《Sensors》：A Sensor Concept for Direction-Selective Monitoring of Partial Discharges in Medium-Voltage Switchgears
Bastian Zimmer,
Frank Jenau,
David Ripka and
Nils Porath
编辑推荐：
为解决传统高频电流变压器（HFCT）在中压电缆全包绕安装时易磁饱和、难辨局放源方向的问题，研究者提出新型磁通集中器传感器（MFCS）概念，其在450 A负载电流下无饱和、检测稳定，并结合HFCT通过极性比对实现了局放源的方向选择性监测，意义重大。
想象一下，你家里的电线或者小区配电房里的那些粗大的电缆，其实每天都在经历一场看不见的“压力测试”。尤其是在全球变暖背景下，各国都在大力发展可再生能源，德国等地的中压（通常10 kV到30 kV）电网里涌入了大量来自光伏面板的电量和连接风机的电缆。电网越来越忙，设备负担越来越重，绝缘性能一旦跟不上，就容易出现问题。
在电力系统中，局部放电（Partial Discharge，简称PD）就像是绝缘件发出的“痛苦呻吟”。它是由于电场强度超过了绝缘介质的耐受强度（比如固体绝缘里有气隙）而产生的局部击穿，虽然还没贯穿整个绝缘，但长期存在会逐步侵蚀设备，最终导致昂贵的故障甚至停电。传统的标准化离线测量方法（如IEC 60270）虽然能量化PD，但成本高、费人力，没法做到实时守护。因此，在线监测成了刚需，而高频电流变压器（High-Frequency Current Transformer，简称HFCT）是这类监测的常客。
不过，老办法遇到了新麻烦。如果想把传感器套在整根中压电缆（而不仅是接地屏蔽层）上以获取更全面的信息，电缆运载的高负荷电流产生的强磁场就会让传统HFCT磁芯瞬间“吃饱”——也就是磁饱和，导致传感器失灵或灵敏度大幅跳水。此外，即便检测到了PD信号，运维人员往往也难以判断这放电到底是来自开关柜内部，还是来自长长的电缆线路某处，就像听到警报却不知道火在哪一头。
正是为了破解“易饱和”和“难定向”这两个痛点，Bastian Zimmer、Frank Jenau、David Ripka 和 Nils Porath 等研究者在《Sensors》期刊上发表了这项研究。他们提出了一种名为磁通集中器传感器（Magnetic Flux Concentrator Sensor，简称MFCS）的新型电感式传感器概念，并基于此开发了一套方向选择性PD监测方法。该传感器采用特殊的半环形磁芯几何结构，在几MHz频段内保持高灵敏度，同时具备优异的抗饱和特性；再结合传统的HFCT，通过比对两者检测到的PD脉冲极性，成功实现了对PD源方向的判别。
主要关键技术方法
研究主要采用实验验证法。传感器原型制作方面，选用锰锌（Mn-Zn）铁氧体材料，制作了带有不同空气间隙（0 mm至3.25 mm）的HFCT和半环形磁芯的MFCS，均绕制4匝次级线圈以保证可比性。实验搭建了两套中压（12/20 kV）电缆实验室平台：设置A为闭合电缆环路，可加载最高450 A的50 Hz负载电流，用于测试传感器在真实工况下的PD灵敏度和饱和特性（采用总谐波失真THD分析）；设置B为单根电缆线路（10 m至68 m可变），用于验证方向选择性检测算法。信号处理上，分别采用了基于原始信号阈值的“标准算法”和基于希尔伯特变换（Hilbert Transform）及复包络峰值检测的“希尔伯特算法”来判定PD脉冲首半波极性。
3. 结果
3.1. 与HFCT相比，MFCS的灵敏度
在负载电流为450 A时，MFCS的PD检测灵敏度几乎是带有最大3.25 mm气隙的HFCT的两倍；而无负载电流时，MFCS的灵敏度虽约有40%的下降，但统计上并不显著。关键在于，MFCS在有/无450 A负载电流时的灵敏度变化极小，而HFCT则会因饱和大幅衰减。这表明MFCS能实现不依赖于负载电流的稳定PD检测，非常适合用于趋势分析。
3.2. 与HFCT相比，MFCS的饱和行为
通过分析次级输出电压和总谐波失真（THD），研究发现：在高达450 A的电流下，MFCS的THD始终保持在1%以下，未出现饱和迹象；而即便是带有3.25 mm大尺寸气隙的HFCT，在440 A时THD也已超过5%。这证实了MFCS独特的半环几何结构带来了更高的饱和场强，使其能在全电缆包裹的安装位置下稳定工作。
3.3. 方向选择性PD检测
利用MFCS作为“方向检测器”（套在全电缆上），HFCT作为“极性检测器”（套在接地线上），通过比对两者感应的电压极性来判断PD来源方向。结果显示，基于希尔伯特变换的算法表现稳健：对于开关柜内的PD和10 m内的电缆PD，正确识别率近100%；即便PD源远在68 m外，正确率仍保持在66%以上。而基于原始信号的标准算法在远距离时准确率下降至80%-90%左右。距离越远脉冲衰减和畸变越严重，给极性辨别带来挑战，但该方法总体前景良好。
结论与讨论
这项研究成功提出并验证了MFCS这一新型传感器概念。其核心优势在于非常规的半环形（磁通集中器）磁芯设计，这使得它在中压电缆全包裹安装位置上，既能保持几MHz频段的高灵敏度，又能承受高达450 A的负载电流而不饱和。这种“负载电流无关”的稳定性，是传统HFCT难以兼顾的，对长期PD活动趋势监测意义重大。
更进一步，研究者巧妙利用了MFCS的全电缆安装特性和HFCT的接地线安装特性，通过比对PD脉冲的感应电压极性（结合希尔伯特变换处理振荡脉冲），实现了对PD源是位于开关柜侧还是电缆侧的判别。这解决了在线监测中“知有放电，不知何来”的常见难题。
当然，研究也指出了未来的改进方向：当PD源距离超过50 m后，脉冲信号衰减和失真会导致方向判别正确率下降；此外，基于希尔伯特变换的数据分析虽稳健，但还需结合人工智能（AI）进一步优化高振荡脉冲的极性检测，并通过电网运营商的实际现场测试来完善。总体而言，这项成果为中压配电网的智能状态监测提供了一把更可靠、更具方向感的“新尺子”。
