一种基于相位差的电缆三相不平衡电流检测方法

技术领域

本发明属于电流传感领域，涉及一种基于相位差的电缆三相不平衡电流检测方法，用于检测三芯三相电缆不同方位的径向和切向产生磁场信号的相位差，并以此为依据判断三芯三相电缆所通三相电流是否满足三相平衡要求。

背景技术

电流值是电力系统中用于评估电网运行状态的重要监测量，过大的三相不平衡电流会对电网的健康运行造成不利影响。只有在保证三相平衡的情况下，才可将电能运输中的损耗降到最低，实现最低能耗，做到有效节能。目前常用的方法是在变压器中性点接地处利用钳形表进行定点测量，但是此方法需要现场检测，无法实时显示电缆相关情况，在电缆出现问题时，无法及时反馈。而对于基于磁场信号幅值的测量方法，虽然能解决实时性的问题，但是对于幅值的测量来说，传感器的长期运行会产生漂移，导致幅值测量不准，需要定期进行校准工作；基于幅值的磁传感器，当磁场超出幅值测量范围时，会产生饱和失真。故需要一种既能保证实时性又能长期稳定且能有较大测量范围的新型的三相电流平衡状态检测技术。

本发明提出利用对三芯三相电缆不同方位的径向和切向产生磁场信号的相位差进行分析，从而得到三芯三相电缆不同方位的径向和切向磁场信号的相位差的图像，以电缆三相电流平衡所产生的磁场相位差图像为基准，来监测三芯三相电缆的三相电流是否满足平衡的要求，以达到实时监测的目的。同时利用相位差作为三芯三相电缆的监测手段不受传感器输出幅值漂移的影响，能够保证设备的长期运行，因此定期校准的时间周期被大大延长，减少传感器校准工作的工作量；相位差作为监测手段，即使信号强度超出磁传感器的幅值测量范围，进而产生饱和失真，也可以通过两个信号的相位差进行判断。

发明内容

本发明的一个目的就是在不增加设备复杂度的基础上，以三芯三相电缆不同方位的径向和切向产生磁场信号的相位差为判断基准，提出的一种基于相位差的电缆三相不平衡电流检测方法。本发明利用对三芯三相电缆不同方位的径向和切向产生磁场信号的相位差的分析，绘画出三芯三相电缆不同方位的相位差图像，并依此为依据，对三芯三相电缆三相的平衡性作出判别。

本发明的工作机理是：三芯三相电缆(7)在通入三相电后在其四周会产生磁场，磁场的大小和方向不同，因此会导致三芯三相电缆(7)不同方位的径向和切向产生磁场信号的相位差不同，通过矢量磁传感器(8)组成的多个等角度间隔的矢量磁传感器组成的磁传感器阵列(9)对三芯三相电缆(7)轴向绕行一周的各个方位径向和切向相位差的探测，绘制出三芯三相电缆(7)不同方位的相位差图像，在三芯三相电缆(7)中通入不平衡电流和通入平衡电流时，所产生的相位图像有明显差别，因此以平衡时的三相电流所产生的磁场绘制的相位差图像作为判断的依据就能很容易判断出三芯三相电缆(7)的三相电流是否平衡。

一种基于相位差的电缆三相不平衡电流检测方法，所述方法基于以下三芯三相电缆电流检测装置，所述三芯三相电缆电流检测装置包括磁传感系统(1)、相位检测系统(2)；磁传感系统(1)、相位检测系统(2)依次通过导线相连接。

所述的磁传感系统(1)包括由若干矢量磁传感器(7)组成的磁传感器阵列(8)，用于获取三芯三相电缆(6)产生的磁场；所述三芯三相电缆(6)包括A芯(3)、B芯(4)、C芯(5)；当三芯三相电缆(6)的A芯(3)、B芯(4)、C芯(5)存在三相电流时，由磁传感器阵列(8)获取三芯三相电缆(6)不同方位的径向和切向由A芯(3)、B芯(4)、C芯(5)产生的磁场。

作为优选，所述的磁传感系统(1)包括n个矢量磁传感器(7)；n个矢量磁传感器(7)等间距分布在以所述三芯三相电缆(6)三芯的中心点为圆心，半径为R的圆周上，即每个矢量磁传感器(7)距离三芯三相电缆(6)轴芯距离相同；其中R≥d，d表示所述三芯三相电缆(6)的外直径的1/2；n＝360/θ且为整数，θ表示相邻两个采样点间的圆心角；

