专利名称：大尺径磁芯传感器及定向耦合脉冲鉴别的抗干扰方法
技术领域：
本发明涉及一种大型电力设备绝缘状态在线监测，特别涉及一种大尺径磁芯式电流传感器及定向耦合脉冲鉴别的抗干扰方法。
2.传感器技术为了从高压出线端耦合变压器的局部放电信号与套管末屏接地线耦合的信号作脉冲鉴别，以往限于大尺径磁芯式电流传感器加工难度及成本很高，只有采用非磁芯式电流传感器。该传感器由非磁性材料为芯的罗高夫斯基线圈、并联电阻电容、屏蔽盒等组成。
非磁芯式传感器对局部放电信号的失真严重，只能满足较低的灵敏度要求，而难以符合脉冲极性鉴别的要求。而且由于采用非磁性材料为芯，据线圈电感计算公式L＝(μhln(R/r))/2π可知，与磁心式传感器相比，由于μ值比磁芯的小得多，因此灵敏度就低得多。
3.脉冲识别抗干扰技术为了识别来自变压器内部的放电脉冲，根据差动原理及极性鉴别原理，过去采用了差分电路或者逻辑门电路对两路信号进行差分放大或者对脉冲极性判断，来识别放电和干扰。
两个比较信号由于传输路径不同，大小及波形都不相同，差分电路只能去除某些频率分量的干扰，逻辑门电路对于振荡波形经常会出现误动作，使监测系统无法正常识别放电脉冲，失去了在线监测的意义。
运行中的大型电力设备如变压器、发电机等如果发生故障，将对电力系统乃至国计民生都会产生灾难性后果。对电力设备局部放电进行在线监测，可以有效监测电力设备运行状态，提高安全运行水平。
用脉冲电流法对电力变压器进行局部放电在线监测时，严重的电磁干扰大大降低了监测灵敏度及可靠性，有时甚至使得测量无法进行。因此，局部放电在线监测的关键技术之一是如何抑制干扰，以期能检测到真实的局部放电信号。(1)信号耦合对于干扰的抑制，首先应从信号来源分析。根据对大型电力变压器局部放电的仿真分析，高压引线是最佳的监测点。为了耦合高压引线信号，传感器需安装在高压套管底座。它的尺寸很大，110KV以上的套管底座直径超过210mm。
同时，通过软件来确认和比较从高压引线中与高压套管末屏引线中采集到的信号进行放电脉冲极性鉴别[Luo Bing et al，A new method of noise suppressionfor on-line monitoring partial discharge in transformers.ISH-1995，5587-2]，或可兼用脉冲幅值鉴别以便把干扰去除，只记录真实的放电脉冲。
已有的小尺径磁芯式传感器[Borisi H，et al.Application ofRogowiski Coilsfor Partial Discharge Decoupling and noise suppression ISH.1987，42.02]具有优良性能，为了从高压套管和套管末屏上耦合到的信号具有可比性及一致性，以便进行脉冲识别和幅值鉴别，促使申请人尝试大尺径磁芯式传感器的研制。(2)脉冲鉴别抗干扰鉴于以往采用硬件电路实现的差分放大及极性鉴别方法难以在现场有效的识别放电脉冲，为了有效地抑制干扰，识别来自变压器内部的局部放电信号，申请人进行了深入研究，提出了基于虚拟仪器软件识别的定向耦合脉冲极性及幅值鉴别的抗干扰方法，它最大限度的利用软件所具有的功能，将有助于提高脉冲识别的可靠性和准确性。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是，该大尺径磁芯式电流传感器，由采用分段组合式铁氧体为磁芯的罗高夫斯基线圈、滤波及采样单元、电磁屏蔽盒等构成，其特点是，整个磁芯由多个条状铁氧体磁芯组成，由两个开口磁芯对接起来使之呈封闭形状；磁芯绕好线圈后，在线圈两端串连高通滤波电容及采样电阻；串联电路的灵敏度要大于并联电路，同时电容C对低频信号有很好的滤波作用，根据仿真分析和实际试验，可以确定合适的电容、电阻及线圈匝数等参数；为了有效抑制空间电磁干扰，提高线圈的抗干扰能力、抗振性，用金属板制成半封闭式传感器外壳，同时为了保证所需检测的信号不会被屏蔽，将外壳的内侧设计为开放式，使耦合信号能够顺利进入线圈。
