一種基於巨磁阻效應的多量程電流傳感裝置的製作方法

2023-05-30 18:32:04

本發明涉及一種基於巨磁阻效應的多量程電流傳感裝置，屬於電力系統量測技術領域。

背景技術：

電力避雷器是電力系統中非常重要的一種保護裝置，可有效限制電力系統中雷電或操作過電壓，保護電氣設備絕緣，確保電力系統安全穩定運行。在正常情況下，避雷器呈現高阻態，作為絕緣設備運行；而當被保護設備承受過電壓侵入時，避雷器呈現低阻態，使大電流經過避雷器流入大地，從而保證電氣設備免受過電壓損害。對電力避雷器工作狀態的實時監測可以反映避雷器狀態及性能，有效的預防避雷器失效造成的電力系統事故。

表徵電力避雷器狀態的特徵物理量包括全電流、阻性電流、阻性電流基波分量、阻性電流的三次諧波分量等。因此，對電力避雷器各電流的測量可實現對其工作狀態的實時監測。一般而言，在正常工作狀態下，流過電力避雷器的洩漏電流非常小(mA量級)，故對洩漏電流的準確測量要求電流傳感器具有高精度以及足夠的解析度。同時，雷電及操作衝擊電壓造成的通過電力避雷器的洩放電流(kA量級)將造成電力避雷器的劣化，因此也需要準確測量。綜上，應用於電力避雷器狀態監測的電流傳感器必須具備大動態測量範圍、高解析度和精度以及優異的頻響特性，這無疑是電力避雷器在線監測的重點和難點。目前，電力系統中廣泛應用的電流互感器和羅氏線圈通常難以達到上述要求，因此亟待開發一種小型化、低成本、高性能的新型電流傳感器，滿足對電力避雷器狀態在線監測的需求。

巨磁阻效應是一種鐵、鈷、鎳等鐵磁金屬和金屬合金薄膜材料在磁場作用下電阻發生較大變化的物理現象。自1988年被發現以來，巨磁阻效應材料因其高可集成度、高靈敏度、高工作帶寬範圍、小體積、小溫漂等特點在磁記錄、電流傳感等領域得到了廣泛應用。目前，巨磁阻電流傳感器在電力傳輸線路電流測量等領域已有初步應用。

由於巨磁阻對磁場的高靈敏度特性，使其易受外界雜散磁場的影響。因此在其應用過程中，一般採用集磁環結構的傳感頭對電流進行測量。對於常用的鐵氧體磁環，其相對磁導率遠遠大於1，使得集磁環結構的測量相對於無磁環的測量具有諸多優勢。磁環可以降低GMR晶片與被測導線相對位置的敏感性，屏蔽外部電磁幹擾，極大的放大被測電流產生的微弱磁場。傳感器被放在磁環的氣隙中，氣隙中的磁場值基本保持恆定。

目前應用的巨磁阻電流傳感器採用單一磁環，對於不同電流量程的測量，需要通過更換電流傳感器及改變磁環尺寸實現。

但在實際應用中，考慮測量的易操作性，需要實現同一裝置對電力避雷器洩漏電流(mA級)及洩放電流(kA級)同時進行測量的功能。另一方面，在測量洩放電流時，若採用一般的鐵氧體磁環，kA級電流易使磁環材料達到飽和，同時氣隙的磁場值也將超出傳感器的線性範圍，雖然通過增大磁環尺寸可以降低氣隙磁場，但對裝置的合理布置又提出了挑戰。因此目前這種單一鐵氧體磁環在測量電力避雷器6-7個數量級的大電流變換範圍測量中難於滿足在實際應用的需要。

技術實現要素：

本發明的目的是為克服已有技術的不足之處，提出一種基於巨磁阻效應的多量程電流傳感裝置。本發明同時採用兩個同軸磁環對應兩個傳感器以測量不同量程的電流。在測量電力系統避雷器電流方面具有十分廣闊的應用前景。