作为优选，所述的磁传感系统(1)包括1个矢量磁传感器(7)、圆环型轨道、电机；所述圆环型轨道位于所述三芯三相电缆(6)的外周，其圆心与所述三芯三相电缆(6)三芯的中心点重合；所述矢量磁传感器(7)与所述圆环型轨道内侧滑动连接；所述电机驱动所述矢量磁传感器(7)沿着所述圆环型轨道内侧滑动；所述圆环型轨道的半径R≥d，d表示所述三芯三相电缆(6)的外直径的1/2；

所述的相位检测系统(2)包括矢量磁传感器信号接收装置(9)、矢量磁传感器信号处理装置(10)；所述磁传感器阵列(8)获取的信号由矢量磁传感器信号接收装置(9)读取，所述矢量磁传感器信号处理装置(10)对所述矢量磁传感器信号接收装置(9)获取的不同方位的径向和切向磁场相位差进行绘制图像。

所述基于相位差的电缆三相不平衡电流检测方法，具体包括以下步骤：

步骤(1)、搭建测试平台：

1-1选择三芯三相电缆(6)上合适位置安装能够检测不同方位的径向和切向磁场的磁传感器阵列(8)；

1-2开启矢量磁传感器信号接收装置(10)，接收磁传感器阵列(8)采集的三芯三相电缆(6)不同方位的径向和切向磁场信号，并计算不同方位的径向和切向磁场的相位差。

步骤(2)、确定三芯三相电缆(6)的三芯校准位置：

2-1只通三芯三相电缆(6)中A芯(3)的电流，B芯(4)、C芯(5)不通电流，通过磁传感器阵列(8)接收到的磁场磁感应强度，找到磁感应强度最大的位置作为三芯三相电缆(6)中A芯(3)的校准位置；

2-2只通三芯三相电缆(6)中B芯(4)的电流，A芯(3)、C芯(5)不通电流，通过磁传感器阵列(8)接收到的磁场磁感应强度，找到磁感应强度最大的位置作为三芯三相电缆(6)中B芯(4)的校准位置；

2-3只通三芯三相电缆(6)中C芯(5)的电流，A芯(3)、B芯(4)不通电流，通过磁传感器阵列(8)接收到的磁场磁感应强度，找到磁感应强度最大的位置作为三芯三相电缆(6)中C芯(5)的校准位置；

步骤(3)、构建以磁场采样点位置为横坐标，以相位差为纵坐标的标准图像；

3-1调节三芯三相电缆(6)中A芯(3)、B芯(4)、C芯(5)的电流，使得三相电流平衡；

3-2由磁传感器阵列(8)获取不同方位的径向和切向磁场，并传入矢量磁传感器信号接收装置(9)；

3-3矢量磁传感器信号接收装置(9)获取三芯三相电缆(6)不同方位的径向和切向磁场的相位差；

3-4矢量磁传感器信号接收装置(10)以磁场采样点位置为横坐标，其中以步骤(2)确定的三芯三相电缆(6)三个校准位置任选一个作为初始位置，以相位差为纵坐标绘制标准图像S

步骤(4)、实时检测三芯三相电缆(6)的三相电流平衡情况：

4-1：在不改变上述步骤(1)搭建的平台和上述步骤(2)三芯三相电缆(6)校准位置的情况下，磁传感器阵列(8)实时获取三芯三相电缆(6)不同方位的径向和切向磁场，矢量磁传感器信号接收装置(9)根据磁传感器阵列(8)获取的磁场信号计算三芯三相电缆(6)不同方位的径向和切向磁场的相位差，然后矢量磁传感器信号接收装置(10)绘制实时图像S

4-2：将实时图像S

作为优选，三芯三相电缆(7)的每个方位径向和切向的磁场分别为B

其中A

由三芯三相电缆(7)的A芯(3)、B芯(4)、C芯(5)电流产生的磁场合并，可得B

其中A

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故相位差

本方法的有益效果是：

一、以相位差为标准，相比于以磁场强度为标准，能够减少校准的工作量，保证传感器长时间稳定工作。

二、能够满足电缆检测对实时性的要求，实时检测电缆状况。

三、相比于以磁场强度为标准，本发明提出以相位差为标准，能够大大提高了磁传感器对三相不平衡电流的检测范围。

附图说明

图1为本方法的流程示意图；

图2为本方法的详细流程示意图；

图3为本方法是根据有限源分析方法计算出的结果图；其中a为只一相电流减小时根据有限源分析方法计算出的结果与三相平衡时有限源分析方法计算出的结果的对比图，b为只一相电流增大时根据有限源分析方法计算出的结果与三相平衡时有限源分析方法计算出的结果的对比图；

图4为本方法在实际实验的结果图；其中a为只一相电流减小时根据实际实验结果与三相平衡时实际实验结果的对比图，其中b为只一相电流增大时根据实际实验结果与三相平衡时实际实验结果的对比图；

