本發(fā)明涉及局部放電檢測
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是一種用于電纜和變壓器局部放電測試的高頻電流傳感器。
背景技術(shù)：
：局部放電檢測是檢驗(yàn)高壓開關(guān)GIS、變壓器、發(fā)電機(jī)、電力電纜等高壓電氣設(shè)備絕緣狀態(tài)的重要試驗(yàn)?，F(xiàn)有技術(shù)中，除了可以使用超聲波法和超高頻法直接對(duì)高壓電氣設(shè)備的局部放電進(jìn)行測量外，也可以通過檢測高壓電氣設(shè)備接地線的高頻電流信號(hào)來檢測其內(nèi)部的局部放電狀況。高頻電流法不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一些微小的絕緣缺陷引起的電纜局部放電微信號(hào)的檢測，而且可以在線監(jiān)測電纜、變壓器和發(fā)電機(jī)組等設(shè)備絕緣介質(zhì)的絕緣狀態(tài)。作為檢測和判斷局部放電故障的有效方法，高頻電流法在發(fā)電機(jī)、變壓器和高壓電纜的局放現(xiàn)場檢測及在線監(jiān)測中得到了廣泛的應(yīng)用。高頻電流傳感器(HFCT)作為高頻電流檢測法檢測局部放電的傳感器部件，一般使用Rogowski線圈方式，在環(huán)狀的磁芯材料上圍繞多匝導(dǎo)電線圈，高頻電流穿過磁芯中心引起的高頻交變磁場會(huì)在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流。高頻電流傳感器的頻帶寬度和靈敏度是衡量傳感器性能的最重要的兩個(gè)參數(shù)。此外，傳感器現(xiàn)場抗干擾能力也是衡量傳感器性能的重要指標(biāo)。然而，現(xiàn)有的高頻電流傳感器在設(shè)計(jì)上存在頻帶寬而靈敏度不足或靈敏度高而頻帶較窄的缺陷，或由于設(shè)計(jì)上存在電磁屏蔽缺陷，造成在實(shí)際應(yīng)用中仍然存在一定的問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提出一種高頻電流傳感器，以提高抗干擾能力，同時(shí)具有檢測頻帶寬、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)?；谏鲜瞿康?，本發(fā)明提供的高頻電流傳感器包括兩個(gè)分體式的金屬屏蔽外殼，所述金屬屏蔽外殼的內(nèi)壁開設(shè)有凹槽，所述凹槽內(nèi)嵌入有半環(huán)型磁芯，所述凹槽上開設(shè)有用于通過磁力的環(huán)型縫隙；所述半環(huán)型磁芯與凹槽之間留有空隙，所述空隙填充有絕緣材料，當(dāng)兩個(gè)金屬屏蔽外殼的兩端分別連接時(shí)，所述金屬屏蔽外殼內(nèi)的兩個(gè)半環(huán)型磁芯組成環(huán)型磁芯。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述金屬屏蔽外殼包括弧形的磁芯槽和蓋板，所述磁芯槽的一側(cè)壁上固定連接有蓋板，所述蓋板與磁芯槽的內(nèi)壁組成用于嵌入半環(huán)型磁芯的凹槽。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述蓋板為L字型，所述磁芯槽的另一側(cè)壁與蓋板之間留有環(huán)型縫隙。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述磁芯槽外側(cè)壁的一端通過合頁鉸接，另一端通過搭扣鉸接，所述兩個(gè)磁芯槽的一端繞著合頁轉(zhuǎn)動(dòng)，所述搭扣用于將兩個(gè)磁芯槽的另一端打開后者合上。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述磁芯槽的一個(gè)端面上設(shè)置有定位孔，另一個(gè)端面上設(shè)置有定位塊，當(dāng)兩個(gè)磁芯槽相互合上時(shí)，其中一個(gè)磁芯槽上的定位塊插入另一個(gè)磁芯槽的定位孔內(nèi)。