本发明的其它一些特点是，所述两个开口磁芯对接起来使之呈封闭的形状为“回”字正方形或“回”字六边形或“回”字圆形。
所述合适的电容、电阻及线圈匝数等参数为电容值定为0.01μF，电阻为1KΩ，线圈匝数为37匝。
一种大尺径磁芯式电流传感器及定向耦合脉冲极性幅值鉴别的抗干扰方法，其特征在于，在每相高压绕组安装一大一小两个将大尺径磁芯式电流传感器，根据同相高压套管处及套管末屏处的大、小传感器耦合到外部干扰信号与内部放电信号脉冲极性的异同，识别发生在变压器内部的局部放电信号，通过计算机软件确认和比较大小两个传感器采集到的脉冲的极性或幅值来鉴别局部放电和外来的干扰；按以下步骤进行1)极性鉴别根据同相高压套管处及套管末屏处的大、小传感器耦合到外部干扰信号与内部放电信号脉冲极性的异同，可以识别发生在变压器内部的局部放电信号；基于具有良好α响应的传感器及软件相位补偿技术的脉冲极性鉴别虚拟仪器，可以较好的识别变压器内部放电信号；首先，计算机将连续采集至少50个工频周期的信号，这些信号分别来自高压套管底座处的大传感器及来自套管末屏处的小传感器。然后，软件将每个工频周期内采集到的信号分割为若干个等时间长度的数据段，数据段的长度可以根据试验及现场情况进行调整，在每个数据段下，来自变压器高压引线的信号及套管末屏接地线的信号先经过周期性干扰及背景噪声干扰的抑制，之后在虚拟脉冲识别仪器中分别得到两路信号相同时间段内波形的极性，并进行极性相同或相异的判断，极性相同的为干扰，去除之；极性相异的为放电，记录下；2)幅值鉴别采用特殊绕制的Rogowski线圈在高压套管底部靠近法兰处耦合局部放电信号，并根据线圈两端电压的大小来判断是局部放电信号还是外来电磁干扰；该法把Rogowski线圈的中间抽头与变压器套管末屏测量端子连接起来；末屏测量端子串一个小电阻接地；套管电容C和末屏对地电容Cz组成电容分压器，C1＜＜C2，使R1、R2、Rs、都处于低电位，Rogowski线圈与高压套管末屏测量端子连起来构成定向耦合电路；U(1)＝Uc+U1，U(2)＝Uc-U2＝Uc-U1，此时U(1)＞U(2)；若电流I反向，则U(1)＜U(2)；由此比较U(1)和U(2)就可清楚地将局部放电信号和外来电磁干扰区别开来。
所述软件的编制内容是首先，计算机将连续采集至少50个工频周期的信号，这些信号分别来自高压套管底座处的大传感器上采样电阻R1、R2上的对地电压U(1)及U(2)。然后，软件将每个工频周期内采集到的信号分割为若干个等时间长度的数据段，数据段的长度可以根据试验及现场情况进行调整，在每个数据段下，来自大传感器的信号先经过周期性干扰及背景噪声干扰的抑制，之后在虚拟脉冲识别仪器中分别得到两路信号相同时间段内电压的伏值，并进行幅值比较。如果U(1)＞U(2)，则认为是干扰信号，去除之；如果U(1)＜U(2)，认为是放电信号，存储数据。
本发明的大尺径磁芯式电流传感器的灵敏度可以达到100pC，响应频宽-3db下为80K～5MHz，分辨率为5μs，具有较好的线性度。