图5为本方法在通入不同三相平衡电流时的径向和切向的磁场图；其中a为三相缆三相都通入2A电流时的径向和切向的磁场图，b为三相缆三相都通入13A电流时的径向和切向的磁场图，c为三相缆三相都通入30A电流时的径向和切向的磁场图。

具体实施方式

下面结合附图对本方法做进一步的分析。

如图1所示，三芯三相电缆电流检测装置包括磁传感系统1、相位检测系统2；磁传感系统1、相位检测系统2依次通过导线相连接。

如图2所示，所述的磁传感系统1包括电缆三相的A芯3、电缆三相的B芯4、电缆三相的C芯5、三芯三相电缆6、矢量磁传感器7、多个等角度间隔的矢量磁传感器组成的磁传感器阵列8；当电缆三相的A芯3、电缆三相的B芯4、电缆三相的C芯5存在三相电流时，由矢量磁传感器7组成的多个等角度间隔的矢量磁传感器组成的磁传感器阵列8获取三芯三相电缆6不同方位的径向和切向由电缆三相的A芯3、电缆三相的B芯4、电缆三相的C芯5产生的磁场。

所述的相位检测系统2包括矢量磁传感器信号接收装置9，矢量磁传感器信号处理装置10；由矢量磁传感器7组成的多个等角度间隔的矢量磁传感器组成的磁传感器阵列8获取信号由矢量磁传感器信号接收装置9读取，获取三芯三相电缆6不同方位的径向和切向磁场的相位差，由矢量磁传感器信号处理装置10对相位差进行处理。

实际例中的矢量磁传感器7使用的是磁通门传感器，而多个等角度间隔的矢量磁传感器组成的磁传感器阵列8分布在以所述三芯三相电缆(6)三芯的中心点为圆心，半径为R的圆周上，即每个矢量磁传感器(7)距离三芯三相电缆(6)轴芯距离相同；其中R为所述三芯三相电缆(6)的外直径的1/2；相邻两个采样点间的圆心角为5度。

本实施例所述的磁传感系统(1)包括1个矢量磁传感器(7)、圆环型轨道、电机；所述圆环型轨道位于所述三芯三相电缆(6)的外周，其圆心与所述三芯三相电缆(6)三芯的中心点重合；所述矢量磁传感器(7)与所述圆环型轨道内侧滑动连接；所述电机驱动所述矢量磁传感器(7)沿着所述圆环型轨道内侧滑动；所述圆环型轨道的半径R为所述三芯三相电缆(6)的外直径的1/2。按照如图2所示的位置，通过一个磁通门传感器对三芯三相电缆6每隔5度为一个采样点，采集数据。以此来等效于多个等角度间隔的矢量磁传感器组成的磁传感器阵列8。矢量磁传感器信号接收装置9采用的是示波器，通过通入示波器的磁通门传感器的三芯三相电缆6不同方位的径向和切向磁场信号，直接读取两个信号的相位差；矢量磁传感器信号处理装置10是由人工收集三芯三相电缆6各个方位的相位差，绘制总的相位差的图像。

在实验过程中，在三芯三相电缆6上加一个以5度为标尺的圆环型轨道，将矢量磁传感器7固定在圆环型轨道之上，采样点位置与三芯三相电缆6相切。检验出的信号通入矢量磁传感器信号接收装置9。只给电缆三相的A芯3通电，矢量磁传感器信号接收装置9显示的不同采样点幅值，找到幅值最大位置为电缆三相的A芯3的正上方位置，以同样方法找到电缆三相的B芯4、电缆三相的C芯5正上方的位置，作为三个校准位置。记录以电缆三相的A芯3的校准位置为初始点，给电缆三相的A芯3、电缆三相的B芯4、电缆三相的C芯5通入20A的电流，从初始点开始，以每5度为一个采样点由矢量磁传感器信号接收装置10采样，记录各个采样点的相位差，绘制出以初始点开始各点位置为横坐标，以相位差为纵坐标的图像，以同样的方法收集只改变电缆三相的B芯5的电流值为22A、21A、19A、18A的电流的图像进行对比实验。

如图3所示，该图是使用有限源分析方法计算出的结果。

如图4所示，该图为实际测量的结果。

通过两张图可以看出，当三相不平衡时的相位图和三相平衡时的相位图有明显区别，因此利用相位差来检测电缆三相平衡的方法是可行的。

如图5所示，本发明在通入不同三相平衡电流时的径向和切向的磁场图中可以看出当通入电流到达30A超过磁传感器幅度测量的范围时，产生饱和失真时，其相位差的测量结果依然与未超过磁传感器幅度测量的范围时一致，充分证明使用相位差作为检测标准可以大大提高磁传感器对三相不平衡电流的检测范围。