局部放电高性能电流传感器的设计

局部放电高性能电流传感器的设计
摘要：局部放电检测，是检验设备绝缘状态的有效试验，以罗氏线圈结构为
核心的电流传感器，能够检测到电缆局部放电微信号，即使是极小的绝缘缺陷也
能够被及时发现，电缆及发电机组绝缘介质等设备的绝缘状态也能够得到动态监测，处于运行状态时可正常获取绝缘老化情况，便于结合其具体情况制定出可行
性的维修策略，提高电缆的安全运行效率。

本文就对局部放电高性能电流传感器
的设计展开研究及讨论。

关键词：局部放电；高性能电流传感器；设计
罗氏线圈具有较高的测量精度，可以实现对电流的准确测量，充分满足精密
测量的需求，适应较宽的电流测量范围，基于较快的响应速度，实时监测电流的
变化。

罗氏线圈是一种被动式传感器，不需要外部电源供应，它通过测量电流产
生的磁场来实现电流的测量，不需要额外的能源消耗，更加节能环保，基于其优
势特点，目前被广泛应用于电力系统的高压侧电流检测及控制中。

基于罗氏线圈
的原理，可建立起对应的高频模型及等效电路，优化调整传感器参数，借助边界
性能优良的滤波器处理信号，可提升传感器的幅频特性，增强电流传感器的性能。

1电流传感器原理
电流传感器是依托于电磁感应信号耦合的线圈，在实际运行中，一次侧初始
信号电流能够流至传感器的几何中心，在初级线圈交流电流的影响及作用下，于
磁芯中形成交流磁通，促使二次侧线圈能够对电流进行正常感应，借助于串接的
负载阻抗，生成高频电流分量。

在应用罗氏线圈开展测量工作的过程中，其几何
中心则成为载流导线穿越的核心，可通过设定线圈的平均半径，在截面上各处磁
通量保持一致的情况下，带入公式，再根据电磁场理论，明确线圈交链磁链与初
级电流的变化关系，根据对应参数及公式，获得单位长度线圈交链的磁链，后续
经过微分处理，可进一步明确感应电动势，构建罗氏线圈等效电路模型，并将过
程中涉及的公式进行联立处理，在拉普拉斯变换后，就能够计算得出高频线圈S
域的传递函数。

在高频信号的作用环境下，杂散电容是较为重要的影响因素，需根据预设指标，分析线圈在对应谐振角频率下的灵敏性，在耦合高频信号阶段，线圈灵敏度
受到自身电感、杂散电容、电阻及外接电阻的共同作用，虽然其复杂性强，却更
易明确输出电压幅值与外接积分电阻等各项关键技术参数之间的关联性，当传感
器磁芯材料、内外径大小及结构形状等要素明确后，就能够调整线圈匝数及外接
积分电阻值，改变电流传感器工作频带及灵敏性。

通过对工作频带及灵敏度进行
综合分析不难发现，将积分电阻增加，灵敏度也会同步提升，线圈的工作频带也
会受到决定性影响。

增多副边线圈匝数，可同步增加响应宽带，影响线圈灵敏度。

基于此，当磁芯外部特性都明确后，线圈内部的特性参数需与之充分匹配，增强
传感器的性能优势，提高实际运行效率。

2局部放电高性能电流传感器的设计要点
2.1参数设定及仿真模拟
电流传感器设计前，应先根据掌握的情况设置初始参数，可直接在相应软件
工具中仿真处理，从中发现在参数变化下出现的传感器特性变化规律，而后要多
次进行仿真对比。

一般情况下，传感器处于相应区间时，能够达到设计的最高灵
敏度，同样是处于适宜的工作频段，可始终维持高标准的灵敏度。

通过分析传感
器模型不难发现，线圈工作频带与灵敏度绕制的匝数、配置的自积分电阻之间都
存在密切联系，针对其不同参数，可直接在仿真软件改变其中一个参数，对线圈
幅频特点的影响规律进行观察及分析，而后获得参数的最佳匹配值。

