一种基于磁传感器的三芯电力电缆相电流检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于磁传感器的三芯电力电缆相电流检测方法，属于电磁测量中 的电流检测技术领域。
【背景技术】
[0002] 三芯电力电缆常应用于35kV以下的输电工程中。三芯电力电缆A、B、C各相芯线之 间，沿周向两两相隔120度做均匀分布，且三相芯线使用共同的屏蔽保护层。为确保城市供 电系统的安全稳定运行，对电力电缆相电流的实时检测意义重大。原则上来说，可以通过实 时检测三芯电力电缆中各相芯线电流的变化，对电缆各相的运行状态进行评估，以保证三 芯电力电缆的正常、可靠运行。但是，对这种三相芯线共用同一屏蔽保护层的三芯电力电 缆，传统技术的基于电磁感应原理的电流检测方法无法被应用，这是因为:在三芯电力电缆 正常工作情况下，其中三相芯线的电流相平衡，对外的等效电流为零，因而穿过该电缆任意 横截面的总磁通量也为零；即，不能在环绕电缆的周向平面即磁感应平面上产生变化的磁 通量，因此，无法以传统的基于电磁感应原理的电流检测方法测量出该电缆各相芯线中的 电流。
[0003] 随着电力电缆在城市供电系统中的大量应用，其运行的安全性越来越受到重视。 为实现对电力电缆运行状态的在线监测，一种较为可靠的方法，是监测电缆在实际运行中 各相芯线电流的变化情况，并基于此，对电力电缆的运行状态进行评估。如上所述，以传统 的基于电磁感应原理的检测方法及测量装置，无法实现对三芯电力电缆各相芯线电流的测 量，且目前已有的电力电缆检测方法和检测装置，也大多是实现间接反映电缆运行特性的 相关参数的测量，如电缆温度测量等。间接测量的结果，虽然也能反映电力电缆是否已存在 缺陷、是否存在即将发生故障的隐患、甚至已发生的故障等，但测量存在延迟，且不能明确 诊断缺陷或故障的位置和类型，存在较大的局限性。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种基于磁传感器的三芯电力电缆相电流检测方法，建立三 芯电力电缆表面周向磁场与该电缆各相芯线电流之间关系的物理数学模型，通过检测三芯 电力电缆表面周向磁场的变化，实现对三芯电力电缆中各相芯线电流的有效检测，解决背 景技术存在的上述问题。
[0005] 本发明的技术方案是： 一种基于磁传感器的三芯电力电缆相电流检测方法，采用三个相差120度的磁传感器， 测量三芯电力电缆表面磁场沿电缆周向的切向分量的大小;三个磁传感器分别与三芯电力 电缆的A、B、C各相的芯线准直;采用解耦算法，由三个磁传感器输出的示值和该三芯电力电 缆周向的几何尺寸，直接得到该三芯电力电缆A、B、C各相芯线中电流的大小和方向。
[0006] 所述三个磁传感器，通过机械结构，沿三芯电力电缆周向互差120度地被固定于该 电缆的外表面，去测量磁场沿三芯电力电缆外表面周向的切向分量;每一个磁传感器固定 在该电缆圆心与相应相芯线中心的连线上;三个磁传感器在三芯电力电缆外表面周向上固 定的位置，与该三芯电力电缆各相芯线的位置相一致。
[0007] 所述采用解耦算法，由三个磁传感器输出的示值和该三芯电力电缆周向的几何尺 寸，直接得到该三芯电力电缆A、B、C各相芯线中电流的大小和方向；采用三个处于各相芯线 中心的线电流源，模拟产生三芯电力电缆表面的磁场分布;根据安培环路定理，确定每个线 电流源在磁传感器位置产生的磁场分布;基于磁传感器处的磁场与线电流源的对应关系， 建立以线电流源大小为未知量、三芯电力电缆表面周向磁场为已知量的方程;基于上述已 知量，也就是三个磁场传感器处沿三芯电力电缆外表面周向的磁场的切向分量，未知量，也 就是三相电流之间的物理联系，建立一个包含三个独立方程的线性方程组;通过求解该线 性方程组，得到三芯电力电缆各相芯线中电流的大小和方向。
[0008] 本发明的有益效果:建立三芯电力电缆表面周向磁场与该电缆各相芯线电流之间 关系的物理数学模型，通过检测三芯电力电缆表面周向磁场的变化，实现对三芯电力电缆 中各相芯线电流的有效检测;解决了以传统感应式电流测量装置无法测量出三芯电力电缆 各相电流的难题，通过在三芯电力电缆表面测量磁场信息来确定电缆中各相电流的大小及 变化，理论上，可基于它实现对三芯电力电缆中各相电流的实时在线检测。
【附图说明】
[0009] 图1为本发明三芯电力电缆结构及各相电流测量原理示意图； 电缆中心为〇43、(：为三相芯线的位置，电缆中心到4、8、(：三相芯线的距离均为^(^、 0B、0C互成120度角；SA、SB、SC为磁传感器的位置，它们到电缆中心0的距离均为R;磁传感器 测量磁场的磁感应强度与电缆外表面周向相切的η方向分量； 图2为本发明有限元仿真计算实例中A、B、C三相电流的输入波形； 图3为本发明实施例中有限元仿真计算所得的SA、SB和SC处的磁感应强度沿η方向的分 量随时间变化的函数； 图4为本发明利用所提出的磁传感器输出的量与各相电流间关系的物理数学模型，计 算复现出的三芯电力电缆各相芯线电流的波形； 图5为本发明三相电流对称平衡条件下，计算实例中SA、SB、SC三点的磁感应强度沿η方 向的分量与相电流幅度之间的线性关系。
【具体实施方式】
[0010]以下结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。
[0011] 一种基于磁传感器的三芯电力电缆相电流检测方法，采用三个相差120度的磁传 感器，测量三芯电力电缆表面磁场沿电缆周向的切向分量的大小；三个磁传感器分别与三 芯电力电缆的A、B、C各相的芯线准直;采用解耦算法，由三个磁传感器输出的示值和该三芯 电力电缆周向的几何尺寸，直接得到该三芯电力电缆A、B、C各相芯线中电流的大小和方向。 [0012]所述三个磁传感器，通过机械结构，沿三芯电力电缆周向互差120度地被固定于该 电缆的外表面，去测量磁场沿三芯电力电缆外表面周向的切向分量;每一个磁传感器固定 在该电缆圆心与相应相芯线中心的连线上;三个磁传感器在三芯电力电缆外表面周向上固 定的位置，与该三芯电力电缆各相芯线的位置相一致。
[0013] 所述采用解耦算法，由三个磁传感器输出的示值和该三芯电力电缆周向的几何尺 寸，直接得到该三芯电力电缆A、B、C各相芯线中电流的大小和方向；采用三个处于各相芯线 中心的线电流源，模拟产生三芯电力电缆表面的磁场分布;根据安培环路定理，确定每个线 电流源在磁传感器位置产生的磁场分布;基于磁传感器处的磁场与线电流源的对应关系， 建立以线电流源大小为未知量、三芯电力电缆表面周向磁场为已知量的方程;基于上述已 知量，也就是三个磁场传感器处沿三芯电力电缆外表面周向的磁场的切向分量，未知量，也 就是三相电流之间的物理联系，建立一个包含三个独立方程的线性方程组;通过求解该线 性方程组，得到三芯电力电缆各相芯线中电流的大小和方向。
[0014] 本发明更【具体实施方式】： 本发明仿真建模所使用的三芯电力电缆的结构如图1所示，电缆中心为〇，A、B、C为三相 芯线的位置，电缆中心到A、B、C三相芯线的距离均