流大小约为10A或几十安不等，并随负荷变化而变化。
为解决上述问题，本发明提供了一种电缆状态监测传感器装置，包括依次连接的TMR磁场传感器模块1、高通滤波模块2和信号放大模块3；
所述TMR磁场传感器模块1测量电缆的磁场变化信号，并将其转化为电压信号输出给所述高通滤波模块2；
所述高通滤波模块2滤除所述电压信号的直流偏置，并将滤除后的电压信号传输给所述信号放大模块3；
所述信号放大模块3对所述滤除后的电压信号进行放大后得到输出电压信号并输出。
进一步的，还包括计算模块，根据所述输出电压信号计算得到电缆中的共模电流值。
进一步的，所述TMR磁场传感器模块1包括：
屏蔽磁环5和TMR磁场传感器6；所述TMR磁场传感器6紧贴或邻近设置在所述屏蔽磁环5的外周；
待测电缆4穿过所述屏蔽磁环5，位于屏蔽磁环5外部的TMR磁场传感器测量所述待测电缆4的磁场变化信号。
进一步的，所述屏蔽磁环5为坡莫合金屏蔽磁环。
进一步的，所述TMR磁场传感器模块的设计满足下式的多目标优化条件：
Figure BDA0002233801850000031
其中SNR为信噪比，表示为
Figure BDA0002233801850000032
Bdetect-z为共模电流产生的磁场强度，Bdetect-p为负载差模电流产生的磁场强度；
Bdetect为TMR磁场传感器测量计算得到的磁场强度；
rout-rin表示所述屏蔽磁环(5)的厚度，rout为外环半径，rin为内环半径，φ为TMR磁场传感器的位置角度，其中，采用极坐标系，以水平方向为0°，逆时针方向为正方向；
所述公式(1)基于rout、rin和φ的调整进行优化。
进一步的，所述Bdetect由下式计算：
Figure BDA0002233801850000033
其中，r和φ分别为TMR磁场传感器的极坐标；rin和rout分别表示所述屏蔽磁环的内环半径和外环半径；
Figure BDA0002233801850000034
为各导线的电流，bi和θi构成导线位置的极坐标；
此外，Bdetect-z和Bdetect-p也根据公式(2)进行计算，其中，把
Figure BDA0002233801850000035
分别改变为导线电流的零序分量值及正序分量值。
进一步的，采用启发式算法PESA-II解决所述公式(1)的多目标优化问题，以确定rout、rin和φ的值。
进一步的，根据所述启发式算法得到rout为36mm，rin为45mm。此外，优化算法表明rout为36mm至38mm，rin为45mm至46mm以内的一些取值也可满足测量要求，在设计中选取表现最佳的一组参数即可。以及φ为-90°，即TMR磁场传感器6位于屏蔽磁环5的正下方。
进一步的，所述信号放大模块3对所述滤除后的电压信号进行放大后得到输出电压信号并输出的步骤中，经过差分放大电路芯片将所得电压信号进行两级放大。
综上所述，本发明提供了一种电缆状态监测传感器装置，包括依次连接的TMR磁场传感器模块、高通滤波模块和信号放大模块。TMR磁场传感器模块测量电缆的磁场变化信号，并将其转化为电压信号输出给所述高通滤波模块；高通滤波模块滤除电压信号的直流偏置，并将滤除后的电压信号传输给所述信号放大模块；信号放大模块对滤除后的电压信号进行放大后得到输出电压信号并输出。本发明通过在电缆外部放置由铁磁性材料构成的屏蔽磁环过滤内部差模负载电流，以提取内部待测共模电流的大小。通过对磁场的解析分析表明通过使用高磁导率材料构成的屏蔽磁环可以滤除内部差模电流产生的磁场，同时对待测共模电流产生的磁场不产生任何影响。
本发明具有以下显著优点：
1、本发明使用隧穿磁阻TMR传感器测量坡莫合金屏蔽磁环外部的磁场。由于TMR磁场传感器具有很高的灵敏度，较宽的频带，使得本装置具有测量微小共模电流的能力。
2、本发明提出了对测量空间内磁场的完整求解公式，该求解公式具有较高的准确性，且通过省略涡流的影响使得所得解形式较为简洁，可以进行后续的优化设计。
3、本发明所使用的坡莫合金屏蔽磁环是通过优化方式设计的，在一定意义上是对电缆内部共模电流测量和差模电流滤除的最优装置。通过将装置的设计问题转化为多目标优化问题，使用多目标优化算法PESA-II算法得到了装置的最优设计方案。
4、本发明设计的电缆共模电流测量装置在实验室中得到了验证，对0～1A的共模电流可以达到4.19％的精度，对0～0.14A的共模电流测量可以达到8.61％的精度。这些测量均在存在大于10A的差模负载电流的情况下实现。证明了本装置可以实现对电缆内微小共模电流的精确测量。
