一种电力设备绝缘泄漏电流的双磁芯传感器的制作方法

本发明涉及电流传感器技术领域，尤其涉及一种电力设备绝缘泄漏电流的双磁芯传感器。

背景技术：

电力设备工作环境复杂，安装后需长时间投入运行，有必要实时在线监测这些设备的运行状况。由于电力设备绝缘长期处于强电场、高污染的运行环境中，老化失效引起的贯穿性故障成为引发电网重大停电事故的重要原因之一。工程上，电力设备绝缘老化状态监测方法大多是基于物理化学量，包括声、光、气体、热和超特高频的电磁波信号。这些物理化学量信号是由绝缘材料发生老化后产生的局部放电现象造成的，需要通过特殊的传感器才能将这些信号监测出来。然而，这类基于物理化学量的在线监测方法，往往受到传感器安装侵入性、监测灵敏度不足以及结果解释机理复杂等缺点。

事实上，电力设备的绝缘系统可以视为由若干电阻电容并联的复杂等效电路。绝缘老化将直接造成绝缘等效电路中的电阻分量减小、电容分量增大。对应地，流经绝缘系统的泄漏电流将随着老化缓慢增大。换句话说，绝缘老化造成的直观现象是电力设备的对地泄漏电流增大，泄漏电流是衡量电力设备绝缘状况最简单最直接的指标。然而，准确测量该泄漏电流是具备挑战的。一方面，由于绝缘等效阻抗非常大，泄漏电流幅值很小，高压电力设备(包括大型发电机、输配电变压器、中小型电机等)的泄漏电流大约在几百微安到十几个毫安之间。另一方面，泄漏电流常常淹没在大负荷电流和环境干扰噪声之中，精准提取泄漏电流信息变得非常困难。

目前，工业上有两种模式的泄漏电流传感器，分别是基于零序电流量和差分电流量。基于零序方式的泄漏电流传感器也可以看作是一种监测不平衡电流的传感器。通常，电力设备的三相电缆穿过传感器，流经电缆的总体不平衡电流将被量测出来。然而，所测电流里可能包含了由于系统非对称运行产生的不平衡电流，从而导致微小的泄漏电流无法准确测量。

另一种基于差分方式的泄漏电流传感器能够有效避免系统非对称运行产生的影响，即每相绕组的进线和出线同时穿过该传感器，且传导电流方向相反，泄漏电流即为差分电流。换句话说，当没有泄漏电流时，传感器内的电流矢量和为0；当泄漏电流特征表现出来后，传感器内的电流矢量很大程度上由泄漏电流决定。然而，监测结果仍然还受到负荷电流的影响。这是因为，进线和出线存在一定的绝缘距离，两个反向负荷电流产生的强磁场在空间上并不能完全抵消，使得磁环上的磁场分布不仅仅是由差分泄漏电流决定，同时还包括负荷电流产生的强磁场；此外，一旦进线和出线位置的对称性受到破坏，也会导致检测结果的误差。也就是说，现有的基于差分测量方式的泄漏电流传感器尚未深入考虑负荷电流对泄漏电流测量信噪比的影响，磁场检测方式和传感器结构设计有待进一步选择和优化。

基于上述分析，本领域亟需一种可靠的电力设备用绝缘泄漏电流测量传感器，实现具备负荷波动鲁棒性的高精度、高信噪比的泄漏电流在线监测，实时掌握电力设备在线运行状态，有效降低故障发生率，促进电力系统安全、经济、优质运行。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种电力设备绝缘泄漏电流的双磁芯传感器，实现泄漏电流在线监测，实时掌握电力设备在线运行状态，有效降低故障发生率。

为达到上述目的，本发明提供了一种电力设备绝缘泄漏电流的双磁芯传感器，包括检测磁芯、过滤磁芯、进线电缆、出线电缆、零磁通检测线圈、零磁通补偿线圈以及有源调理电路；

所述检测磁芯和所述过滤磁芯为同轴磁环，所述过滤磁芯设置在内部；

同相绕组的进线电缆和出线电缆穿过所述过滤磁芯的内部，沿轴线对称设置；

所述检测磁芯上设置零磁通检测线圈以及零磁通补偿线圈；所述零磁通检测线圈内生成与泄漏电流对应的感应电动势，所述零磁通补偿线圈上产生与所述零磁通检测线圈上大小相等方向相反的感应电动势，使得所述检测磁芯处于零磁通状态；所述有源调理电路对所述零磁通检测线圈产生的感应电动势进行信号处理后输出。

