第, , 卷第#期增刊
仪器仪表学报
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一种高频电流传感器的设计
聂一雄
摘要关键词
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
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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(频响动态范电流传感器
电晕电流
高频电流测量
围宽(稳定性好等特点) 完全满足实际需要’
*+, -, . /012345/16237/0+89, :; , 1; 99, 1? *941. 6;
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n M B t E q E F IB D p B q A v B F r I u q B o K u r o I r M A G Mz E u r I G B u I {E q I r E q xo M E |r M A o }A F sE O r q I F o s K t B q M I o r M Bt M I q I t r B q o E O
#引
言
&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A 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$(#
’(" $! ! +&*@+@, -. /+0&s r s r
其中$@+为被测电流导线穿越闭合线圈次数) @, 为闭合线圈绕制匝数) -为导磁横截面面积) . 为磁芯材料
’(B 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1脉冲宽度在, $) $$F o
3+4
传感器内芯磁性材料必须满足频率2#1$F o 之间) 范围宽(相对磁导率高(剩磁小的要求) 即必须从软磁材料中选择最佳%而软磁材料中) 由磁性材料理论知金属铁磁材料的通频带! 或涡流极限频率O 取决于该材|&
, 4
料的厚度及材料本身的电磁特性3即$) ! , &,
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式中$为磁性材料的电阻率! 67v v , &) 5{为材料厚度! 因此) 频率越高要) v v &. $为材料的初始磁导率)
O |’
求材料的厚度越薄’如对于频率为+的电晕电$8" 9流的感应) 材料的厚度应不大于#才能在一定的. v )
高压线路绝缘子的在线监测是电力系统非常关心的一个问题’多年来) 各国研究者们一直在孜孜不倦地探索着解决这一问题的途径’最近受到普遍关注的电晕电流法为这一问题的解决提供了一条全新的思路’所谓电晕电流法就是通过测量绝缘子电晕脉冲电流的方法来判断绝缘子的绝缘状况) 其原理是$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
万方数据
至关重要’
期增刊一种高频电流传感器的设计
频带内达到相对磁导率! 限" 较大且基本不变的目的#
硅钢片%坡莫合金%非晶于国内目前的生产工艺水平$
态合金等金属型软磁材料由于生产工艺的限制$目前在满足高导磁率条件下其频响范围最高只能达到左右$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$虽然目前这类产品的最高磁导率只能达到
+
数量级$但其频响可达到几百兆赫兹#&*
分析比较的基础上选择了一构成的传感器进行实验%
并成功地研制出了一种种锰锌合金环铁氧体为磁芯$
高灵敏度的电晕电流传感器$其灵敏度在&**T 6()
范围内超过&其实验线路图及频率L *>? U I ? P
$
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响应值分别如图&及图>所示#由图>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#
由铁氧体的特性知, -.
$
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/
&0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$考虑到铁氧体材料的斯诺克123456
7效应$即其复数相对磁导率受斯诺克常数2及材料本身的上限截止频率8" 和实际工作频率8的限制$用公式表示即为/
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;8>=1-7综合考虑传感器技术特性%材料来源和价格等因素$实际中我们采用了尖晶石型铁氧体为传感器磁芯#
>0磁芯尺寸的确定/
由于信号的频谱较宽$而铁氧体材料的相对带宽由下式决定/
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F&*1E >GE &
;>D 7>1+7式中/E &%E >%D 分别为磁芯材料的内%外径及高度$C 为线圈总长#故为达到宽带的目的$必须使E >I E &尽量大或D 91E >G E &7I >$实际中我们综合利用了这两种方法$且以第二种方法为主#
-0绕线匝数的确定/考虑到高频信号时分布电容的影响$传感器线圈的匝数由下述公式计算获得/
J K
1L 7式中/M N
9>! D >>G E >GE &;>D 7C 3E &
F &*H
$D 是材料的等值电感$! :为材料的磁导率的实部$P R 是材料的截面积#
+0传感器磁路的气隙大小将直接影响到磁导率的值$故设计应尽量做到密耦合$即尽量使磁路气隙达到最小值#
S 实
验
为验证我们的设计万方数据$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
外界高频电磁干扰的影响#
卷
万方数据
一种高频电流传感器的设计
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
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仪器仪表学报
CHINESE JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT2001，22(z2)4次
参考文献(3条)
1. 张纪纲 射频铁氧体宽带器件 19862. 大森丰明 磁性材料手册 1987
3. 程养椿;李春榕 电晕指纹法地面检测不良绝缘子串的研究[期刊论文]-中国电机工程学报 2000(04)
相似文献(5条)
1.学位论文 聂一雄 电力系统检测新技术研究——绝缘子在线检测及光学电量互感器 2002
在大量检索国内外参考文献及研究成果的基础上,结合近年来在计算机领域及微电子学方面的最新研究进展,该文提出了一种性能价格比优良的线路绝缘子在线检测方案--基于电晕电流检测的绝缘子劣化状况监测.通过详尽的理论分析和大量的高压实验,发现绝缘子电晕放电现象过程中,电晕放电的起晕电压服从统计特性,是诊断线路绝缘子早期绝缘故障的一个有效手段;用假设检验的方法对绝缘子电晕放电现象进行的实验结果分析和理论计算验证,得出了绝缘子电晕放电符合正态分布的结论,进而首次获得绝缘子电晕放电的概率公式.针对电力系统中现有电量互感器使用中存在着种种问题,该文对光学电量互感器在电力系统测控领域的应用的可能性进行了理论分析,指出了当前光学电量互感器研究中存在的不足在于现有材料本身的缺陷、生产工艺方面的有待进一步完善及与传统电力系统设备的兼容等问题,并给出了具体的改进意见;同时,提出了一种更切合当前光学电量互感器研究现状的有源型光学电量互感器--磁位计式数字光纤电流传感器(DOCT)和电容分压型光纤电压传感器(DOVT)设计方案并从理论上进行阐述,对方案在具体实施中需要注意的事项作了说明;最后,对基于光纤传感器及二次回路采用光纤数字传输的变电站自动化系统的设计模式提出了一种全新的构想并具体阐述了在实际开发研究中需要解决的问题.