附图说明
图1是现有技术中罗氏线圈的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的电缆状态监测传感器装置的结构示意图；
图3是TMR磁场传感器模块的结构示意图；
图4是本发明实施例的测量平面及区域示意图；
图5是本发明实施例的多目标优化结果Pareto平面示意图。
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了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明提供了一种电缆状态监测传感器装置，如图2所示，包括依次连接的TMR磁场传感器模块1、高通滤波模块2和信号放大模块3。TMR磁场传感器模块1测量电缆的磁场变化信号，并将其转化为电压信号输出给所述高通滤波模块2；高通滤波模块2滤除电压信号的直流偏置，并将滤除后的电压信号传输给信号放大模块3；信号放大模块3对滤除后的电压信号进行放大后得到输出电压信号并输出。进一步的，还包括计算模块，根据所述输出电压信号计算得到电缆中的共模电流值。
具体的，TMR磁场传感器可使用多维TMR 2901芯片，该芯片可将磁场信号线性转化为电压信号输出。输出信号经过由RC组成的高通滤波模块，滤除由于TMR芯片内部不对称带来的直流偏置。最后经过差分放大芯片(如AD623和AD8012芯片)将所得电压信号进行两级放大，输出信号经SMA接口外接示波器进行观察或微处理器进行数据采集和处理。
进一步的，TMR磁场传感器模块1包括，如图3所示：屏蔽磁环5和TMR磁场传感器6；TMR磁场传感器6紧贴或邻近设置在屏蔽磁环5的外周；待测电缆4穿过屏蔽磁环5，位于屏蔽磁环5外部的TMR磁场传感器测量待测电缆4的磁场变化信号。所述屏蔽磁环5可选择为磁导率较大的坡莫合金材料制成的屏蔽磁环，以下以坡莫合金屏蔽磁环为例进行说明，但不限制为该材料，也可以采用其他材料。具体的，坡莫合金屏蔽磁环用于屏蔽内部较大差模负载电流产生的磁场，从而使电缆内的共模电流产生的磁场被提取出来，并由TMR磁场传感器进行测量。TMR磁场传感器紧贴或靠近坡莫合金屏蔽磁环外部放置，通过内部四个隧穿磁阻构成的电桥结构，测量微弱的磁场变化信号，转化成电压输出。通过输出电压可以进而得到电缆内部共模电流的大小。本发明使用隧穿磁阻TMR传感器测量坡莫合金屏蔽磁环外部的磁场。由于TMR磁场传感器具有很高的灵敏度，较宽的频带，使得本装置具有测量微小共模电流的能力。
由于测量时磁场传感器布置在坡莫合金屏蔽磁环外表面，因此对该问题中磁场的分析可以简化为2D情况下的磁场分析。首先，对于坡莫合金屏蔽磁环内部包围的线电流源
Figure BDA0002233801850000061
三个不同区域内的磁矢位可以表达如下。其中
Figure BDA0002233801850000062
和
Figure BDA0002233801850000063
分别是区域1，区域2和区域3内部的磁矢位。区域区分如图4所示，区域1是屏蔽磁环内部区域(空气)，区域2是屏蔽磁环上的区域(坡莫合金)，区域3是屏蔽磁环外部区域(空气)。
Figure BDA0002233801850000064
由对称性可知，各区域内磁矢位的方向均垂直于所观察的2D平面(可视为z方向)，因此只考察磁矢位A的z轴分量。假设只考虑单根导线，坐标位于(b，0)。在多根导线的情况下，磁矢位及磁感应强度叠加即可。根据磁矢位方程和数学物理方程原理，各不同区域内的磁矢位的解具有如下形式。其中b为观察导线距原点的距离，
Figure BDA0002233801850000075
为观察点极坐标。en，fn，f0，gn，hn，h0，jn，j0为待求参数。
Figure BDA0002233801850000071
根据电动力学规律，各区域内的磁感应强度及边界条件关系可以表示如下：
Figure BDA0002233801850000072
其中
Figure BDA0002233801850000073
是各区域内的磁感应强度，其径向和切向分量分别表示为Bri和Bφi。其中μi表示各区域内的磁导率，在区域1和区域3中，磁导率为μ0，而在区域2中，磁导率为所使用的坡莫合金的磁导率μ1。根据边界条件求解磁矢位A表达式中的未知参数如下，
Figure BDA0002233801850000074
磁矢位A可表达如下：
Figure BDA0002233801850000081
