用于絕緣子串泄漏電流測量的光纖電流傳感器

鄭會軍，帥定新，陳 洪，肖大帥

（1.攀枝花學(xué)院電氣信息工程學(xué)院，攀枝花617000；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031）

長期以來，高壓輸電線路絕緣子污閃事故嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行［1，2］，而輸電線路絕緣子串上的泄漏電流與污閃有著密切的關(guān)系［3］，因此測量絕緣子串的泄漏電流成為監(jiān)測輸電線路絕緣子串表面污穢狀態(tài)的主要手段之一。目前泄漏電流測量中微電流傳感器應(yīng)用較多［4］，尤其是基于Rogowski線圈基本原理研制的傳感器測量泄漏電流，無論是無芯式的主要用于測量大電流，還是有芯式的主要用于測量微電流的傳感器，一般都無需很高的采樣率和測量帶寬，此類傳感器的特性與測量現(xiàn)場的電磁環(huán)境關(guān)系密切，易受到越來越復(fù)雜的電力設(shè)備結(jié)構(gòu)和無時無刻不在變化的環(huán)境造成的測量以外強(qiáng)電磁影響而引入測量誤差。

由于傳感技術(shù)、電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，采用優(yōu)化電路、濾波和屏蔽等措施來提高抗干擾措施［4］，一些新型簡便的在線監(jiān)測裝置不斷問世。為此利用光纖傳感器的光學(xué)特性受周圍強(qiáng)電磁場的影響極小的特點(diǎn)，將光纖傳感器應(yīng)用于測量線路絕緣子串泄漏 電 流［5］。發(fā) 光 二 極 管 LED（light emitting diode）具有高效節(jié)能、高可靠、長壽命、低維護(hù)、環(huán)保無污等優(yōu)點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，同時，在電路中引入光電耦合技術(shù)不僅大大降低共模干擾的產(chǎn)生，從而達(dá)到降噪的目的，并且光電耦合器件響應(yīng)速度快，無觸點(diǎn)，耐沖擊，壽命長，通常具有毫微妙甚至納秒級的響應(yīng)時間，為使用光纖電流傳感器測量泄漏電流提供了技術(shù)支持。本文基于發(fā)光二極管LED的發(fā)光特性和其抗干擾能力，集傳感和傳導(dǎo)特性研制了一種光纖泄漏電流傳感器裝置，用于測量輸電線路絕緣子串的泄漏電流，可為污閃的預(yù)防提供精確的分析數(shù)據(jù)［6］。

1 采用LED的光纖電流傳感器

本文自制的光纖電流傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，傳感器包括傳感器頭，傳導(dǎo)光纖和探測器模塊部分。傳感器頭中用發(fā)光二極管轉(zhuǎn)換泄漏電流信號，泄漏電流經(jīng)過引導(dǎo)流過并激發(fā)LED發(fā)光，光信號經(jīng)由耦合器進(jìn)入與傳感器頭相連的光纖傳輸至探測模塊進(jìn)行探測，繼而再發(fā)往后級電路放大濾波處理。

圖1 光纖電流傳感器的基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Basic structure of the optical－fiber current sensor

采用的發(fā)光二極管LED的腔面發(fā)射光線方向性極好，它的出射光垂直于器件的表面，有利于光路的耦合布置。將此探頭經(jīng)過深精密加工使LED與光纖FC（ferrule connector）接口密封連耦合。傳導(dǎo)光纖使用多模光纖，該種多模光纖比單模光纖芯徑粗，數(shù)值孔徑大，能從光源耦合更多的光功率。探測器模塊中使用了硅光電二極管探測由傳感器頭轉(zhuǎn)化而來的光信號。為便于取得硅光電二極管測得的弱小電流，模塊中適當(dāng)加入了運(yùn)算放大器，這樣就可將mA甚至是uA級別的泄漏電流放大為易于分辨的大幅值電壓信號。

探頭中發(fā)光二極管LED由泄漏電流驅(qū)動發(fā)光而作為光纖傳感器的光源，LED的兩端反向并聯(lián)一導(dǎo)通二極管D，如圖1中所示。與LED并聯(lián)的二極管不僅能夠防止反向電流過大而損壞發(fā)光二極管，而且導(dǎo)通電路中與LED中流過的極性相反的另外半周波電流，從而保證電路導(dǎo)通。傳感器探頭的探測模塊主要是光電轉(zhuǎn)換器，用于轉(zhuǎn)換探頭傳來的光信號為電信號。信號處理單元分析處理從光電轉(zhuǎn)換器傳來的電信號。

