局部放电检测用宽频带电流传感器的探讨
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ui ( t)
= LS
di ( t) dt
+
RSi ( t)
+
u0 ( t)
(1)
上式中有关参数的含义如图 2 。在满足电流传
感器自积分条件时 ,必须满足
u0 ( t) R
µ
CS
d u0 ( t) dt
(2)
LS
d i ( t) dt
µ(R+
RS )
i ( t)
(3)
根据式 (1) 、(2) 和 (3) , 忽略杂散电容 CS 的影
21π(
L
S
+ LS
RRS RCS
CS
-
L
S
R +
+ RS RRS CS
)
(13)
当 fh µ fl 时,
BW
=
LS + 2πL
RRS CS S RCS
≈2π1RCS
(14)
为了使传感器工作频带宽 ,应使 f l 尽可能小 , f h
尽可能大 。由式 (11) 、(12) 可见 ,应使 LS 尽可能大 ,
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2001 年 2 月 高 压 电 器 第 37 卷 第 1 期 ·25 ·
(5)
M = μ2πNhln
D2 D1
= μN
S l
(6)
其中
,
l
=
2πr
=
2π( r2 ln ( r2/
r1) r1)
;
r1 、r2
为环形样品的内 、
外半径 ; N 为绕线匝数 ; S 为环形样品横截面积 ; l
为环形样品有效磁路长度 ,ω为工作角频率 。
由 (4) 、(5) 及 (6) 式 ,有
[ 3 ] Ahmed N. H. and Srinvas N. N. On2line partial discharge detection in cables[J ] . IEEE Trans. Dielectrics and Electrical Insulation , 1998 ,5 (2) :181～188.
current transducer
1 引言
罗戈夫斯基线圈型传感器是检测电气设备局部 放电的有效手段之一 ,可用于变压器[1] 、发电机[2]和 电力电缆[3]的绝缘监测 。由于罗戈夫斯基线圈型传 感器的测量回路与被测设备间没有直接的电气联 系 ,故其安装简便 ,能很好地抑制噪声 ,且能实现电 气设备局部放电的在线监测 。目前国内进行局部放 电检测所采用的传感器 ,一般工作频带较窄 ,从几十 到几百 kHz ,已成功应用于变压器局部放电的检测 。 考虑到一些设备如电力电缆的局放脉冲电流信号所 包含的频谱很宽 ,本文提出一种宽频带罗戈夫斯基 线圈型传感器 。
RS 和 R 尽可能小 。由式 (5) 可知 , 要增大线圈的自
感 LS ,在线圈尺寸一定的情况下 , 应使磁导率 μ、绕
线匝数 N 尽可能大 。通过增加绕线的横截面积 S ,
即增加绕线直径 D 来减小 RS ,但增加绕线直径与增
加绕线匝数是相互制约的 。由式 (14) 、(7) 可知 , 积
分电阻对频带宽度 、传感器灵敏度均有影响 ,积分电
对三个传感器采用相同的积分电阻进行传递函
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·26 · Feb. 2001 High Voltage Apparatus Vol. 37 No. 1
响 ,可以得到系统的传递函数为 :
H( S)
=
U0 ( S) I1 ( S)
≈M
LS
R
(4)
对图 1 所示结构的电流传感器 ,其线圈为环形 ,
截面为矩形 。截面面积为 S , 闭合回路磁路长度为
l ,线圈的自感 L S 和互感 M 的值分别为[4] :
LS
=
μN2 h 2π
ln
D2 D1
= μN2
S l
0. 409
0. 011
0. 010
等效电阻 RS/Ω 计算值 测量值
0. 258
0. 32
0. 463
0. 51
0. 032
0. 04
数幅频特性的测量 。测量结果如图 3 所示 。
由图 3 可看出 ,传感器 B 具有较宽的频带 ,但灵 敏度却很低 ,这是由于传感器 B 的线匝数比传感器 A 的线匝数多 。传感器 A 的 - 3 dB 带宽为 16 kHz～ 28 MHz ,而传感器 C 的 - 3 dB 带宽为 12 kHz～28 MHz , 这是由于传感器 C 较传感器 A 的绕线截面积大所 致 。由试验结果比较可知 ,传感器 C 具有最佳的幅 频特性 ,且保持一定的灵敏度 。试验结果与理论分 析完全吻合 。因此 ,在设计宽频带电流传感器时 ,一 味增加绕线匝数来提高带宽必然导致灵敏度降低 。 应该在保证一定匝数的前提下 ,尽量增加绕线截面 积。