2.会议论文 聂一雄. 尹项根. 刘春. 文远芳 一种高频电流传感器的设计 2001
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.
3.学位论文 赵中阔 强电场探空系统及其对雷暴电荷结构的实验研究 2009
雷暴云穿云电场探测对了解雷暴云内的电荷结构具有其他遥感手段不可比拟的优势。本论文根据电晕放电原理，设计集成了一套雷暴云强电场综合探空系统，并选取甘肃平凉地区作为实验区域，进行了雷暴云穿云电场探空实验，成功实现了雷暴云内的5次电场探空，获得了雷暴云内的电荷分布特征。结合对同步的温度、湿度、GPS探空数据和地面雷达观测资料的详细分析，本论文得到主要结果如下：
(1)通过分析电晕电流的放电原理和前人所作的电晕电流-电场的标定关系，提出了利用电晕电流测量电场的方案。在计算机模拟基础之上，设计制作了电晕电流传感器，并分析了传感器的系统误差与随机误差。在单片机平台上，通过集成GPS传感器、温度、相对湿度传感器和数字信号发射机，研制了GPS强电场探空仪。基于VC++的MSComm控件，编写了接收探空数据的终端程序。野外实验显示，该系统运行可靠，基本符合实验要求。
(2)平凉地区雷暴主要发生时段为12:00～17:00；雷暴平均持续时间2.4h，大约2/3的雷暴持续时间在1.5～3h之间。多数雷暴地面电场初始增长阶段呈指数增长趋势，持续时间达到20 min或更长。雷暴成熟阶段的地面电场可分为3类：第一类以负电场为主，表明此类雷暴可能具有常规三极性电荷结构，称之为常规雷暴；另一类以长时间的正电场为特征，这类雷暴可能具有范围、强度均较大的下部正电荷区，且持续时间较长，称之为特殊型雷暴；第三类地面电场极性发生多次反转，表明相应雷暴内的电荷结构可能发生多次变化。三类雷暴所占比例分别为25％、63％和12％。
(3)利用自行研制的GPS强电场探空仪在甘肃平凉地区的探空观测表明，2次雷暴云的对流区中心或附近的主要电荷区域为具有下部大范围正电荷区的三极性电荷结构：上部正电荷区，中部负电荷区和下部正电荷区，另外，在云下边界还存在一个负极性屏蔽电荷区。各电荷区的高度(温度)范围(两次探空结果平均)分别为：6.9～7.8 km(-11～18℃)，5.8～6.8 km(-3.5～10℃)，4.7～5.8 km(4～2.5℃)，4.5～4.7 km(6～4℃)。雷暴云中三极电荷结构的分布特征可以利用目前国际上公认的非感应起电机制进行解释。
(4)探讨了云内电荷结构的成因，并与国外探空结果进行了对比。平凉地区雷暴中部负电荷区与下部正电荷区为雷暴云的主电荷区，上部正电荷区的强度与垂直尺度都比下部正电荷区小。这种电荷结构与国外得到的常规三极性电荷结构有所不同，常规电荷结构通常都是上部正电荷区强度要远大于下部正电荷区。这种差异可能源于该地区雷暴内特殊的动力结构以及微物理特征：探空结果表明，在反转温度层上下，上升气流存在明显变化，反转温度之下上升气流较强，而反转温度之上上升气流明显减弱，造成反转温度层之下的起电水成物粒子浓度较大，电荷分离程度高，起电量大，而反转温度层之上只有少量的水成物粒子，电荷分离程度低，起电量小。所以，上部正电荷区要明显弱于下部正电荷区，而且负电荷区与下部正电荷区的强弱关系也发生了转变。雷暴云砧中的两次观测结果发现，即使回波微弱(5～10 dBz)的雷暴云砧内，也存在较强的电场，电场强度超过15 kVm-1，且维持较长时间、超过100 min。
(5)平凉地区地面电场的风暴消散阶段震荡(EOSO)分为两类。一类为典型EOSO，在发生首次电场极性反转前，地面电场极性将由负变为正，5次EOSO平均持续时间为57.3 min；另一类为反转EOSO：首先地面呈强正电场，接着电场出现第一次极性迅速反转，变为强负值，五次反转EOSO平均持续时间为43.5min。两类EOSO持续时间的数学期望之差，置信系数为0.95的区间估计为[-47.219.6](min)。
