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基于聚磁環結構的電流傳感器

　　　　隨著各種新技術的興起，物聯網、大數據等技術與工業的結合，工業領域的大數據環境正在逐漸形成，數據從生產、制造過程中的副產品轉變為備受企業關注的戰略資源。電力行業作為國家基礎性能源設施以及電能生產、傳輸的特殊性，決定了電力行業對大數據的需求將大大超越其他基礎能源行業。電力行業中的數據種類復雜，如節點電壓、電流、功率因數、設備的溫度等，這些數據對電網的運行與合理規劃十分關鍵。而作為采集、轉換、處理電力數據信息的重要器件——傳感器，已經成為電力領域中不可缺少的重要技術工具。傳感技術作為現代科技的前沿技術，與計算機技術、通信技術被認為是現代信息技術的三大技術支柱，也成為21世紀人類爭奪高科技技術的制高點。然而，相對于另外兩大技術，傳感技術的發展卻比較滯后，造成了“大腦發達，五官不靈”的局面；同時各行業對傳感器技術和產品的需求不斷提升，高效、穩定、適應性強的新型傳感技術成為產業發展的迫切需要。
　　電力系統中需要測量的電流種類非常多，電力系統中常見電流的幅值和頻率，電力系統中電流類型包括：輸電線路正常工作的線路電流，非正常狀態下的短路電流、電暈電流、雷電電流、諧波電流，電氣設備泄露電流等，電流幅值范圍從?A級別到kA級別不等，頻率范圍涵蓋直流到 MHz級別。根據電流幅值的大小，可將電力系統中的電流測量需求分為中小電流、正常工作電流、暫態電流三類。中小電流主要包括諧波電流、電氣設備的泄露電流，其特點是幅值和頻率較小，持續時間長；正常工作電流包括交、直流輸電線路，配電系統正常工作的電流，其特點是幅值適中，持續時間長；暫態電流的特點是幅值大，持續時間短，頻率很高，如短路電流、雷電電流等。

　　　　目前，應用在電力系統的電流傳感器主要有：電流互感器、羅氏線圈、分流器、光纖電流互感器、磁通門電流傳感器、霍爾電流傳感器、巨磁阻電流傳感器等，這些傳感器主要基于以下物理原理：電磁感應定律、歐姆定律、法拉第效應和磁場傳感器。下表為上述電流傳感器的性能特性對照表。

　　與傳統電流互感器相比，基于TMR效應的電流傳感器具有能夠測量直流到高頻（MHz 量級）的電流信號，測量范圍寬，靈敏度高和體積小等優點，尤其是TMR電流傳感器能夠測量直流電流，這對于直流輸電系統中換流站中直流的監測極為有利；與霍爾電流傳感器相比，其體積較小，靈敏度高，且具有更好的溫度穩定性，能夠適應電網環境溫度的劇烈變化；與新型光纖電流傳感器、羅氏線圈、磁通門電流傳感器相比，其結構簡單、制造簡便且造價低廉，便于大規模推廣使用。
　　1基本原理
　　1.1TMR電流傳感器基本原理
　　TMR電流傳感器的測量原理如下圖所示。當導體內部流過電流I時，根據右手螺旋定則，導線周圍將產生螺旋線狀的磁場，磁場大小正比于導體內部電流大小，將TMR芯片固定在導體周圍某處，并使導線產生的磁場方向與TMR芯片的敏感軸方向保持平行，以獲得最大輸出電壓。當導體內部電流大小改變時，周圍磁場大小隨之發生變化，TMR芯片內部磁電阻也相應發生變化，由于芯片內部使用電橋結構，磁場的變化被轉換為對應的輸出電壓信號，因此當保持導體和TMR芯片的相對位置不變時，可根據TMR芯片的輸出電壓間接反映導體內部的電流，以達到電流測量的目的。

　　1.1閉環型TMR電流傳感器原理
　　閉環TMR電流傳感器的具體工作原理如下圖所示，Ip為初級電流，即待測電流，初級圈匝數為N1，N1通常為 1；Is為反饋電流，反饋線圈匝數為N2。Ip在聚磁環內部產生的磁通量是Φp，Is產生的磁通量是 Φs。初級電流產生的磁場作用于TMR芯片，將產生輸出電壓信號，輸出電壓由運算放大器放大，并經過功率放大器，得到反饋電流 Is，Rm為反饋電阻，反饋線圈通過 Rm 連接到地。當反饋電流Is在反饋線圈中流動時，可以產生反饋磁場。因為反饋磁場的方向與初級磁場相反，TMR芯片的輸出電壓和反饋電流 Is 將逐漸減小，直至初級磁場與反饋磁場相等。此時，反饋電流 Is 停止下降，整個系統達到動態平衡，即零通量狀態。因此，Ip和Is之間的關系可以表達為：