利用本发明的大尺径磁芯式电流传感器定向耦合极性鉴别及幅值鉴别方法，可以在以下范围准确识别局部放电信号时间长度为200ns～100μs、幅值为1mV～5000mV、时延小于500ns的α响应信号。
1.大尺径磁芯式电流传感器参见
图1、图2，大尺径磁芯式传感器采用分段组合式制作磁芯。它由铁氧体为磁芯的罗高夫斯基线圈、滤波及采样单元、电磁屏蔽盒等构成。
如图1(a)所示，整个磁芯由多个条状铁氧体磁芯组成，由两个开口磁芯对接起来使之呈封闭“回”字正方形、六边形、圆形等形状。磁芯的相对磁导率远高于非磁芯材料，保证了传感器具有较高的灵敏度。
磁芯绕好线圈后，见图1(b)，在线圈两端串连高通滤波电容及采样电阻。串联电路的灵敏度要大于并联电路，同时电容C对低频信号有很好的滤波作用，根据仿真分析和实际试验，可以确定合适的电容、电阻及线圈匝数等参数。(以安装在110KV高压套管底座的传感器为例，电容值定为0.01μF，电阻为1KΩ，线圈匝数为37匝。)为了有效抑制空间电磁干扰，提高线圈的抗干扰能力、抗振性，用金属板制成半封闭式传感器外壳，传感器的外壳直接接地，对电、磁干扰的屏蔽效果良好。同时为了保证所需检测的信号不会被屏蔽，将外壳的内侧设计为开放式，使耦合信号能够顺利进入线圈。
2.采用大尺径磁芯传感器定向耦合脉冲鉴别的抗干扰方法在每相高压绕组安装一大一小两个将大尺径磁芯式电流传感器，根据同相高压套管处及套管末屏处的大、小传感器耦合到外部干扰信号与内部放电信号脉冲极性的异同，识别发生在变压器内部的局部放电信号，通过计算机软件确认和比较大小两个传感器采集到的脉冲的极性或幅值来鉴别局部放电和外来的干扰；按以下步骤进行(1)极性鉴别极性鉴别原理即根据同相高压套管处及套管末屏处的大、小传感器耦合到外部干扰信号与内部放电信号脉冲极性的异同，可以识别发生在变压器内部的局部放电信号。
本发明的基于具有良好α响应的大尺径磁芯式电流传感器及软件相位补偿技术组成的脉冲极性鉴别虚拟仪器，可以较好的识别变压器内部放电信号。首先，计算机将连续采集至少50个工频周期的信号，这些信号分别来自高压套管底座处的大传感器及来自套管末屏处的小传感器。然后，通过计算机软件将每个工频周期内采集到的信号分割为若干个等时间长度的数据段，数据段的长度可以根据试验及现场情况进行调整，在每个数据段下，来自变压器高压引线的信号及套管末屏接地线的信号先经过周期性干扰及背景噪声干扰的抑制，之后在虚拟脉冲识别仪器中分别得到两路信号相同时间段内波形的极性，并进行极性相同或相异的判断，极性相同的为干扰，去除之；极性相异的为放电，记录下。
(2)幅值鉴别原理如图2所示，它用特殊绕制的Rogowski线圈在高压套管底部靠近法兰处耦合局放信号，并根据线圈两端电压的大小来判断是局部放电信号还是外来电磁干扰。该法把Rogowski线圈的中间抽头与变压器套管末屏测量端子连接起来。末屏测量端子串一个小电阻接地。套管电容C和末屏对地电容Cz组成电容分压器，C1＜＜C2，使R1、R2、Rs、都处于低电位。Rogowski线圈与高压套管末屏测量端子连起来构成定向耦合电路。图1定向耦合电路电流I如图示方向时，U(2)＝Uc+U1，U(2)＝Uc-U2＝Uc-U1。此时U(1)＞U(2)；若电流I反向，则U(1)＜U(2)。由此比较U(1)和U(2)就可清楚地将局部放电信号和外来电磁干扰区别开来。
本发明的大尺径磁芯式电流传感器的灵敏度可以达到100pC，响应频宽-3db下为80K～5MHz，分辨率为5μs，具有较好的线性度。