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，一個(gè)半環(huán)型磁芯的中部纏繞有線圈，所述線圈的兩端與信號(hào)輸出插頭連接。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述線圈的纏繞匝數(shù)為1匝，所述線圈為銅片，所述線圈的橫截面積為4-10mm2。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述銅片的厚度為0.5-1.2mm，寬度為5-15mm。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述環(huán)型縫隙的寬度為2-10mm，所述環(huán)型磁芯的內(nèi)徑為50-70mm，外徑為70-100mm，高度為20-40mm。在本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述絕緣材料為聚苯乙烯。從上面所述可以看出，本發(fā)明提供的高頻電流傳感器通過金屬屏蔽外殼完全屏蔽了來自外側(cè)的信號(hào)，背景信號(hào)低，從而能更好適用于復(fù)雜的測試環(huán)境，有效提高其檢測效果和實(shí)用性，而且該傳感器具有檢測頻帶寬、靈敏度高，現(xiàn)場帶電安裝簡便的特點(diǎn)。附圖說明圖1為本發(fā)明實(shí)施例高頻電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例高頻電流傳感器的半剖左視圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例高頻電流傳感器的線圈纏繞示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例高頻電流傳感器的等效電路；圖5為本發(fā)明實(shí)施例高頻電流傳感器的各頻率的靈敏度響應(yīng)圖。具體實(shí)施方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。需要說明的是，發(fā)明實(shí)施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是為了區(qū)分兩個(gè)相同名稱非相同的實(shí)體或者非相同的參量，可見“第一”“第二”僅為了表述的方便，不應(yīng)理解為對(duì)發(fā)明實(shí)施例的限定，后續(xù)實(shí)施例對(duì)此不再一一說明。參見圖1和圖2，分別為本發(fā)明實(shí)施例高頻電流傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖和半剖左視圖。作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述高頻電流傳感器包括兩個(gè)分體式的金屬屏蔽外殼1，所述金屬屏蔽外殼1的內(nèi)壁開設(shè)有凹槽，所述凹槽內(nèi)嵌入有半環(huán)型磁芯4，所述凹槽上開設(shè)有用于通過磁力的環(huán)型縫隙9；所述半環(huán)型磁芯4與凹槽之間留有空隙，所述空隙填充有絕緣材料11，當(dāng)兩個(gè)金屬屏蔽外殼1的兩端分別連接時(shí)，所述金屬屏蔽外殼1內(nèi)的兩個(gè)半環(huán)型磁芯4組成一個(gè)環(huán)型磁芯?？蛇x地，所述絕緣材料11可以為防水硅橡膠。作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，所述環(huán)型縫隙9的寬度為2-10mm，用于磁力通過，可以很好地屏蔽傳感器外側(cè)的各種干擾信號(hào)。作為本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例，如圖2所示，所述金屬屏蔽外殼1包括弧形的磁芯槽2和蓋板3，所述磁芯槽2的一側(cè)壁上固定連接有蓋板3，所述蓋板3與磁芯槽2的內(nèi)壁組成用于嵌入半環(huán)型磁芯4的凹槽。