一种高频电流传感器的设计

聂一雄　尹项根　刘　春　文远芳　(华中科技大学电气与电子工程学院　武汉　430074)

摘要　本文介绍了一种高频电流传感器的设计原理及研究结果。高压电晕电流测量实验表明该传感器具有灵敏度高、频响动态范围宽、稳定性好等特点,完全满足实际需要。

关键词　电流传感器　电晕电流　高频电流测量

The D esign of a K i nd of H igh Frequency Curren t Tran sducer

N ie Y ix i ong　Y in X ianggen　L iu Chun　W en Yuanfang

(H uaz hong U n iversity of S cience&T echnology,W uhan　430074,Ch ina)

Abstract　T h is p ap er in troduces the p rinci p le and exp eri m en tal resu lts of a h igh frequency cu rren t tran sducer. T he co rona exp eri m en tal resu lts at h igh vo ltage labo rato ry show th is k ind of tran sducer has the characters of h igh sen sitivity,w ide dynam ic frequency range and w ell stab ility.It is fu lly satisfied fo r the p ractical u se. Key words　Cu rren t tran sducer　Co rona cu rren t　H igh frequency cu rren t m easu rem en t

1　引　　言

高压线路绝缘子的在线监测是电力系统非常关心的一个问题。多年来,各国研究者们一直在孜孜不倦地探索着解决这一问题的途径。最近受到普遍关注的电晕电流法为这一问题的解决提供了一条全新的思路。所谓电晕电流法就是通过测量绝缘子电晕脉冲电流的方法来判断绝缘子的绝缘状况,其原理是:存在劣值绝缘子的绝缘子串中,由于劣值绝缘子的绝缘电阻很低,它在绝缘子串中承担的电压也较小,于是其它正常绝缘子在绝缘子串上的承受电压必然明显大于正常情况时的承受电压,而因回路阻抗变小、绝缘子电晕现象的加剧,电晕脉冲电流必将变大;根据线路上存在劣值绝缘子时电晕脉冲个数的增多、幅值的增大的现象,利用宽频带电晕脉冲电流传感器套入杆塔接地引线取出电晕脉冲电流信号,通过一定的信号处理手段,从而达到在低压端检出不良绝缘子的目的。

电晕脉冲电流的特点在于频带宽,其最高频率可达到几十兆赫兹;同时,电晕脉冲电流还具有较大的随机性,特别是工频电压下的电晕,由于每半周内都存在起始及熄灭阶段,因此,传感器类型的选择及结构设计至关重要。2　设计原理及实际设计考虑

高频电晕电流传感器是利用电抗器的原理设计而成。由法拉第电磁感应定律知,当有电流i通过绕有一定安匝的闭合线圈时,则在线圈的输出端有感应电压:

e=-

d5

dt

=-4ΠN1N2SΛ

di

dt

×10-3(V)(1)其中:N1为被测电流导线穿越闭合线圈次数,N2为闭合线圈绕制匝数,S为导磁横截面面积,Λ为磁芯材料的导磁率。

由于电晕电流本身具有频率高、信号弱、频谱宽等特点,典型电晕电流的上升沿约50n s,脉冲宽度在200～350n s之间[1],传感器内芯磁性材料必须满足频率范围宽、相对磁导率高、剩磁小的要求,即必须从软磁材料中选择最佳;而软磁材料中,由磁性材料理论知金属铁磁材料的通频带(或涡流极限频率f w)取决于该材料的厚度及材料本身的电磁特性[2],即:

f w=

4Θ

ΠΛ0b2(2)式中:Θ为磁性材料的电阻率(8・mm2),b为材料厚度(mm),Λ0为材料的初始磁导率,因此,频率越高要求材料的厚度越薄。如对于频率为10M H z的电晕电流的感应,材料的厚度应不大于3Λm,才能在一定的

第22卷第3期增刊　　　　　　　　　　　仪　器　仪　表　学　报　　　　　　　　　　　　　2001年6月

频带内达到相对磁导率Λr 较大且基本不变的目的。限于国内目前的生产工艺水平,硅钢片、坡莫合金、非晶态合金等金属型软磁材料由于生产工艺的,目前在满足高导磁率条件下其频响范围最高只能达到1M H z 左右,且性能价格比难以满足实际需要,因此,

只能从非金属材料铁氧体中寻找满足高频响要求的传感器磁芯,虽然目前这类产品的最高磁导率只能达到104数量级,但其频响可达到几百兆赫兹。

由铁氧体的特性知[3],其响应特性由材料组分、材料尺寸及绕线匝数所决定。实际设计时我们注意了以

下几个方面的问题:

11材料的选择:高频响铁氧体材料有石榴石型、尖晶石型等几种类型,考虑到铁氧体材料的克(Snoek )效应,即其复数相对磁导率受克常数S 及材料本身的上限截止频率f r 和实际工作频率f 的,用公式表示即为:

Λ=Λ′+Λ″i =(1+

Sf r f 2r

+f 2)+Sf

f 2

r +f 2

i (3)

综合考虑传感器技术特性、材料来源和价格等因素,实际中我们采用了尖晶石型铁氧体为传感器磁芯。

21磁芯尺寸的确定:由于信号的频谱较宽,而铁

氧体材料的相对带宽由下式决定:

f m ax f m in

∝

2Λlh ln

d 2

d 1

×10-9

(d 2-d 1+2h )2(4)