利用本发明的大尺径磁芯式电流传感器定向耦合极性鉴别及幅值鉴别方法，可以在以下范围准确识别局部放电信号时间长度为200ns～100μs、幅值为1mV～5000mV、时延小于500ns的α响应信号。
实施例对某电厂#2主变压器进行的试验如下离线状态下，根据国标GB7354-87，在A相高压出线端与变压器外壳之间注入上升沿为45ns、电荷量为1000pC的脉冲。图3、4分别为500MHz带宽示波器(Tektronix TDS3052)显示的A相两个传感器的时域响应，两个传感器耦合到的信号不但信噪比很高，而且具有良好的α响应，同时，两者响应到的最大脉冲幅值分别为0.3V及0.8V，时延20ns，为脉冲信号的后续处理如极性鉴别、获取有效幅值信息等创造了必要条件。
从图3、4中可以看到，对于模拟来自变压器外部的脉冲干扰信号，两个传感器耦合到的信号第一个波极性相同，从而判断为干扰信号，利用软件判断可以将它消除。
借助虚拟仪器，定向耦合脉冲极性及幅值鉴别的抗干扰方法试验线路原理图如图5所示，图中，传感器a、b分别是矩形大传感器和环形小传感器，方波的输入是大小为1000pc的模拟脉冲。当方波的正端接到1点的时候，方波模拟干扰；当方波正端接到2点的时候，方波模拟变压器放电。
分别将方波的正端接至1、2两点，示波器中得到大、小传感器的波形如图6所示。(a)为模拟干扰时大传感器采耦合的信号，时间轴长度为10μs，放大器衰减100倍；(b)为模拟干扰时小传感器耦合的信号，时间轴长度为10μs，放大器衰减为1000倍；(c)为模拟放电时大传感器耦合的信号，时间轴长度为20μs，放大器衰减为1000倍；(d)为模拟放电时小传感器耦合的信号，时间轴长度为20μs，放大器衰减为1000倍。
从图6中可以看到，当模拟干扰时，大、小传感器耦合到的脉冲方向相同；相反，当模拟放电时，大、小传感器耦合到的脉冲方向相反。并且，当同为干扰脉冲时，两个振荡脉冲的最大峰值同极性；当同为放电脉冲时，两个振荡脉冲的最大峰值异极性。由此，软件可以较好地识别放电与干扰。
如上所述，采用本发明进行在线监测电力系统中大型变压器、互感器、发电机等局部放电，可以减少事故发生，保障电力系统安全稳定运行，从而获得巨大的经济效益。
权利要求
1.一种大尺径磁芯式电流传感器，其特征在于，由采用分段组合式铁氧体为磁芯的罗高夫斯基线圈、滤波及采样单元、电磁屏蔽盒构成；整个磁芯由多个条状铁氧体磁芯组成，由两个开口磁芯对接起来使之呈封闭形状；所述滤波及采样单元是，在磁芯绕好线圈后，在线圈两端串连高通滤波电容C及采样电阻R；串联电路的灵敏度要大于并联电路，同时电容C对低频信号有很好的滤波作用，根据仿真分析和实际试验，可以确定合适的电容、电阻及线圈匝数等参数；电磁屏蔽盒用金属板制成半封闭式外壳，将外壳的内侧设计为开放式，使耦合信号能够顺利进入线圈。
2.根据权利要求1所述的大尺径磁芯式电流传感器，其特征在于，所述两个开口磁芯对接起来使之呈封闭的形状为“回”字正方形或“回”字六边形或“回”字圆形。
3.根据权利要求1所述的大尺径磁芯式电流传感器，其特征在于，所述合适的电容C、电阻R及线圈匝数等参数为电容C的值定为0.01μF，电阻R为1KΩ，线圈匝数为37匝。