優(yōu)選地，所述蓋板3為L字型，所述磁芯槽2的另一側(cè)壁與蓋板3之間留有環(huán)型縫隙9，用于通過磁力。優(yōu)選地，所述凹槽為半環(huán)型，以與所述半環(huán)型磁芯4吻合?？蛇x地，所述凹槽的橫截面可以為正方形或者長方形。需要說明的是，在該實(shí)施例中，所述磁芯槽2的內(nèi)側(cè)為半圓形，以使形成的凹槽為半環(huán)型，所述磁芯槽2的外側(cè)可以為其他形狀?？蛇x地，所述磁芯槽2和蓋板3上開設(shè)有數(shù)個(gè)安裝螺絲孔10，可以通過安裝螺絲將磁芯槽2的側(cè)壁和蓋板3固定連接。作為本發(fā)明的一個(gè)較佳實(shí)施例，所述兩個(gè)金屬屏蔽外殼1的兩端分別通過鉸接部件互相鉸接，以方便將兩個(gè)金屬屏蔽外殼1拆開或者合上。優(yōu)選地，如圖1所示，所述磁芯槽2外側(cè)壁的一端通過合頁6鉸接，另一端通過搭扣7鉸接，因此，所述兩個(gè)磁芯槽2的一端可以繞著合頁6轉(zhuǎn)動(dòng)，所述搭扣7用于將兩個(gè)磁芯槽2的另一端打開后者合上。所述磁芯槽2的一個(gè)端面上設(shè)置有定位孔12，另一個(gè)端面上設(shè)置有定位塊13，所述定位孔13能夠插入定位孔內(nèi)，當(dāng)兩個(gè)磁芯槽2相互合上時(shí)，其中一個(gè)磁芯槽2上的定位塊13插入另一個(gè)磁芯槽2的定位孔12內(nèi)，以便于兩個(gè)磁芯槽2的安裝定位。作為本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例，一個(gè)半環(huán)型磁芯4的中部纏繞有線圈14，如圖3所示，所述線圈的兩端與信號(hào)輸出插頭5連接?？蛇x地，所述信號(hào)輸出插頭5為N型接頭，并固定于所述磁芯槽2外側(cè)壁上。所述磁芯槽2外側(cè)壁還設(shè)置有接地孔8，所述接地孔8通過一接地柱與地連接，不僅可以起到接地的作用，而且可以起到支撐固定傳感器，從而保證導(dǎo)線垂直穿過傳感器中心。干擾源屏蔽實(shí)施例局部放電電流傳感器的外部干擾源主要來自于現(xiàn)場的各種電磁信號(hào)。良好的屏蔽對(duì)于傳感器信號(hào)靈敏度具有重要作用。目前現(xiàn)有的高頻傳感器有多種屏蔽方式，包括工程塑料屏蔽、金屬屏蔽加側(cè)面塑料蓋板、以及本發(fā)明中的外部屏蔽，內(nèi)部留間隙的屏蔽方式。本發(fā)明采用同樣規(guī)格的磁芯、同樣的繞線匝數(shù)對(duì)這三種屏蔽方式在最適頻率范圍(10-50MHz)內(nèi)的靈敏度均值和靈敏度峰值進(jìn)行的研究，證明了本發(fā)明提供的高頻電流傳感器具有較低的噪聲和更高的靈敏度均值和靈敏度峰值，參見表1。表1不同屏蔽方式對(duì)高頻電流傳感器靈敏度的影響不同屏蔽方式工程塑料屏蔽不完全金屬屏蔽本發(fā)明靈敏度均值-20dBm-26dBm-32dBm靈敏度峰值-31dBm-37dBm-40dBm信號(hào)檢測頻帶和靈敏度試驗(yàn)實(shí)施例典型的電流傳感器等效電路如圖4所示，其類似于高頻小信號(hào)并聯(lián)諧振回路。其中I1(t)為原邊電流，U1(t)為線圈的感應(yīng)電壓，M為原邊和次邊的互感，Ls為線圈自感，Rs為線圈自身電阻，Cs為雜散電容，R為負(fù)載電阻。采用高頻小信號(hào)并聯(lián)諧振回路理論分析，可得電流傳感器的頻帶為下限頻率：f1=12π·R+RsLs+RRsCs---(1)]]>上限頻率：f2=12π·Ls+RRsCsLsRCs---(2)]]>工作頻帶寬度：B=f2-f1=12π·Ls+RRsCsLsRCs-12π·R+RsLs+RRsCs---(3)]]>靈敏度：K=MRLs+RRsCs=LsN·RLs+RRsCs---(4)]]>高頻電流傳感器的帶寬B和靈敏度K由線圈的自感Ls，自身電阻Rs，雜散電容Cs，互感M和負(fù)載電阻R共同決定。由1-4式可知，要提高傳感器帶寬，就要使f2盡可能大，f1盡可能小。