　　當待測電流發生變化時，平衡狀態被打破，TMR芯片會產生相應的輸出電壓，輸出電壓被放大后產生相應的反饋電流以補償不平衡磁場，從而重現達到平衡狀態。因為實現平衡所需的時間不足1?s，因此閉環結構具有很高的響應速度。通過檢測反饋回路中反饋電阻 Rm 上的電壓值，可以間接反映出待測電流的大小。閉環結構的TMR電流傳感器中，補償電流 Is 是待測電流Ip的精確映射，具有非常高的精度和良好的線性度，其響應時間非常短，可以測量不規則的電流。同時，由于其負反饋環節的存在，可以在一定程度上抵消溫度變化帶來的誤差。當溫度升高時，TMR芯片的輸出電壓減小，反饋電路產生的補償電流相應減小，待測電流Ip產生的磁場與補償電流 Is 產生的磁場的差值增加，導致TMR芯片的輸出電壓增加，從而抵消溫度變化產生的誤差。
　　1.1聚磁環仿真分析
　　聚磁環結構可以聚集載流導線產生的磁場，提高TMR電流傳感器的靈敏度，聚磁環結構如下圖所示。引入聚磁環結構的TMR電流傳感器的靈敏度與聚磁環的結構和材料有關，如聚磁環內半徑 r、聚磁環寬度 rd，即 R-r、聚磁環氣隙寬度 d、聚磁環相對磁導率 ? 等因素有關，因此分別對每一個因素進行分析討論。
　　采用仿真的方法分別進行分析。建立如下圖所示的模型，導線的半徑為 5mm，設定其他參數的初始設定值分別為：聚磁環的內半徑 r 為 10mm，寬度 rd 的初始值為 2mm，聚磁環氣隙寬度 d為 2mm，聚磁環的相對磁導率 ? 設定為 1000。分別對每一個參數進行參數化掃描，分析其對TMR電流傳感器的測量影響。

　　聚磁環結構TMR電流傳感器的靈敏度主要與聚磁環相對磁導率 ?、聚磁環氣隙寬度 d 有關，而聚磁環內半徑 r、聚磁環寬度 rd 對TMR電流傳感器靈敏度的影響不大。
　　1.4屏蔽結構仿真分析
　　TMR電流傳感器是通過測量通電導體產生的磁場來間接反映待測電流的大小，對磁場具有高靈敏度，因此也容易受到雜散磁場的干擾，在實際使用中，TMR電流傳感器的應用環境復雜，來自周圍環境的雜散磁場會對電流測量結果產生一定的誤差。聚磁環結構可以起到一定的屏蔽雜散磁場的作用。為增加屏蔽殼結構后，XY 平面的磁場分布情況，可以看出，由于磁屏蔽殼結構的完整性，為雜散磁場提供了磁通路，空間中的雜散磁場一部分沿著屏蔽殼穿過，此時氣隙中心處磁通密度為0.1429mT，屏蔽殼的屏蔽效能為 16.9dB，具有更優的屏蔽效能。

　　2電流傳感器結構設計方案
　　TMR電流傳感器的硬件原理框圖如下圖所示，由電源、信號放大、濾波電路、偏置調零電路、溫度補償電路、功率放大電路、反饋線圈等組成。

　　2.1 電源模塊
　　TMR電流傳感器采用12V 鋰電池為整個電路供電，其容量大，安全可靠，能為電路提供穩定的電能來源。由于電路中使用運算放大器對雙極性信號進行放大，需使用雙極性電源，同時TMR芯片的工作電壓為 1~7V，TMR芯片供電電壓設定為+5V，所以需對 12V 輸入電壓進行轉換，其整體方案如圖下圖所示。

　　2.2 放大模塊
　　設計兩級放大電路，即前級信號放大電路和次級信號放大電路。TMR芯片輸出電壓為 mV量級，設計兩級信號放大電路既保證較高的電壓放大倍數，同時不影響電路性能；設計截止頻率為1MHz二階低通濾波器抑制高頻噪聲。

　　2.2 閉環反饋模塊
　　閉環反饋電路即負反饋環節。由于運放的輸出信號不能直接驅動反饋線圈，所以需設計功率放大部分，將運放的輸出電壓進行功率放大后，驅動反饋線圈，從而在反饋電阻上獲取電壓信號，閉環反饋電路如下圖所示。

　　3電流傳感器性能測試
　　3.1  電流范圍測試
　　交流測試平臺的原理圖，使用的測試設備包括閉環TMR電流傳感器，Agilent 33220A函數發生器，YE5872A 功率放大器、Tektronix MDO 3012雙通道示波器等。

3.2  誤差水平測試

線性度是電流傳感器的重要靜態指標之一，其定義為：傳感器測量的曲線與擬合直線間的最大偏差（ΔYmax）與滿量程輸出（Y）的百分比，也稱為“非線性誤差”。電流傳感器的測量曲線與擬合曲線如下圖所示，當電流為 70A 時，最大偏差為0.618A，因此線性度為 0.386%。

　　2.3  頻率響應測試
　　測試閉環TMR電流傳感器的頻率響應特性。閉環TMR電流傳感器的-3dB 帶寬大致為 550kHz。閉環TMR電流傳感器相比于開環結構，引入了負反饋環節，其響應速度更快，具有比開環結構更寬的頻帶范圍，閉環結構的TMR電流傳感器均具有較寬的頻帶范圍，可滿足電力系統中大部分電流的測試需求。

　　4　結語
　　在各種先進技術的沖擊下，傳統電網已不能滿足電力行業建設和運營的要求，智能電網的快速發展，對傳感技術提出了更高的要求。電流作為電力數據最重要的參數之一，電流的精確測量具有十分重要的意義?；谒淼来烹娮栊拈]環電流傳感技術，具有一定的理論意義和實際價值。閉環TMR電流傳感器的靈敏度可以達到20.02 mV/A，額定測量范圍為±120 A,-3 dB帶寬大致可以達到550kHz，測量精度等級為1.0級。