4.一种大尺径磁芯式电流传感器及定向耦合脉冲极性幅值鉴别的抗干扰方法，其特征在于，在每相高压绕组安装一大一小两个将大尺径磁芯式电流传感器，根据同相高压套管处及套管末屏处的大、小传感器耦合到外部干扰信号与内部放电信号脉冲极性的异同，识别发生在变压器内部的局部放电信号，通过计算机软件确认和比较大小两个传感器采集到的脉冲的极性或幅值来鉴别局部放电和外来的干扰；按以下步骤进行1)极性鉴别根据同相高压套管处及套管末屏处的大、小传感器耦合到外部干扰信号与内部放电信号脉冲极性的异同，以识别发生在变压器内部的局部放电信号；基于具有良好α响应的大尺径磁芯式电流传感器及软件相位补偿技术的脉冲极性鉴别虚拟仪器，可以较好的识别变压器内部放电信号；首先，计算机将连续采集至少50个工频周期的信号，这些信号分别来自高压套管底座处的大传感器及来自套管末屏处的小传感器。然后，软件将每个工频周期内采集到的信号分割为若干个等时间长度的数据段，数据段的长度可以根据试验及现场情况进行调整，在每个数据段下，来自变压器高压引线的信号及套管末屏接地线的信号先经过周期性干扰及背景噪声干扰的抑制，之后在虚拟脉冲识别仪器中分别得到两路信号相同时间段内波形的极性，并进行极性相同或相异的判断，极性相同的为干扰，去除之；极性相异的为放电，记录下；2)幅值鉴别采用特殊绕制的Rogowski线圈在高压套管底部靠近法兰处耦合局部放电信号，并根据线圈两端电压的大小来判断是局部放电信号还是外来电磁干扰；该法把Rogowski线圈的中间抽头与变压器套管末屏测量端子连接起来；末屏测量端子串一个小电阻接地；套管电容C和末屏对地电容Cz组成电容分压器，C1＜＜C2，使R1、R2、Rs、都处于低电位，Rogowski线圈与高压套管末屏测量端子连起来构成定向耦合电路；U(1)＝Uc+U1，U(2)＝Uc-U2＝Uc-U1，此时U(1)＞U(2)；若电流I反向，则U(1)＜U(2)；由此比较U(1))和U(2)就可清楚地将局部放电信号和外来电磁干扰区别开来；所述软件的编制内容是首先，计算机将连续采集至少50个工频周期的信号，这些信号分别来自高压套管底座处的大传感器上采样电阻R1、R2上的对地电压U(1)及U(2)，然后，软件将每个工频周期内采集到的信号分割为若干个等时间长度的数据段，数据段的长度可以根据试验及现场情况进行调整，在每个数据段下，来自大传感器的信号先经过周期性干扰及背景噪声干扰的抑制，之后在虚拟脉冲识别仪器中分别得到两路信号相同时间段内电压的伏值，并进行幅值比较；如果U(1)＞U(2)，则认为是干扰信号，去除之；如果U(1)＜U(2)，认为是放电信号，存储数据。
全文摘要
本发明公开了一种大尺径磁芯式电流传感器及定向耦合脉冲极性及幅值鉴别的抗干扰方法，适用于变压器局部放电在线监测系统，它安置在变压器高压出线套管底座法兰处，耦合通过高压出线的局部放电信号。磁芯绕好线圈后，在线圈两端串连高通滤波电容及采样电阻，串联电路的灵敏度要大于并联电路，且对低频信号有很好的滤波作用。用金属制成的半封闭式传感器外壳，耦合高压出线端信号的同时，还可以有效抑制空间电磁干扰，并可防止雨水、灰尘等，提高线圈的抗干扰能力、抗振性。通过定向耦合脉冲极性及幅值鉴别的抗干扰方法，软件可以确认和比较装在套管法兰处和装在套管末屏的大小两个传感器采集到的脉冲的极性或幅值来鉴别局部放电和外来的干扰。
文档编号G01R31/02GK1397806SQ02139320
公开日2003年2月19日 申请日期2002年7月30日 优先权日2002年7月30日
发明者徐阳, 邱昌容, 方琼, 曹晓珑, 卢相国 申请人:西安交通大学
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