如果提高線圈自感Ls，就會(huì)降低下限截止頻率f1；同樣，如果減小線圈的雜散電容Cs和自身電阻Rs，就會(huì)增大上限截止頻率f2，兩種方式都會(huì)擴(kuò)大帶寬，但都使得傳感器靈敏度下降；當(dāng)負(fù)載電阻R減小時(shí)，下限截止頻率f1降低，上限截止頻率f2增大，即工作頻帶變寬，但隨著R的減小，傳感器的靈敏度也隨之下降?？梢姡纫ＷC傳感器有足夠高的靈敏度，又要保證它有較寬的頻帶是很難實(shí)現(xiàn)的。線圈的Ls、Cs和Rs這些參數(shù)決定于磁芯的內(nèi)外徑、高度，線圈匝數(shù)，線圈本身的長度和截面積(5-7式)。其中N為線圈匝數(shù)，A為磁芯的截面積，l為磁路的平均長度，μ為初始磁導(dǎo)率，ε為線圈絕緣的介電常數(shù)，r2和r1分別為磁芯的外徑和內(nèi)徑；ρ、L和S分別為線圈所用導(dǎo)線的電阻率、總長度和截面積。線圈自感：Ls=N2Aμl---(5)]]>線圈雜散電容：Cs=4π(r2+r1)ϵlog(r2+r1r2-r1)---(6)]]>線圈電阻：Rs=ρLS---(7)]]>由5-7式并結(jié)合前面的分析，關(guān)于頻帶寬度，為了使傳感器的頻帶寬，需要選用磁導(dǎo)率大的磁芯，增加線圈纏繞匝數(shù)和磁芯截面積，降低磁路長度以使線圈自感增加；通過增加線圈長度和截面積來減小線圈電阻Rs；通過增加磁芯直徑和內(nèi)外徑差異來減小線圈雜散電容Cs。關(guān)于靈敏度，根據(jù)分析可知靈敏度大小與負(fù)載電阻R成正比，與線圈匝數(shù)N成反比。這樣就存在了矛盾，即減小負(fù)載電阻，可以擴(kuò)寬頻帶，但是會(huì)降低靈敏度，增加繞線匝數(shù)也可以擴(kuò)寬頻帶，同樣會(huì)降低靈敏度。而目前，一般使用阻抗為50Ω的同軸電纜作為傳感器信號(hào)輸出，為使系統(tǒng)穩(wěn)定，負(fù)載電阻R也只能選擇50Ω。因此傳感器設(shè)計(jì)中只能考慮磁芯和線圈兩個(gè)因素。而在電纜局放現(xiàn)場測試特別是在線檢測中，首先要考慮的是靈敏度。因?yàn)楝F(xiàn)場中高頻干擾非常復(fù)雜，造成背景信號(hào)高，如果傳感器靈敏度低的話，一些較小的高頻放電信號(hào)就會(huì)淹沒在背景信號(hào)中。本發(fā)明設(shè)計(jì)的原則就是，在保證靈敏度的前提下，盡可能的擴(kuò)寬傳感器的檢測頻帶。由式4知，要盡可能提高傳感器靈敏度，就要較少線圈纏繞匝數(shù)。為此，本發(fā)明采用最小纏繞匝數(shù)1匝，所述線圈為銅片?？蛇x地，所述線圈的截面積可以為4-10mm2，可以提高傳感器感應(yīng)頻帶的上限截止頻率及高頻段的靈敏度。線圈匝數(shù)一定情況下，其它可調(diào)的參數(shù)對(duì)于線圈就是其導(dǎo)線直徑和絕緣材質(zhì)，選擇直徑大、絕緣材料介電常數(shù)小的導(dǎo)線可以降低線圈電阻以增加傳感器檢測的頻帶寬度；另一可調(diào)的參數(shù)就是磁芯。所述銅片可以選自紫銅片、黃銅片、青銅片和白銅片。優(yōu)選地，所述銅片選自紫銅片，以提高傳感器的檢測靈敏度。磁芯的設(shè)計(jì)包括磁芯的內(nèi)外徑和高度以及磁芯材料。本發(fā)明在優(yōu)化條件下，經(jīng)過理論計(jì)算和實(shí)際試驗(yàn)，本發(fā)明優(yōu)選使用0.5-1.2mm厚，寬度5-15mm的紫銅片作為纏繞線圈，以聚苯乙烯作為絕緣材料。作為本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明選用0.8mm厚，寬度為10mm的紫銅片作為纏繞線圈，纏繞匝數(shù)1匝，以提高檢測靈敏度。作為本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明可以選用1mm厚，寬度為8.8mm的紫銅片作為纏繞線圈，纏繞匝數(shù)1匝，以提高檢測靈敏度。作為本發(fā)明的再一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明可以選用0.9mm厚，寬度為10mm的紫銅片作為纏繞線圈，纏繞匝數(shù)1匝，以提高檢測靈敏度。