探頭的輸入端接在近地絕緣子的兩端，地端為發(fā)光二極管的低電位。探頭支架為“匚”鉗形套圈形結(jié)構(gòu)，探頭固定在支架上，通過光纖將信號輸送至安裝在線路桿塔上的光電轉(zhuǎn)換器，進(jìn)而由電纜將信號引致桿塔以外的低壓安全處進(jìn)行信號的采集和處理。由于發(fā)光二極管單向?qū)ㄐ院筒⒙?lián)導(dǎo)通二極管的存在，當(dāng)流過LED的泄漏電流恰好為LED的正向?qū)娏鲿r，LED發(fā)光產(chǎn)生信號進(jìn)行傳送，而與LED正向?qū)娏鳂O性相反的另外半周波泄漏電流則是通過并聯(lián)導(dǎo)通二極管D入地，從而使傳感器選擇性的測量與LED正向電流極性相同的泄漏電流某個特定半周波信號，即所謂單向半波光纖電流傳感器，基于這種策略只測量和記錄下每個周期的半周波情況，可以直觀的減少了測量的數(shù)據(jù)量，為后續(xù)的存儲設(shè)備節(jié)約了大量的存儲空間。

2 光纖電流傳感器的輸出特性

2.1 輸出特性分析

由于傳感器中轉(zhuǎn)換器使采用硅光電二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件，因此硅光電二極管SPD（silicon photo dioxide）的輸出特性直接影響傳感器裝置的最終輸出。硅光電二極管對負(fù)載作用時，負(fù)載上的電流IL0為

其中：Ip為硅光電二極管受光輻射后產(chǎn)生的光電流；I0為光電二極管的反向飽和電流；Rs為硅光電二極管的串聯(lián)電阻；Rd是其并聯(lián)電阻；RL是負(fù)載電阻。由上式可知，其輸出的負(fù)載電流與光電流并非線性關(guān)系，負(fù)載電流在短路情況下，由于Rs?Rd，則

當(dāng)二極管的反向飽和電流很小而輸出電流不大時，即IL0Rs?AVT，可得到IL0≈IP，即輸出電流IL0與二極管的光電流IP基本成線性，由此可知應(yīng)選取Rd大、Rs小、I0小的二極管，并要保持負(fù)載輸出為短路工作狀態(tài)。由于負(fù)反饋運(yùn)算放大器的等效輸入阻抗為

其中：A0為負(fù)反饋運(yùn)算放大器的開環(huán)增益；Rf為反饋電阻；Rid為硅光電二極管的內(nèi)阻，一般Rid的數(shù)量級在兆歐以上，A0＞106，因此Rin很小，接近于零歐姆，硅光電二極管測量電流的線性度P為

當(dāng)光電二極管的RS越小Rd越大，I0越小，線性P值越小，即線性越好。當(dāng)負(fù)載短路時RL＝0，且Rs?Rd，則化簡式（4）為

由此可知硅光電二極管與放大器的組合電路使光電二極管在接近短路的狀態(tài)下工作，I0和RS很小可以提高硅光電二極管測量電流的線性度P。而此時其輸出信噪比RS，N為

其中q是電子電量；k是波爾茲曼常數(shù)；T為絕對溫度。對于硅材料，A≈2，VT＝kT／q，△f為工作帶寬，這種光電檢測電路的信噪比RS，N在反饋電阻Rf1?106時隨Rf的增大而明顯增大，在反饋電阻Rf＞106時RS，N隨Rf的增大而上升。

2.2 輸出特性測試

為檢驗LED光纖電流傳感器的輸出特性，利用標(biāo)準(zhǔn)波對傳感器進(jìn)行了標(biāo)定，函數(shù)發(fā)生器采用Tektronix公司的CFG280脈沖發(fā)生器，帶寬為300 MHz，電路中串聯(lián)的電阻為標(biāo)準(zhǔn)無感采樣電阻，使用光纖傳感器測得的方波、正弦、脈沖波形或三角波如圖2所示。

圖2 光纖傳感器測得的信號波形Fig.2 Measured waveforms by the sensors

從圖2中可看出，光纖電流傳感器能夠準(zhǔn)確檢測并如實反映到信號的情況。傳感器對10Hz方波和50Hz工頻正弦波的低頻信號檢測波形都沒有出現(xiàn)畸變，說明傳感器的低頻下限在10Hz以下，而傳感器對10kHz的脈沖信號響應(yīng)迅速，見圖2，說明傳感器的高頻上限在10kHz以上。

經(jīng)過測量，傳感器的高頻上限可以到達(dá)10 kHz左右，由此得到傳感器的幅頻特性，如圖3所示，可知在1～10kHz頻段，傳感器的響應(yīng)比較穩(wěn)定。超過10kHz的信號無法被精確測量，這可能是由于光電二極管和硅光電二極管在采集高頻信號時其光電轉(zhuǎn)化速率有所降低而導(dǎo)致的結(jié)果。