优选的，所述检测磁芯和所述过滤磁芯均为闭合磁芯，材质为坡莫合金材质。

优选的，所述零磁通检测线圈及零磁通补偿线圈为双股并绕的绞线线圈，匝数相等。

优选的，所述有源调理电路输出的电压大小与所述泄漏电流成正比。

优选的，还包括屏蔽外壳，为金属壳体，包覆在所述检测磁芯外部。

优选的，所述有源调理电路包括一级放大器、直流滤波单元、动态压流转换电路、反相放大器以及二级放大器；

所述零磁通检测线圈上产生感应电动势，经过一级放大器后，进入直流滤波单元，将信号中的直流分量过滤掉后送入动态压流转换电路；

动态压流转换电路包括转换电阻和分流电阻；一级放大器放大后的感应电动势作用在分流电阻上，转换电阻将一级放大器放大后的感应电动势转换为电流信号；当检测铁芯一次侧电流改变时，分流电阻支路实现动态电流调节作用，转换电阻支路电流送入零磁通补偿线圈，实时改变零磁通补偿线圈上的感应电动势；

零磁通补偿线圈上的感应电动势再经过反向放大器与二级放大器，输出的电压信号与待检测的漏电流信号极性相同。

优选的，所述有源调理电路的整体放大倍数au0由下式计算：

au0＝af1*af2*af3/nturns

其中af1为一级放大器的放大倍数，af2为反向放大器的放大倍数，af3为二级放大器的放大倍数，nturns为所述零磁通检测线圈的匝数。

优选的，泄漏电流ileak为：

ileak＝vout/au0

vout为输出电压。

优选的，所述检测磁芯和所述过滤磁芯为同轴方形磁环。

优选的，所述检测磁芯和所述过滤磁芯为同轴圆形磁环。

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)本发明采用单相差分测量方式，相比于基于零序电流检测的方式，避免系统非对称运行产生的不平衡电流对泄漏电流测量的影响。

(2)本发明采用同心双环磁芯结构：相比于单磁芯传感器，由于内层磁芯为过滤层，能够过滤负荷电流的磁场干扰，大幅提高泄漏电流检测的信噪比，且能够减小电缆位置轻微不对称性带来的影响。

(3)本发明的检测层采用闭环铁芯：相比于需要开气隙的基于磁场传感器的检测方式，能够减小震动等工况造成的电流矢量干扰等问题；选择最优的磁场检测位置，绕制零磁通线圈，获得响应速度快、精度高的泄漏电流。

(4)本发明的检测结果不受负荷电流变化影响，无需静态补偿；检测结果不受制造工艺影响，如绕组绕制的不均匀性；基于双股绞线线圈，避免检测线圈和补偿线圈之间的分布杂散参数影响；检测结果不受环境因素变化影响，如温度、湿度变化对线圈参数的影响；当差分电流较大时，铁芯不存在饱和现象，检测结果与差分漏电流在宽量程范围内保证良好的线性度。

(5)本发明采用同心双环方形磁芯相进一步减小外壳的空间尺寸，便于安装固定。

附图说明

图1为双磁芯传感器结构示意图；

图2为有源调理电路组成示意图；

图3为输出信号和输入信号泄漏电流关系示意图；

图4为本发明应用于电力设备单相绝缘泄漏电流测量的接线配置图。

图5为圆形磁环传感器结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

下面结合图1和图2对本发明的技术方做进一步的详细说明。

如图1所示，本发明提出的一种用于电力设备绝缘泄漏电流的双磁芯传感器结构示意图。所提出的传感器包括屏蔽外壳1、检测磁芯2、过滤磁芯3、进线电缆4、出线电缆5、零磁通检测线圈6、零磁通补偿线圈7、有源调理电路8。

屏蔽外壳1：避免运行环境中的外部磁场干扰，金属材质，将其他所有部分包裹在内；

检测磁芯2：泄漏电流产生的磁场在该铁芯中被检测，采用坡莫合金ij85材质，高磁导率的材质保证较强的磁感应强度，闭合磁芯减小漏磁效应、减小整个磁路的磁阻，减小震动等工况造成的电流矢量干扰等问题；

过滤磁芯3：负荷电流产生的空间磁场在该铁芯中大幅衰减，经过过滤后的合成磁场近似可认为等于由泄漏电流产生的磁场，采用坡莫合金ij85材质，高磁导率的材质保证更好的过滤效果，过滤层同时可以减小两根电缆位置方式轻微不对称性带来的影响；

进线电缆4和出线电缆5：为同相绕组的两端电缆，穿过过滤磁芯3，对称放置。电力设备通常是三相绕组，本发明的双磁芯传感器是针对每一相绕组的对地绝缘泄漏电流进行监测。对于同相绕组来说，穿过传感器的进线和出线为同一相绕组，结合图4。

零磁通检测线圈6：选择在进线电缆4和出线电缆5两者放置位置中性线上的检测磁芯2上的位置附近，绕制一定的匝数(nturns)，该匝数选择需要同时考虑绕制线圈宽度、调理电路一级放大器的驱动电压和其输出电压幅值，尽量保证绕制线圈宽度较短、检测线圈端口感应电动势足够驱动一级放大器，同时调理电路输出电压幅值抗噪性良好。不同服务对象下，nturns取值不同。nturns的大小一方面可以决定，供给有源调理电路的驱动电压大小，需要保证足够驱动调理电路的放大器，因此不宜过小；而根据信噪比要求，nturns又不宜过大，否则线圈宽度太大，降低信噪比。因此需要综合上述两点因素，获得的优选值。