代入磁感应强度表达式，可以解出坡莫合金屏蔽磁环外部的单根导线感应出的磁场强度如下：
Figure BDA0002233801850000082
多根导线产生切向磁场强度Bdetect如下，为单根导线情况的叠加，假设第i根导线位于(bi,θi)坐标处。
Figure BDA0002233801850000083
其中r和φ表示磁场传感器的极坐标，坐标系及具体参数含义见图4，极坐标系原点位于磁屏蔽环圆心位置，水平方向角度为0°，以逆时针方向为正方向。rin和rout分别表示所使用的坡莫合金屏蔽磁环的内环半径和外环半径。
Figure BDA0002233801850000084
bi和θi表示各导线的电流和位置坐标，分别表示电流大小，导线距离原点距离及逆时针方向偏转的角度。当所使用的坡莫合金屏蔽磁环的磁导率较大时，上式中的第二项可以近似为0，可按下式计算。
Figure BDA0002233801850000091
因此，磁场传感器测得的磁感应强度主要由共模电流构成，而导线位置、差模负载电流导致的磁场波动将被抵消。本发明提出了对测量空间内磁场的完整求解公式，该求解公式具有较高的准确性，且通过省略涡流的影响使得所得解形式较为简洁，可以进行后续的优化设计。
基于对电缆及磁环周围的磁场强度的解析分析，可以使用优化算法设计上述的TMR磁场传感器模块。优化目标函数如下：
Figure BDA0002233801850000092
其中SNR为信噪比，表示为
Figure BDA0002233801850000093
Bdetect-z为共模电流产生的磁场强度，Bdetect-p为负载差模电流产生的磁场强度，按照下式计算。其中Ii-z和Ii-p分别表示电流的零序分量和正序分量值。
Figure BDA0002233801850000094
Figure BDA0002233801850000095
Bdetect为TMR磁场传感器测量计算得到的磁场强度。希望SNR(信噪比)和Bdetect尽量大以保证良好的测量效果。而rout-rin表示所使用的坡莫合金屏蔽磁环的厚度，希望该厚度尽可能小以减少加工成本。所述公式(9)基于rout、rin和φ的调整进行优化。
为了解决所提出的多目标优化问题，以确定rout、rin和φ的值，使用启发式算法PESA-II，该算法在传统启发式算法的基础上引入了拥挤度的概念，使得系统种群在进化的过程中趋向于分布在目前种群个体较少的区域。得到的多目标优化结果Pareto平面如图5所示。根据该图和设计要求，最终得到内环半径为36mm，外环半径为45mm的坡莫合金屏蔽磁环，以及φ为-90°，即位于正下方的TMR磁场传感器组成的测量装置。本发明所使用的坡莫合金屏蔽磁环是通过优化方式设计的，在一定意义上是对电缆内部共模电流测量和差模电流滤除的最优装置。通过将装置的设计问题转化为多目标优化问题，使用多目标优化算法PESA-II算法得到了装置的最优设计方案。
使用设计的测量装置进行共模电流测量实验。实验中使用的电缆为6/10kV的XLPE三相电缆，电缆导体截面积为50mm2。外部半径为30mm。实验验证设计的测量装置在不同大小的共模电流和差模电流情况下的表现如表1和表2。
表1 0A～1.2A共模电流测量结果
Figure BDA0002233801850000101
表2 0A～0.14A共模电流测量结果
Figure BDA0002233801850000102
Figure BDA0002233801850000111
实验结果证明设计的实验装置可以解决三相电缆中的共模电流测量问题。在大于10A的差模负载电流干扰下，对于0～1.2A的共模电流，测量误差低于4.19％，对于更小的共模电流，如0～0.14A的共模电流，测量误差在8.61％以内，体现了本装置良好的测量效果和较高的共模测量精度。
相比于传统的共模电流测量方式，本发明能够实现对电缆绝缘在线监测中的微小共模电流大小的测量且不受电缆内较大负载差模电流的影响。实验证明，本装置能从7A的三相差模负载电流中提取出5mA的三相总共模电流，在信噪比为2.4×10^(-4)的情况下实现了测量。对于幅值较小的共模电流，在0～1A范围内测量精度为4.19％，在0～0.1A范围内测量精度达到8.61％，这两种测量均在存在大于10A的三相负载差模干扰电流的情况下实现。
总而言之，本发明实现了在较大差模负载电流干扰下对微小共模电流的高精度测量，该测量不受导体位置、形状和结构的影响，在电缆在线监测领域具有较大的工程应用价值。