圖3 傳感器的幅頻特性曲線Fig.3 Amplitude－frequency characteristic curve of the sensors

3 光纖電流傳感器的性能測試

3.1 試驗平臺搭建

試驗在人工霧室中進(jìn)行，接線原理如圖4所示。圖中的試驗電源由移圈式調(diào)壓器TDJY－1000／10（短路阻抗8.25%）和試驗變壓器YDJ－900kVA／150kV（短路阻抗8.34%）組成的交流污穢試驗電源。電源額定電壓150kV，額定電流6A，輸入電壓0～10.5kV，輸出電壓0～150 kV，最大短路電流30A。

根據(jù)IEC60507－1991和國際GB／T 4582－2004的要求［7－8］，可以得到滿足交流污穢試驗的電源。試驗電源通過高壓套管引入霧室，試驗電壓通過分壓比為1000：1的電容分壓器連接到示波器，測得試品上試驗當(dāng)前施加的電壓大小。

圖4 試驗接線原理圖Fig.4 Experiment wiring diagram

污穢絕緣子的泄漏電流可以反映絕緣子當(dāng)前的污穢狀態(tài)，對污閃的預(yù)警有著直接的指導(dǎo)作用。

本試驗?zāi)康氖菣z驗基于LED的光纖電流傳感器的實際效果以及測量絕緣子的泄漏電流來反映試驗絕緣子的污穢狀態(tài)，由于泄漏電流在運(yùn)行電壓下一般很小，為此采用了同一濕度（85%）下采集絕緣子串泄漏電流，試品分為四組NO.1～NO.4，每組均由3片XP－160絕緣子片串接，鹽密ESDD分 別 取 為 0.05mg／cm2、0.1mg／cm2、0.15 mg／cm2和0.2mg／cm2，灰密：鹽密 ＝6：1，采用逐漸加壓法監(jiān)測絕緣子串的泄漏電流，試驗使用單向半波光纖電流傳感器。

3.2 泄漏電流波形采集及分析

將電流傳感器按圖4所示的試驗示意圖安裝進(jìn)絕緣子泄漏電流測量系統(tǒng)。

施加的電壓從零逐漸增大，當(dāng)加壓較小時，泄漏電流的幅值也較?。ㄎ布墸?，波形顯示仍然是標(biāo)準(zhǔn)正弦信號，在泄漏電流達(dá)到0.1mA時，傳感器測量值顯示如圖5（a）所示，曲線1、2、3從上到下依次為試驗電壓、采樣電阻所得泄漏電流和傳感器測得的信號波，傳感器測得的信號中沒有負(fù)半波，此時泄漏電流較小，仍然屬于泄漏電流的安全區(qū)范圍（≤50mA）。這也正確的反映了光纖電流傳感器的半波選擇性。

圖5 絕緣子泄漏電流逐漸增大的波形Fig.5 Increasing state of leakage current

隨著施加電壓逐漸增大，泄漏電流開始畸變?yōu)槿切危鐖D5（b）所示，從采樣電阻上可知泄漏電流為2mA，傳感器上也得到相應(yīng)幅值的電壓波形。當(dāng)電壓進(jìn)一步加大時，泄漏電流的幅值為5mA，波形畸變的程度更加明顯，泄漏電路明顯的呈現(xiàn)出三角波形，且有小幅脈沖出現(xiàn)，見圖5（c）。而電壓繼續(xù)加大時，泄漏電流的幅值為25mA，泄漏電流的畸變已經(jīng)相當(dāng)明顯，此時絕緣子偏上已經(jīng)開始出現(xiàn)零星的火花，如圖5（d）所示，可以明顯看到泄漏電流基波上疊加了大幅值脈沖，脈沖幅值可達(dá)到基波峰值的10倍甚至更高。

經(jīng)過實測可知，設(shè)計的傳感器在1～80mA測量范圍的線性度很好，見圖6，其響應(yīng)度為40 mV／mA左右。

圖6 傳感器實測響應(yīng)線性曲線Fig.6 Response linearity of the two sensors

4 結(jié)論

（a）本文以LED作為基礎(chǔ)元件，設(shè)計制作了基于LED的泄漏電流光纖傳感器，用于測量輸電線路絕緣子串的泄漏電流。傳感器可以檢測達(dá)到微安級的絕緣子串泄漏微電流，可以使用單光纖電流傳感器選擇性的測量泄漏電流半波信號。

（b）文中傳感器基于LED的發(fā)光特性和硅光電二極管和放大器組合的高效率轉(zhuǎn)換，將微小電流檢測并轉(zhuǎn)換為適合檢測的信號。

（c）基于LED的光纖電流傳感器有效檢測頻率范圍為1Hz～10kHz，靈敏度為40mV／mA，線性擬合度高，初步說明這種基于LED的光纖電流傳感器可以應(yīng)用于檢測絕緣子串的泄漏電流，有助于輸電線路的污閃預(yù)防。

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