一种双磁芯测量差分泄漏电流传感器设计方法技术

本发明专利技术涉及一种双磁芯测量差分泄漏电流传感器设计方法，建立双磁芯测量差分泄漏电流传感器磁感应强度幅值模型；以检测磁场的强度和信噪比SNR为优化目标，建立双磁芯测量差分泄漏电流传感器优化模型；确定满足优化目标的所述双磁芯测量差分泄漏电流传感器磁感应强度幅值模型的解，进而获得双磁芯测量差分泄漏电流传感器的内、外磁芯的几何尺寸。本发明专利技术建立了单相绕组进出线差分电流模型，给出了电缆位置、双磁芯尺寸及材料参数、负荷电流、泄漏电流与求解区域内磁感应强度的解析表达式。本发明专利技术方法简单直接，能够给出不同电力设备需求下，基于差分测量方式的双磁芯泄漏电流传感器设计方法。

【技术实现步骤摘要】
一种双磁芯测量差分泄漏电流传感器设计方法
本专利技术电磁测量
，尤其涉及一种双磁芯测量差分泄漏电流传感器设计方法。
技术介绍
电网系统中的大型电力设备绝缘可靠性面临老化失效的挑战，因此在投运后还需安装大量传感器实时监测其运行状态。当设备对地绝缘发生明显老化时，一般会产生毫安级别的泄漏电流。目前，基于差分方式的泄漏电流测量是普遍接受的高信噪比、高准确度的技术。该技术主要应用于测量电力设备的单相对地绝缘泄漏电流，即测量单相绕组进线电缆和出线电缆之间的差电流。当绝缘状态良好时，两根电缆上的传导电流即为负荷电流，两者大小相等方向相反，差电流为0；当绝缘发生老化后，两根电缆上的传导电流之差为泄漏电流。根据安培环路定律，传感器内包含的等效电流矢量和为该泄漏电流。基于此，在该传感器磁芯上可将泄漏电流产生的磁场测量出来。然而，目前广泛应用的泄漏电流传感器通常是单磁芯。该种传感器并不适用于差分测量方式，主要原因是，考虑到两根电缆之间存在绝缘距离，负荷电流产生的合成磁场在磁芯上的空间分布并不均匀，进而影响泄漏电流磁场的检测。对于双磁芯电流传感器，内层磁芯可以很好地过滤掉负荷电流合成磁场的影响，从而提升泄漏电流检测的信噪比。然而，尚未有明确规范的数学推导，给出基于差分测量方式下的传感器尺寸设计方法。换句话说，设计传感器时需考虑到若干实际工程条件，即不同电力设备的电压等级/额定负荷电流、进出线电缆尺寸、泄漏电流量级等因素存在差异性目前，磁场解析计算是基于单根电缆穿过单个圆形磁芯，尚未涉及存在相对位置的双根电缆穿过两个同心双圆磁芯的领域。尚未有技术方案给出基于差分测量方式下的同心双圆磁芯内磁场分布解析算法，尚未有技术方法给出不同设备用泄漏电流传感器设计指导方法，尚未确立电流激励、几何尺寸、磁芯材料参数与磁环内部磁场的联系。
技术实现思路
考虑到不同电力设备的电压等级/额定负荷电流、进出线电缆尺寸、泄漏电流量级等因素，提出一种双磁芯测量差分泄漏电流传感器设计方法，基于进线、出线电缆对称放置在同心双圆磁芯内的拓扑结构，建立差分测量方式下双磁芯内部磁场解析模型，完全确立电流激励、几何尺寸、磁芯材料参数与磁环内部磁场的数学联系，进而确定电力设备绝缘泄漏电流传感器各部分的尺寸，完成传感器的设计。为达到上述目的，本专利技术提供了一种双磁芯测量差分泄漏电流传感器设计方法，所述双磁芯测量差分泄漏电流传感器包括同轴设置的检测磁芯和过滤磁芯，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；设计流程包括：建立双磁芯测量差分泄漏电流传感器磁感应强度幅值模型；以检测磁场的强度和信噪比SNR为优化目标，建立双磁芯测量差分泄漏电流传感器优化模型；确定满足优化目标的所述双磁芯测量差分泄漏电流传感器磁感应强度幅值模型的解，进而获得双磁芯测量差分泄漏电流传感器的内、外磁芯的几何尺寸。进一步的，差分泄漏电流传感器磁感应强度幅值模型在时域上表述为：其中BⅣr、分别为检测磁芯内同相绕组的进线和出线电缆电流产生的磁感应强度切向分量和法向分量；BⅣ为检测铁芯内部的磁感应强度幅值；I1oad为流通过同相绕组的负荷电流有效值；Idiff为同相绕组对地绝缘泄漏电流有效值；Δθ为负荷电流和泄漏电流的相角差；ω为电力系统工作角频率；t为时间，(r,)为极坐标系下任一所求点的位置坐标；n为表达式中的级数项；kn和ln是参数系数。进一步的，双磁芯测量差分泄漏电流传感器磁场的优化模型为：其中，Thr1为设定的信噪比SNR阈值；Thr2为设定的检测铁芯内磁感应强度阈值；表示I1oad为0、Idiff为设定的泄漏电流最小检测值情况下的检测铁芯内部的磁感应强度幅值。进一步的，进线电缆(4)和出线电缆(5)间的距离2b满足绝缘距离，根据电力设备电压等级确定。进一步的，确定满足优化目标的所述双磁芯测量差分泄漏电流传感器磁感应强度幅值模型的解，包括确定几何尺寸相关的参数kn和ln。进一步的，根据确定的几何尺寸相关的参数kn和ln确定过滤磁芯的内径为2a，外径为2c；检测磁芯的内径为2p，外径为2q。进一步的，确定过滤磁芯的内径为2a，外径为2c；检测磁芯的内径为2p，外径为2q包括：由于kn和ln是a,c,p,q的函数，写为根据优化结果，可以得到具体kn和ln的数值，利用求解a,c,p,q。其中，R1表示内磁芯的厚度，R2表示外磁芯的厚度。进一步的，R1＝10mm,R2＝10mm。本专利技术的上述技术方案具有如下有益的技术效果：(1)本专利技术通过建立物理模型——双磁芯内部穿过同相绕组的进线电缆和出线电缆，给出电缆放置的空间位置、双磁芯尺寸及材料参数、负荷电流、泄漏电流与求解区域内磁感应强度的解析表达式。本专利技术设计方法简单直接，能够给出不同电力设备需求下，基于差分测量方式的双磁芯泄漏电流传感器各部分的尺寸，对不同设备需求的传感器设计具有指导意义。(2)本专利技术通过监测传感器磁芯内磁场的变化，确定电力设备对地绝缘泄漏电流的变化，进而实现对电力设备绝缘状态的实时监测。附图说明图1是基于双磁芯测量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为是基于双磁芯测量的单根线电流磁场分析示意图；图4为对称分布的单相绕组进线和出线电缆线电流产生磁场的解析示意图；图5为传感器设计方法流程图；图6为本专利技术的方法与有限元计算结果对比图。具体实施方式为使本专利技术的目的、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，对本专利技术进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本专利技术的范围。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专利技术的概念。如图1所示，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，为金属壳体，包覆在所述检测磁芯2外部；检测磁芯2和所述过滤磁芯3为同轴圆环，所述过滤磁芯3设置在内部；同相绕组的进线电缆4和出线电缆5穿过所述过滤磁芯3的内部，沿轴线对称设置；检测磁芯2上设置零磁通检测线圈6以及零磁通补偿线圈7；零磁通检测线圈6内生成与泄漏电流对应的感应电动势，零磁通补偿线圈7上产生与所述零磁通检测线圈6上大小相等方向相反的感应电动势，使得检测磁芯2处于零磁通状态；有源调理电路8对零磁通检测线圈6产生的感应电动势进行信号处理后输出。检测磁芯2和所述过滤磁芯3均为闭合磁芯，材质为坡莫合金材质。零磁通检测线圈6及零磁通补偿线圈7为双股并绕的线圈，匝数相等。采用空间对称分布的线电流模拟单相绕组的进线和出线电缆电流：将进线模型简化为该相绕组进线垂直于求解平面穿过，内部传导电流等于负荷电流加绝缘泄漏电流，方向垂直于本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双磁芯测量差分泄漏电流传感器设计方法，所述双磁芯测量差分泄漏电流传感器包括同轴设置的检测磁芯(2)和过滤磁芯(3)，过滤磁芯(3)设置在内部；同相绕组的进线电缆(4)和出线电缆(5)穿过所述过滤磁芯(3)的内部，沿轴线对称设置；其特征在于，设计流程包括：/n建立双磁芯测量差分泄漏电流传感器磁感应强度幅值模型；/n以检测磁场的强度和信噪比SNR为优化目标，建立双磁芯测量差分泄漏电流传感器优化模型；/n确定满足优化目标的所述双磁芯测量差分泄漏电流传感器磁感应强度幅值模型的解，进而获得双磁芯测量差分泄漏电流传感器的内、外磁芯的几何尺寸。/n