零磁通补偿线圈7：选择在进线电缆4和出线电缆5两者放置位置中性线上的检测磁芯2上的位置附近，绕制等于零磁通检测线圈6的匝数。优选的，零磁通检测线圈6和零磁通补偿线圈7采用双股并绕的方式，保证两个线圈之间的杂散参数尽量小。零磁通补偿线圈的nturns与零磁通检测线圈的nturns一致。

有源调理电路8：零磁通检测线圈6和零磁通补偿线圈7需接入该电路，完成检测磁芯2中实时保持在接近零磁通的状态，输出结果不受磁芯材料饱和、线圈参数动态变化的影响。电路参数按照测量工频50hz的绝缘泄漏电流设计，不需要再经过额外的线性度补偿和校正。该电路功耗低、响应速度快、输出信号精度高。

检测磁芯2是坡莫合金材质的闭合磁芯，坡莫合金选用ij85型号的材料，外长p1，内长p2，外宽q1，内宽q2；过滤磁芯3是坡莫合金材质的闭合磁芯，外长a1，内长a2，外宽c1，内宽c2；两个磁芯是同心放置的。同相绕组的进线4、出线5穿过过滤磁芯3的内部，两根电缆对称放置，距磁芯的中心距离为b。根据电力设备的电压等级和绕组进线出线电缆的绝缘距离，确定以上参数。若电气设备绝缘状态良好无泄漏电流，则流经进线4和进线5的负荷电流数值相等且方向相反，在空间上产生的磁场与负荷电流和数值b有关。经过过滤磁芯3后，负荷电流产生的合成空间磁场大幅衰减，在检测磁芯2上的合成磁场近似为0。当电气设备绝缘老化后，出现泄漏电流后，合成的空间磁场在检测磁芯2上即近似等于泄漏电流产生的磁场。双股并绕的线圈由零磁通检测线圈6和零磁通补偿线圈7构成，两者的匝数相等，记作nturns，通过有源调理电路8后产生电压输出信号。

有源调理电路如图2所示，包括一级放大器、直流滤波单元、动态补偿单元、反相放大器以及二级放大器。

所述零磁通检测线圈上产生感应电动势，经过一级放大器放大后，进入直流滤波单元，将信号中的直流分量过滤掉后送入动态压流转换电路。直流滤波单元例如为电容。动态压流转换电路例如为转换电阻和分流电阻。

动态压流转换电路的工作原理是，一级放大器放大后的感应电动势作用在分流电阻上，转换电阻将一级放大器放大后的感应电动势转换为电流信号；当传感器一次侧电流改变时，转换电阻和分流电阻两条支路的电流将发生动态变化；其中，分流电阻支路实现动态电流调节作用，转换电阻支路电流送入零磁通补偿线圈，实时改变零磁通补偿线圈上的感应电动势。

零磁通补偿线圈上的感应电动势再经过反向放大器与二级放大器，输出的电压信号与待检测的漏电流信号极性相同。

有源调理电路的整体放大倍数au0可由下式计算：

au0＝af1*af2*af3/nturns

则泄漏电流ileak可由输出电压vout与整体放大倍数au0计算获得

ileak＝vout/au0

对应地，输出信号vout和被检测信号泄漏电流ileak的关系如图3所示。

在一个实施例中，如图5所示，包括屏蔽外壳2-1、检测磁芯2-2、过滤磁芯2-3、进线电缆2-4、出线电缆2-5、零磁通检测线圈2-6、零磁通补偿线圈2-7以及有源调理电路2-8。检测磁芯2-2和所述过滤磁芯2-3采用同轴圆形磁环。检测磁芯2-2是坡莫合金材质的闭合磁芯，坡莫合金选用ij85型号的材料，内径为p，外径q，过滤磁芯2-3是坡莫合金材质的闭合磁芯，内径为a，外径为c，两个磁芯为同心圆。同相绕组的进线2-4、出线2-5穿过过滤磁芯2-3的内部，两根电缆对称放置，距磁芯的圆心距离为b。

综上所述，本发明采用同心双环闭合磁芯结构，即内层为过滤磁芯，外层为检测磁芯。单相同绕组的进线电缆和出线电缆里的负荷电流产生的空间合成磁场可以被内层磁芯过滤掉。同时，进线电缆和出线电缆放置位置的对称性受到轻微破坏后，内层磁芯可以大大减轻这一影响，保证检测磁芯上磁场分布的均匀性。选择在检测磁芯信噪比最高的位置做磁场检测，即进线电缆4和出线电缆5中性线上位置。利用该位置检测泄漏电流的磁场，则能够最大程度上减小负荷电流产生的空间磁场的影响。双股并绕的线圈实现零磁通检测，输出结果不受磁芯材料饱和、线圈参数动态变化的影响，保证响应速度快、输出信号精度高。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。