式中:d 1、d 2、h 分别为磁芯材料的内、外径及高度,l 为线圈总长。故为达到宽带的目的,必须使d 2 d 1尽量大

或h =(d 2-d 1) 2,实际中我们综合利用了这两种方法,且以第二种方法为主。

31绕线匝数的确定:考虑到高频信号时分布电容

的影响,传感器线圈的匝数由下述公式计算获得:N Ε

215dL p ×108

Λ′A c

(5)式中:L p =2Λh (

l

d 2-d 1+2h )2ln d 2d 1

×10-9,h 是材料的等值电感,Λ′为材料的磁导率的实部,A c 是材料的截

面积。

41传感器磁路的气隙大小将直接影响到磁导率

的值,故设计应尽量做到密耦合,即尽量使磁路气隙达到最小值。

3　实　　验

为验证我们的设计,实际中我们在对几种不同组分的铁氧体、非晶态合金及坡莫合金等几种软磁材料

构成的传感器进行实验、分析比较的基础上选择了一种锰锌合金环铁氧体为磁芯,

并成功地研制出了一种高灵敏度的电晕电流传感器,其灵敏度在100kH z —2M H z 范围内超过150mV mA ,其实验线路图及频率响应值分别如图1及图2

所示。由图2可见,锰锌合金铁氧体材料具有比其他材料都好的频率响应特性。

图1　传感器性能测试示意图(其中:信号源输出电压

为218v 有效值,示波器为TD K 210数字示波器)

图2　不同材料传感器的幅频特性图

图中,●线、■线、▲线、 线、+线分别表示坡

莫合金材料、非晶态合金材料、铁镍合金铁氧体材料、锰锌合金铁氧体材料和镍锌合金铁氧体材料传感器的幅频特性

图3　屏蔽前后传感器输出信号(零外加电压)

(信号采样频率为400k sp s )

传感器受外界电磁场干扰特别严重,将传感器置

于屏蔽盒中与放在屏蔽盒外效果明显不同(如图3(a )和3(b )所示)。因此,在传感器的设计中应尤其注意防外界高频电磁干扰的影响。

7

91　第3期增刊一种高频电流传感器的设计

图4　不同电压下的脉冲电流波形及通过取样电阻获得的原方电流波形比较图

　　传感器的输出电压值随取样电阻R w 的升高而升高,而输出波形不受取样电阻的影响;当R w Ε50k 8后,则输出电压基本不再变化(小于10%)。屏蔽后,传感器受外界电磁场干扰极小(小于1mV ),且基本不受传感器位置变化的影响。当信号发生器输出频率小于40kH z 时,锰锌合金铁氧体材料传感器输出波形开始发生畸变。

由实验的结果分析,我们得到如下结论:11铁镍合金铁氧体材料、镍锌合金铁氧体材料电流传感器虽然具有较高的电流灵敏度,但受外界电磁场干扰较大,且导磁频带较窄,不适合作电晕电流传感器。21非晶态合金、坡莫合金构成的传感器电流灵敏度较低,亦不适于作电晕电流传感器。31所选锰锌合金环具有较大的电流灵敏度,较高的导磁频率,传感器受位置影响极小,且在频率达到一定值(300kH z )后,感应信号的相移几乎不变,因此,对于电晕电流这类高频信号的感应而言,输出信号畸变必然较小,完全适合作电晕电流传感器磁芯。

传感器模拟信号处理实验:依设计构想,我们准备对电晕电流的200kH z ～3M H z 段频谱进行分析,欲根据电晕电流各频率幅值的变化情况判定线路绝缘子的绝缘状况,因此,在传感器信号输出的前级,设计了一个模拟带通滤波器,目的在于消除其它外界干扰(特别是无线电通讯干扰)。带通滤波器的模拟运算放大器采用TL E 2037高频运算放大器,其单位增益带宽为50M H z 。用模拟信号发生器对传感器通以模拟交流信号进行实验的测试数据结果表明,模拟滤波电路有效地抑制了非必要信号对测量的影响,放大了有用测量信号,满足检测对信号输入的需要,高压实验也证明了

这一点。图4是我们对单只绝缘子作电晕放电实验时,通过该传感器及其输出信号模拟处理电路后的输出用20M 高速A D 采集卡观察的结果。从图中可清楚看出:电晕电流随着输入电压的升高,其幅值逐渐增大,频率逐步升高,完全符合设计理论及设计构想;图4(a )与图4(c )虽然是在同一电压等级下得到的电晕电流波形,但由于取样时间不同,故得出的电流波形亦有异,这是由于电晕电流的离散性的原因引起的,但总的而言,其幅值、电晕脉冲个数都符合统计规律。

4　结　　论

在保证一定的工艺条件的前提下,用锰锌合金铁氧体为磁芯绕制高频电流传感器具有信号响应灵敏度高、频带宽、稳定可靠的特点,对于兆赫兹级信号的传感是一种理想的选择。在测量脉冲电晕电流的同时通过测量绝缘子串的泄露电流对绝缘子串的绝缘状况进行初步检测,并加入一些影响测量判断准确性的外界因素,采用现有已知的有关外界因素如污秽、潮湿、温度、冰雪覆盖等对绝缘子串泄漏电流值影响的数学模型,采取分别赋予不同外界干扰因素以不同隶属度的方法,利以模糊集理论综合考虑绝缘子的运行情况可以最终确定绝缘子的绝缘状况。　　参考文献

1　程养椿,李春榕,等.电晕指纹法地面检测不良绝缘子串的

研究.中国电机工程学报,2000,20(4).54～58.

2　大森丰明.磁性材料手册.机械工业出版社,1987.3　张纪纲编著.射频铁氧体宽带器件.科学出版社,1986.(上接第177页)

　　参考文献

1　D allas Sem iconducto r .D ate Book .1995.

2　李华.M CS 251系列单片机实用接口技术.北京航空航天大

学出版社,1993.

3　何立民.单片机应用系统设计.北京:北京航空航天大学出

版社,1990.

1仪　器　仪　表　学　报　　　　　　　　　　　　　　　　　第22卷