本發明提出的基於巨磁阻效應的多量程電流傳感裝置，其特徵在於，該裝置包括：基於巨磁阻效應的電流傳感器單元和對應的模擬信號調製電路，以及磁環單元；其中，所述電流傳感器單元：它包括兩個巨磁阻傳感器；用於測量流過電力避雷器的電流，一個為高靈敏度小量程的傳感器，測量正常工作情況下的洩漏電流；另一個為低靈敏度大量程的傳感器，測量過電壓情況下的洩放電流的變化；所述磁環單元由同軸放置的具有不同相對磁導率的鐵氧體小磁環和柔性鐵氧體大磁環構成；所述高靈敏度小量程的傳感器放置在所述鐵氧體小磁環的氣隙中，所述低靈敏度大量程的傳感器放置在所述柔性鐵氧體大磁環的氣隙中；所述模擬信號調製電路由分別與所述兩個巨磁阻傳感器相連的兩個模擬信號調製電路組成。

本發明的技術特點：

本發明利用巨磁阻傳感器本身具有的高精度、高解析度、大動態、高頻響等諸多優勢，同時考慮不同磁性材料的磁導率和磁化曲線的線性範圍，採用兩個同軸磁環，並在每個磁環氣隙中放置對應的傳感器以測量不同量程的電流。在測量洩漏電流(小電流)情況下，採用鐵氧體小磁環及對應的傳感器；在測量洩放電流(大電流)情況下，採用柔性鐵氧體大磁環及對應的傳感器。兩個傳感器經過模擬信號調製電路得到傳感器的差分輸出電壓，實現同一裝置測量多個量程電流的目的。

其有益效果如下：

1.本發明利用巨磁阻效應傳感器高精度、高解析度、大動態、高頻響等特點，應用兩種電流傳感器對流過電力避雷器的洩漏電流(mA級)和洩放電流(kA級)實現精確測量。通過小磁環高磁導率、大磁環低磁導率的設計，使得在測量洩漏電流時，小磁環內磁場達到高靈敏度小量程巨磁阻傳感器的線性測量區域，在測量洩放電流時，大磁環內磁場達到低靈敏度大量程巨磁阻傳感器的線性測量區域。測量電流範圍大，涉及6-7個數量級，有效實現對電力避雷器實時狀態的監測，提高了電網的運行穩定性及絕緣水平。

2.本發明大磁環通過採用柔性鐵氧體材料，具有韌性，適應一定的變形與脹縮，在使用時更為靈活，適合與小磁環的多種結構配合，兩個磁環的氣隙開口方向可根據測量空間進行旋轉調整，選取合適材料的柔性鐵氧體磁環並設計合適的磁環尺寸，在放大被測電流產生磁場的同時有效屏蔽了外界電磁幹擾。

3.本發明通過同軸磁環的設計，實現了採用同一裝置對洩漏電流和洩放電流進行監測的功能，通過模擬信號調製電路對兩路差分電壓實現輸出，根據所測電流的不同選取對應的輸出通道電壓進行分析。

4.本發明通過採用同軸磁環的設計方案，同時計算得到合適的磁環尺寸，使得裝置在應用過程中具有測量準確性高、測量範圍廣、便攜性、易用性、自動化等一系列優點，在測量電力系統避雷器電流方面具有十分廣闊的應用前景。

附圖說明

圖1是本發明的多量程電流傳感裝置示意圖。

圖2是本發明的同軸磁環俯視示意圖。

具體實施方式

本發明提出的基於巨磁阻效應的多量程電流傳感裝置結合附圖及實施例說明如下：

本發明的基於巨磁阻效應的多量程電流傳感裝置組成結構如圖1所示，包括基於巨磁阻效應的電流傳感器單元和對應的模擬信號調製電路，以及磁環單元；各部分具體實施分別說明如下：

(1)基於巨磁阻效應的電流傳感器單元：它包括兩個巨磁阻傳感器；所述的巨磁阻傳感器的功能為測量流過電力避雷器的電流，包括正常工作情況下的洩漏電流以及過電壓情況下的洩放電流的變化。傳感器為惠斯通全電橋(4個巨磁電阻)的結構，採用電壓恆定的電源對電橋進行供電，對應輸出與被測電流成線性關係的差分電壓。

由於測量的洩漏電流與洩放電流間相差6-7個數量級，本發明採用兩款線性傳感器進行電流的測量。其中一個傳感器的實施例採用中國多維科技公司高靈敏度小量程的MMLH45F隧道磁電阻傳感器，用於測量洩漏電流；另一個傳感器的實施例採用中國多維科技公司低靈敏度大量程的TMR501隧道磁電阻傳感器，用於測量洩放電流。

