测试电力电缆局部放电高频局部放电检测技术基本原理

罗氏线圈基本知识

罗格夫斯基线圈（Rogowski coils），简称罗氏线圈，又被称为磁位计，早被用于磁路的测量。一般情况下罗氏线圈为圆形或矩形，线圈骨架可以选择空心或磁性骨架，导线均匀绕制在骨架上。罗氏线圈的结构示意图如图 5-1所示。

5-1 罗氏线圈结构示意图

罗氏线圈的原边为流过被测电流的导体，副边为多匝线圈。当有交变的电流流过穿过线圈中心的导体时，会产生交变的磁场。副边线圈与被测电流产生的磁通相交链，整个罗氏线圈副边产生的磁链正比于导体中流过的电流大小。变化的磁链产生电动势，且电动势的大小与磁链的变化率成正比。令流过导体的电流为，线圈副边感应出的电动势为，基于安培环路定律和法拉第电磁感应定律，可由Maxwell方程^[8]解得：（5-1）

其中M为罗氏线圈的互感系数。

根据罗氏线圈负载的不同，线圈可分为外积分式和自积分式^[9]。外积分式罗氏线圈又称作窄带型电流传感器，具有较好的抗干扰能力。当采用外积分式罗氏线圈时，为得到电流的波形，线圈的输出通常需要经过无源RC外积分电路、由运放构成的有源外积分电路，以及数自积分电路等负载。外积分式罗氏线圈受积分电路频率性能影响较大，测量频率上限受到限制，一般用于测量兆赫兹以下的中低频率电流。自积分式罗氏线圈又称作宽带型电流传感器，具有相对较宽的检测频带。由于其直接采用积分电阻，因此频率响应较快，适用于测量上升时间较短的脉冲电流信号。

罗氏线圈根据其结构不同可分为挠性罗氏线圈、刚性罗氏线圈和PCB型罗氏线圈^[10-11]。挠性罗氏线圈以能够完全的挠性材料作为线圈骨架，将导线均匀绕在骨架上。测量时将骨架弯曲成一个闭合的环，使通电导体冲线圈中心穿过。这种线圈使用方便，但测量***度低、稳定性不高。刚性罗氏线圈采用刚性结构线圈骨架，在结构上更容易使得绕线能够均匀分布，大大提高了抗外磁场干扰的能力，从而提高了测量的***度。这种线圈的测量***度和可靠性较高，但在实际使用中会受到现场安装条件的限制。PCB型罗氏线圈是一种基于印刷电路板（PCB）骨架的罗氏线圈，相比传统的罗氏线圈，其线圈密度、骨架截面积以及线圈截面与中心线的垂直程度都有极大提高，是一种高精度的罗氏线圈。这种线圈现在还处于起步阶段，其实际应用还有一定的距频局部放电检测基本原理

用于局部放电检测的罗氏线圈称为高频电流传感器，其有效的频率检测范围一般为3MHz～30MHz。由于所测量的局部放电信号是微小的高频电流信号，传感器需要在较宽的频带内有较高的灵敏度。因此HFCT选用高磁导率的磁芯作为线圈骨架，并通常采用自积分式线圈结构^[13]。使用HFCT进行局部放电检测的等效电路图如图 5-2所示。其中为被测导体中流过的局部放电脉冲电流，M为被测导体与HFCT线圈之间的互感，L_s为线圈的自感，R_s为线圈的等效电阻，C_s为线圈的等效杂散电容，R为负载积分电阻，u_o(t)为HFCT传感器的输出电压信号。

高频电流传感器局部放电检测等效电路图

在传感器参数满足自积分条件的情况下，忽略杂散电容C_s，计算可得系统的传递函数为^[1 （5-2）

其中N为线圈的绕线匝数。

因此，在满足自积分条件的一段有效频带内，HFCT的传递函数是与频率无关的常数。并且，HFCT的灵敏度与绕线匝数N成反比，与积分电阻R成正比。

事实上，在高频段C_s的影响是不能忽略的。在考虑C_s影响的情况下，系统的传递函数H(S)为：

      （5-3）

HFCT等效电路类似于高频小信号并联谐振回路，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：

下限截止频率：              （5-4）上限截止频率：                （5-5）

在实际使用中，一般希望HFCT有尽可能高的灵敏度，并且在较宽的频带范围内有平滑的幅频响应曲线。同时要求HFCT有较强的抗工频的磁饱和能力，这是因为实际检测时不可避免有工频电流流过，而此时不应因磁芯饱和而影响检测结果。

高频局部放电检测装置组成及原理

常用的高频局部放电检测装置包括：传感器、信号处理单元、信号采集单元和数据处理终端。高频局部放电检测装置结构如图 5-3所示，装置实物图如图 5-4所示。

 高频局部放电检测装置结构图

图 5-4 高频局部放电检测装置实物图

• 传感器
  

高频局部放电检测HFCT传感器按安装位置不同主要分为接地线HFCT和电缆本体HFCT。安装在电力设备接地线或电缆交叉互联系统上的HFCT传感器，内径一般为几十毫米；安装在单芯电力电缆本体上的HFCT传感器，内径一般在100毫米以上，传感器灵敏度相对接地线HFCT较低。

接地线HFCT传感器又可根据检测需要分为分体式和整体式。分体式HFCT线圈可开合，方便测试时安装和拆卸，可以使用一个传感器对设备多个位置进行测量。整体式HFCT传感器需要在设备接地线安装时同时进行安装，适合长期监测用。现有的HFCT传感器下限截止频率大多在1MHz以下，上限截止频率为几十MHz。一般要求传感器的-6 dB 下限截止频率不高于1 MHz，上限截止频率不低于20 MHz，在输入10 MHz正弦电流信号时传输阻抗不小于5mV/mA（频带以及传输阻抗定义见GB/T 7354）。

•  信号处理单元
  

针对传感器的输出信号，需要进行滤波和放大。实际测量中会有各类噪声和干扰信号，因此需要配合硬件滤波器或后续数字滤波功能进行滤波。滤波过后信号幅值会有一定程度的衰减，须经过宽带放大器放大，从而达到提高局部放电信号信噪比的目的。对于具有电压同步功能的高频局部放电检测装置，可以通过外部触发信号为检测装置提供电压同步。同步信号可由分压电容、电源或工频电流互感器提供。某些设备还会对经过滤波放大的局部放电脉冲信号进行检波处理，从而降低对后续信号处理的要求。信号处理单元的性能主要由上、下限截止频率和放大倍数来衡量。一般要求仪器能够在叠加40kHz~500kHz固定频率正弦信号的情况下能够有效检测出100pC放电量。

•  信号采集单元
  

信号采集单元主要有数据采集卡构成，将实际采集到的模拟信号转化为可供进一步处理的数字信号。信号采集单元的主要性能参数为采样率、采样分辨率、带宽以及存储深度。常用的高频局部放电检测设备采样率在几MS/s到100MS/s。采样率越高越能够还原局部放电信号的高频分量。

•  数据处理终端
  

数据处理终端往往采用笔记本电脑，安装有专门的数据处理与分析诊断软件，主要用于显示测量结果。常规高频局部放电检测装置所提供的检测结果包括：单脉冲时域波形显示、单周期（20ms）时域波形显示、多周期局部放电谱图、PRPD谱图、局部放电脉冲频谱分析等。有些仪器还具有数字滤波功能、局部放电类型模式识别功能、局部放电定位功能、多通道同步测量以及多种测量检测方法联合测量等功能。一般要求仪器的整机灵敏度不小于100pC，并且能够有效检测且识别出电晕放电