【技术特征摘要】
1.一种双磁芯测量差分泄漏电流传感器设计方法，所述双磁芯测量差分泄漏电流传感器包括同轴设置的检测磁芯(2)和过滤磁芯(3)，过滤磁芯(3)设置在内部；同相绕组的进线电缆(4)和出线电缆(5)穿过所述过滤磁芯(3)的内部，沿轴线对称设置；其特征在于，设计流程包括：
建立双磁芯测量差分泄漏电流传感器磁感应强度幅值模型；
以检测磁场的强度和信噪比SNR为优化目标，建立双磁芯测量差分泄漏电流传感器优化模型；
确定满足优化目标的所述双磁芯测量差分泄漏电流传感器磁感应强度幅值模型的解，进而获得双磁芯测量差分泄漏电流传感器的内、外磁芯的几何尺寸。


2.如权利要求1所述的双磁芯测量差分泄漏电流传感器设计方法，其特征在于，差分泄漏电流传感器磁感应强度幅值模型在时域上表述为：






其中BⅣr、分别为检测磁芯内同相绕组的进线和出线电缆电流产生的磁感应强度切向分量和法向分量；BⅣ为检测铁芯内部的磁感应强度幅值；I1oad为流通过同相绕组的负荷电流有效值；Idiff为同相绕组对地绝缘泄漏电流有效值；Δθ为负荷电流和泄漏电流的相角差；ω为电力系统工作角频率；t为时间，为极坐标系下任一所求点的位置坐标；n为表达式中的级数项；kn和ln是参数系数。


3.如权利要求2所述的双磁芯测量差分泄漏电流传感器设计方法，其特征在于双磁芯测量差分泄漏电流传感器磁场的优化模型为：



其...

【专利技术属性】
技术研发人员：张品佳，陆格野，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11