综上所述，本发明提供了一种电缆状态监测传感器装置，包括依次连接的TMR磁场传感器模块、高通滤波模块和信号放大模块。TMR磁场传感器模块测量电缆的磁场变化信号，并将其转化为电压信号输出给所述高通滤波模块；高通滤波模块滤除电压信号的直流偏置，并将滤除后的电压信号传输给所述信号放大模块；信号放大模块对滤除后的电压信号进行放大后得到输出电压信号并输出。本发明通过在电缆外部放置由铁磁性材料构成的屏蔽磁环过滤内部差模负载电流，以提取内部待测共模电流的大小。通过对磁场的解析分析表明通过使用高磁导率材料构成的屏蔽磁环可以滤除内部差模电流产生的磁场，同时对待测共模电流产生的磁场不产生任何影响。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (7)

1.一种电缆状态监测传感器装置，其特征在于，包括依次连接的TMR磁场传感器模块(1)、高通滤波模块(2)和信号放大模块(3)；
所述TMR磁场传感器模块(1)测量电缆的磁场变化信号，并将其转化为电压信号输出给所述高通滤波模块(2)；
所述高通滤波模块(2)滤除所述电压信号的直流偏置，并将滤除后的电压信号传输给所述信号放大模块(3)；
所述信号放大模块(3)对所述滤除后的电压信号进行放大后得到输出电压信号并输出；
所述TMR磁场传感器模块(1)包括：
屏蔽磁环(5)和TMR磁场传感器(6)；所述TMR磁场传感器(6)紧贴或邻近设置在所述屏蔽磁环(5)的外周；
待测电缆(4)穿过所述屏蔽磁环(5)，位于屏蔽磁环(5)外部的TMR磁场传感器测量所述待测电缆(4)的磁场变化信号
所述屏蔽磁环(5)为坡莫合金屏蔽磁环。
2.根据权利要求1所述的电缆状态监测传感器装置，其特征在于，还包括计算模块，根据所述输出电压信号计算得到电缆中的共模电流值。
3.根据权利要求1所述的电缆状态监测传感器装置，其特征在于，所述TMR磁场传感器模块的设计满足下式的多目标优化条件：
Figure FDA0002728397860000011
其中SNR为信噪比，表示为
Figure FDA0002728397860000012
Bdetect-z为共模电流产生的磁场强度，Bdetect-p为负载差模电流产生的磁场强度；
Bdetect为TMR磁场传感器测量计算得到的磁场强度；
rout-rin表示所述屏蔽磁环(5)的厚度，rout为外环半径，rin为内环半径，
Figure FDA0002728397860000021
为TMR磁场传感器的位置角度，其中，采用极坐标系，以水平方向为0°，逆时针方向为正方向；
所述公式(1)基于rout、rin和
Figure FDA0002728397860000022
的调整进行优化。
4.根据权利要求3所述的电缆状态监测传感器装置，其特征在于，所述Bdetect由下式计算：
Figure FDA0002728397860000023
其中，r和
Figure FDA0002728397860000024
分别为TMR磁场传感器的极坐标；rin和rout分别表示所述屏蔽磁环的内环半径和外环半径；
Figure FDA0002728397860000025
为各导线的电流，bi和θi构成导线位置的极坐标；
此外，Bdetect-z和Bdetect-p也根据公式(2)进行计算，其中，把
Figure FDA0002728397860000026
分别改变为导线电流的零序分量值及正序分量值；μ0为屏蔽磁环内部和外部区域的磁导率；μ1为坡莫合金的磁导率。
5.根据权利要求3或4所述的电缆状态监测传感器装置，其特征在于，采用启发式算法PESA-II解决所述公式(1)的多目标优化问题，以确定rout、rin和
Figure FDA0002728397860000024
的值。
6.根据权利要求5所述的电缆状态监测传感器装置，其特征在于，根据所述启发式算法得到rout为36mm至38mm，rin为45mm至46mm，以及
Figure FDA0002728397860000024
为-90°，即TMR磁场传感器(6)位于屏蔽磁环(5)的正下方。
7.根据权利要求1所述的电缆状态监测传感器装置，其特征在于，所述信号放大模块(3)对所述滤除后的电压信号进行放大后得到输出电压信号并输出的步骤中，经过差分放大芯片将所得电压信号进行两级放大。
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