通过将自积
分电阻值进行调整，可改变线圈幅频特征，虽然在设定标准化的自积分电阻后，
设计的最大灵敏度能够得到优化，线圈工作频带可在下限标准值时达到设计的最
大灵敏度，有效规避频段中的噪声干扰，但是捕捉频率较低段，局部放电信号的
能力却会因此而削弱，处于最大灵敏度位置的工作频带也会小于局部放电信号的
带宽。

如果将自积分值持续增加，削弱原始信号的耦合能力，选择更为适配的自积
分电阻，协调设计最大灵敏度，将下限频率降低，则易在工作频带内增多耦合干
扰信号。

要想将灵敏度及带宽共同提升，就需依照仿真结果，明确传感器灵敏度
及工作频带的最佳适配参数，充分满足局部放电信号的测量要求。

调整绕制匝数，可直接引起线圈幅频特性的变化，而干扰信号大多在1MHz以下，在不合理的工
作频带中，线圈的抗干扰信号能力也会随之下降，需不断调整线圈匝数，以获得
最佳的传感器灵敏度及工作频带，具体可依照仿真结果科学调整其对应参数，明
确匝数、积分电阻及工作频带参数，确保传感器的工作频带相对平坦，能够达到
最大灵敏度。

2.2信号处理电路设计
由于传感器输出的电流信号较小，需要进行放大以增强信号强度，放大电路
的设计要考虑放大倍数、频率响应、噪声等因素，再加之局部放电信号通常伴随
着较高频率的干扰信号，需要设计滤波电路以滤除这些干扰，常用的滤波电路包
括低通滤波器、带通滤波器等。

为了提高传感器的线性度，可以设计线性化电路，将非线性的传感器输出转化为线性的电压或电流信号。

传感器的输出通常需要进
行偏置，使得输出信号在合适的范围内，偏置电路的设计要考虑电源电压、工作
温度等因素。

传感器耦合信号不仅要进行滤波处理，还需明确幅频响应曲线在通
带及阻带临界位置的降落速度，如果其速度低于预设值，难以达到理想状态，则
要将临界处的信噪比提高。

需根据信号处理部分的频带值，设置对应阶数的滤波器，以形成滤波处理作用，例如：频带在0.1-10MHz时，需于前级应用2阶高通
滤波器，通带与阻带临街区间的滚落速度为40db/10倍频程时，后阶则要采用4
阶低通滤波器。

2.3测试
在测试前期，需搭建波形发生器，形成不同频率下的正弦波，再运用高频电
容器分压，基于相同的高频电容明确需求性的电流信号，确保信号能够处于垂直
状态下穿过传感器的几何中心，使用示波器测取经过的电压信号。

为了将线圈互
感增强，促使其抗干扰能力得到显著提升，可采取回绕线的方式，展开测试工作。

一般情况下，电流传感器配备信号处理电路后，其通带普遍平坦，其频率将低于
下限频率部位的曲线降落，而频率高于上限频率处的曲线快速衰减，基于滤波作用，能够将通带及阻带临界位置的信噪比提升，增强传感器耦合能力。

虽然实测传感器可能与仿真幅频曲线存在灵敏度偏差，却也能够确定满足实际需求，在测试中应明确引起偏差的原因，采取措施提前控制，尽可能的缩小偏差值，可对绕组的缠绕技术进行调整，或直接运用屏蔽措施，控制传感器误差。

通过测试可以全面评估局部放电高性能电流传感器的性能和可靠性，以确保其在实际应用中的有效性和精确性。

3结束语
综上所述，通过对高频电流传感器模型进行分析及研究，可根据掌握的数据进行仿真，明确其变化规律、积分电阻与传感器匝数之间最适宜的匹配参数，设计更高性能的电流传感器，由此测量对应频段内的局部放电信号。

增设信号滤波处理电流，可进一步优化传感器幅频特征通带至阻带的边界性能，当电流传感器处于标准工作频带内，不仅灵敏度高，工作频带也更宽，通电曲线波动率低，全面提升其工作性能，以实现最优化的设计目标。

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