作為本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，本發(fā)明可以選用1.2mm厚，寬度為6mm的銅片作為纏繞線圈，纏繞匝數(shù)1匝，以提高檢測靈敏度。所述銅片磁芯選擇在高頻區(qū)性能好的鎳鋅鐵氧體磁芯，磁芯的尺寸，從原理上是越大越好，考慮到電纜本身的大小，其最佳內(nèi)徑就比較固定，本發(fā)明設(shè)計(jì)磁芯的內(nèi)徑為50-70mm，外徑為70-100mm，高度為20-40mm。作為本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，所述磁芯的內(nèi)徑為66mm，外徑為74mm，高度為30mm，作為本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例，所述磁芯的內(nèi)徑為58mm，外徑為70mm，高度為35mm，作為本發(fā)明的又一個(gè)實(shí)施例，所述磁芯的內(nèi)徑為62mm，外徑為85mm，高度為28mm，可以提高傳感器感應(yīng)頻帶的上限截止頻率及高頻段的靈敏度。需要說明的是，所述磁芯是指由兩個(gè)半環(huán)型磁芯4組成的環(huán)型磁芯。利用本發(fā)明的優(yōu)選設(shè)計(jì)，對(duì)傳感器的上下截止頻率和靈敏度進(jìn)行了實(shí)際測試。測試時(shí)使用信號(hào)發(fā)生器模擬高頻信號(hào)，傳感器輸出端與放大器連接，對(duì)放大的信號(hào)用示波器進(jìn)行檢測。在2-400MHz頻率范圍內(nèi)，選擇20個(gè)頻率值進(jìn)行測試。利用信號(hào)發(fā)生器模擬每一頻率的高頻信號(hào)，并調(diào)節(jié)信號(hào)強(qiáng)度，在示波器上顯示傳感器感應(yīng)的高頻信號(hào)，測試信噪比為2:1時(shí)的靈敏度。傳感器在該頻率范圍內(nèi)的靈敏度響應(yīng)，如圖5所示。高頻可至400MHz，靈敏度-10dBm，低頻可至2MHz，靈敏度-12dBm，最適頻率10-50MHz，靈敏度-40dBm。本發(fā)明提供的高頻電流傳感器在工作時(shí)，兩個(gè)分體式金屬屏蔽外殼繞著合頁打開，將屏蔽盒套于接地電纜上，合上合頁，扣緊搭扣以閉合金屬屏蔽外殼。電纜中微弱的高頻電流信號(hào)在磁芯中感應(yīng)生成相應(yīng)變化的磁場，該變化的磁場在線圈中感應(yīng)生成相應(yīng)變化的電動(dòng)勢，該感應(yīng)電動(dòng)勢經(jīng)信號(hào)輸出插頭輸出。由此可見，本發(fā)明提供高頻電流傳感器與現(xiàn)有的同類傳感器相比，由于采用的上述方案，其頻帶寬，靈敏度高，高頻可至400MHz，靈敏度-10dBm，低頻可至2MHz，靈敏度-12dBm，最適頻率25MHz，靈敏度-40dBm。另外信號(hào)輸出接頭牢固可靠；接地柱不僅保證了接地的穩(wěn)定性，也保證了傳感器的穩(wěn)定；金屬屏蔽外殼完全屏蔽了來自外側(cè)的信號(hào)，背景信號(hào)低；這些都使本發(fā)明提供的高頻電流傳感器能更好適用于復(fù)雜的測試環(huán)境，有效提高其檢測效果和實(shí)用性。所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：以上任何實(shí)施例的討論僅為示例性的，并非旨在暗示本公開的范圍(包括權(quán)利要求)被限于這些例子；在本發(fā)明的思路下，以上實(shí)施例或者不同實(shí)施例中的技術(shù)特征之間也可以進(jìn)行組合，并存在如上所述的本發(fā)明的不同方面的許多其它變化，為了簡明它們沒有在細(xì)節(jié)中提供。因此，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何省略、修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁1 2 3