H( S) = R/ N
(7)
因此 ,在满足自积分条件的一段有效频带内 ,传
递函数是与频率无关的常数 。同时 ,由上式可见 ,电
流传感器的响应灵敏度与绕线匝数 N 成反比 , 与积
分电阻 R 成正比 。这里传感器的响应灵敏度是指
输出与输入的幅值之比 , 比值越大说明传感器对输
入信号的响应越强 ,即响应灵敏度越高 。
振回路[5] ,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 :
fl
=
R
2π( LS
+ +
RS RRS CS )
≈
R + RS 2πL S
(11)
上限频率 :
fh
=
LS + 2πL
RRS CS S RCS
≈2π1RCS
(12)
工作频宽 :
BW = f h - f l
=
·24 · Feb. 2001 High Voltage Apparatus Vol. 37 No. 1
文章编号 :1001 - 1609 (2001) 01 - 0024 - 03
局部放电检测用宽频带电流传感器的探讨
马翠姣1 , 黄新红1 , 邱毓昌1 , 罗俊华2
事实上 ,在高频段 CS 的影响是不能忽略的 。
考虑 CS 的影响 , 在零初始条件下 , 系统的传递
函数 H ( S) 为
H( S)
=
U0 ( S) I1 ( S)
=
LS CSS 2
+
( LS R
MS + RS CS )
S
+
RS R
+1
(8)
在正弦稳态信号作用下 ,有
H ( ωj )
= R+
在研究积分电阻对传感器幅频特性的影响时 , 采用具有最优幅频特性的传感器 C ,用不同的积分 电阻测量其传递函数的幅频特性 ,结果如图 4 所示 。
图 4 中 ,积分电阻 R1 > R2 , 可以看出 , 增大积分 电阻可以提高传感器的灵敏度 , 但其工作频带却变 窄 。因此 ,要获得一定灵敏度的宽频带电流传感器 , 其积分电阻不能太大 ,但也不能太小 。
(1. Xi’an Jiaotong University , Xi’an 710049 ,China ; 2. Wuhan High Voltage Research Institute , Wuhan 430074 ,China)
摘要 : 研究了带铁芯的罗戈夫斯基线圈型电流传感器的几 个主要参数对其传递函数幅频特性的影响 ,综合考虑各种因 素 ,探讨了具有最优幅频特性的宽频带罗戈夫斯基线圈型电 流传感器 。 关键词 : 局部放电检测 ; 宽频带 ; 电流传感器 中图分类号 : TM938. 862 文献标识码 : A Abstract : The Rogowski coil can be used as a current transducer to detect the partial discharge occurring in electrical equipment. This paper studies several factors influencing the transfer character2 istics of the Rogowski coil. Accordingly , a wide frequency band2 width current transducer is discussed taking into account these fac2 tors optimally. Key words : PD detection ; wide frequency bandwidth ;
RS -
ωj MR LS RCSω2 + ωj ( LS +
RRS CS )
(9)
因此 ,电流传感器的幅频特性为 :
|
H ( ωj ) |
=LS
MR · + RRS CS
1
{1
+
[ω·L S
LS RCS + RRS CS
-
(ω·LS + RRS CS ) R + RS
-
1 ]2}
1 2
(10)
电流传感器等效电路类似于高频小信号并联谐
阻增大 ,可使传感器灵敏度增大 ,但同时会导致频带
宽度减小 。从以上分析可知 , 在线圈尺寸一定的情