(6)雷暴结束阶段的云内电荷结构与雷暴活跃期的电荷结构显著不同，云中的电荷区包括一个负电荷内核和云上、下边界的两个屏蔽电荷区，云中最大电场约25 kVm-1。另外，在云底之外，还存在一个可能由降水形成的负电荷区和地面电晕放电形成的屏蔽电荷层，这两个电荷区之间存在着超过25 kVm-1的强电场。
4.期刊论文 赵中阔. 郄秀书. 张广庶. 张廷龙. 张彤. 郭凤霞. 窦志强. ZHAO Zhong-kuo. QIE Xiu-shu. ZHANG Guang-shu. ZHANG Ting-long. ZHANG Tong. GUO Feng-xia. DOU Zhi-qiang 雷暴云内电场探测仪及初步实验结果 -高原气象2008,27(4)
雷暴云内的电场探空是了解雷暴电荷结构的重要手段之一.为了定量了解雷暴云内的电场分布以确定雷暴的电荷结构,本文根据强电场环境中尖端放电原理,制作了尖端放电电流传感器.该电流传感器包括两根长度均为1 m的同轴电缆和一个时间常数为0.1 s、量程±16 μА的精密电流放大电路;两根同轴电缆悬空垂直于地面,相对放大电路对称布置,两个尖端的长度为5~6 cm.利用该电流传感器,同时配合温度、相对湿度、GPS等传感器,组成了雷暴云内电场综合探空仪,并于2007年夏天在甘肃平凉地区进行了初步实验.利用雷暴天气条件下的大气平均电场仪与尖端放电电流传感器进行的地面同步观测记录,得出了大气电场-尖端放电电流的拟合关系,发现负电晕放电(尖端为阴极)的阈值电场和正电晕放电阈值电场存在一定差异,且负电晕放电的阈值较低、本文认为这一差异源于正、负电晕放电机制的差异.利用气球携带的电场综合探空仪进行了探空实验,得到了一次空中电场的初步探测结果,在此基础上,对探空路径上可能存在的
电荷区域进行了分析.
5.学位论文 黄斌 单个绝缘子及绝缘子串的电特性研究 2008
电力网中各种电气设备能否正常可靠安全运行，主要取决于设备的绝缘水平和作用于绝缘上的电压高低。随着国民经济的快速发展，用电量不断上升，输电距离不断增加带来的电力系统工作电压的不断提高，有关电气设备绝缘的问题就越来越突出。本文围绕绝缘子在线检测这一主题进行了研究和探索。 在大量检索国内外参考文献及研究成果的基础上，结合近年来在计算机领域及微电子学方面的最新研究进展，本文采用了一种性能价格比优良的线路绝缘子在线监测方案 —基于脉冲电晕电流检测的绝缘子劣化状况监测。通过详尽的理论分析和大量的高压实验，发现绝缘子电晕放电现象过程中，电晕放电的起晕电压服从统计特性，是诊断线路绝缘子早期绝缘故障的一个有效手段;用假设检验的方法对绝缘子电晕放电现象进行的实验结果分析和理论计算验证。对绝缘子串的电压分布特性及泄漏电流特性进行的实验研究表明，线路绝缘子串的电压分布虽然总体而言呈马鞍形，但也存在一定的随机性，在线路存在劣质绝缘子的情况下，各单个绝缘子承担电压及线路绝缘子串上的泄漏电流因绝缘子劣化程度、劣质绝缘子所处位里及劣质绝缘子个数的不同而异。
依实验结果分析得出的脉冲电晕电流特征，采用特别设计的高频电晕电流传感器和泄漏电流传感器，得到一种适用于现场运行的便携式绝缘子绝缘状况检测仪。其优点在于操作简单、使用方便、便于携带。
引证文献(4条)
1. 端木林楠. 文远芳. 黄斌. 文康珍. 刘凯. 胡建勋. 肖宾 绝缘子泄漏电流与脉冲电流特性研究[期刊论文]-电瓷避雷器2008(6)
2. 王海跃. 李香龙. 汲胜昌. 李彦明 合成绝缘子在线检测方法的现状与发展[期刊论文]-高电压技术 2005(4)3. 朱俊栋. 杨连殿. 贾江波. 古涛. 杨兰均. 张乔根 一种宽频带微电流传感器的设计[期刊论文]-高电压技术 2005(11)4. 聂一雄. 尹项根. 刘春. 文远芳 悬式瓷绝缘子在线检测装置的研究[期刊论文]-高压电器 2003(1)
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下载时间：2011年5月16日