(2)磁環單元：由大小兩個同軸鐵氧體磁環組成。本實施例的鐵氧體小磁環內徑為26mm，外徑為47mm，磁環氣隙為8mm，採用鐵氧體材料製成；所述高靈敏度小量程的隧道磁電阻傳感器位於小磁環氣隙中，鐵氧體小磁環的相對磁導率大於1000，在測量避雷器的洩漏電流時，有效實現測量磁場的放大及外界磁場的屏蔽。所述鐵氧體大磁環內徑為342mm，外徑為358mm，磁環氣隙為60mm，採用柔性鐵氧體材料製成；所述靈敏度大量程的隧道磁電阻傳感器位於柔性鐵氧體大磁環氣隙中，柔性鐵氧體大磁環的相對磁導率在70-100之間，在測量避雷器的短路洩放電流時，有效實現外界磁場的屏蔽。柔性鐵氧體大磁環使用靈活，其氣隙開口方向可與小磁環開口方向根據測量空間進行調整，兩個同軸磁環配合結構示意如圖2所示，其中大小兩個鐵氧體磁環1、2同軸，大小兩個鐵氧體磁環用環氧樹脂材料製作的可拆卸的連接杆件3連成一個整體，外側柔性鐵氧體磁環可自由安裝拆卸，並且與小磁環的相對擺放位置自由，兩個磁環的氣隙開口方向可根據測量空間進行旋轉調整，如圖2(a)所示兩個磁環的氣隙同向，或兩個磁環的氣隙成一角度，如圖2(b)所示。

(3)兩個傳感器對應的兩個模擬信號調製電路：由信號處理單元及電源單元組成，兩個傳感器的輸出信號分別傳輸至對應的模擬信號調製電路中，所述的模擬信號調製電路的功能是為傳感器提供電源並對其輸出電壓進行放大處理，本實施例的兩個傳感器的信號調製電路分別與對應的兩個傳感器位於兩塊獨立的PCB板上，其中兩個信號處理單元均採用帶寬大於30MHz的差分運算放大器AD8044，兩個電源單元分別採用電壓參考源晶片LM7805、LM7905；傳感器位於磁環氣隙中，傳感器對氣隙磁場的響應信號輸出至後端位於同一塊PCB板的信號調製電路，經過調製後的輸出信號被傳輸至外部的信號採集裝置，所述信號採集裝置可以是示波器或採集卡，不屬於本裝置的部件。整塊PCB板根據測量位置進行擺放固定，保證測量過程中磁場傳感器部分位於氣隙中。

本發明裝置的測量方法為：

根據安培環路定律，磁環氣隙中的磁場強度H為：

其中，I為流過電力避雷器的電流，r為磁環半徑，d為磁環氣隙長度，μr為磁環的相對磁導率。

大磁環材料為柔性鐵氧體，其相對磁導率在70-100之間，主要測量電力避雷器的洩放電流(最高達10kA)，採用低靈敏度大量程的TMR501隧道磁電阻傳感器。此時不滿足遠遠小於d的條件，氣隙磁場採用上式進行計算。

小磁環材料為鐵氧體，其相對磁導率大於1000，主要測量電力避雷器的洩漏電流(最低達1mA)，採用高靈敏度小量程的MMLH45F隧道磁電阻傳感器。此時滿足則氣隙磁場計算式簡化為：

在測量過程中，將電力避雷器的接線置於小磁環中並將整個測量裝置擺放固定，兩個同軸磁環中的兩個傳感器的輸出電壓輸出至模擬信號調理電路的輸入端，並最終輸出至外部的信號採集裝置，根據採集裝置的輸出電壓可以得到氣隙中的磁場值，並根據上述兩個公式，分別對大、小磁環對應的洩放測量電流及洩漏電流進行反推，從而實現避雷器電流的測量。考慮到兩種傳感器的靈敏度及測量線性區域，本發明可測的最小的洩漏電流達到1mA，最大的洩放電流達到10kA。兩者相差7個數量級，對電力避雷器運行狀態實現了有效監測。所述測量方法不屬於本發明裝置的內容。

本發明提出的基於巨磁阻效應的多量程電流傳感裝置，通過設置兩個不同磁導率的同軸磁環，實現採用同一裝置對電力避雷器洩漏電流和洩放電流測量的功能。其突出優點在於所測電流範圍大，最小電流及最大電流間可相差7個數量級，對電力避雷器的工作狀態實現有效監測，同時裝置包括柔性部件，在實際操作中易於實現，本發明具有廣闊的應用前景。