CN106526283A - 一种基于巨磁阻效应的多量程电流传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于巨磁阻效应的多量程电流传感装置，属于电力***量测技术领域。该装置包括：基于巨磁阻效应的电流传感器单元和对应的模拟信号调制电路，以及磁环单元；其中，电流传感器单元一个为高灵敏度小量程的传感器，另一个为低灵敏度大量程的传感器，磁环单元由同轴放置的具有不同相对磁导率的铁氧体小磁环和柔性铁氧体大磁环构成；两个传感器分别放置在所述铁氧体大小磁环的气隙，模拟信号调制电路由分别与两个巨磁阻传感器相连的两个模拟信号调制电路组成。本发明实现同一装置测量多个量程电流的功能。具有测量准确性高、测量范围广、便携性、易用性、自动化等一系列优点，在测量电力***避雷器电流方面具有十分广阔的应用前景。

Description

一种基于巨磁阻效应的多量程电流传感装置

技术领域

本发明涉及一种基于巨磁阻效应的多量程电流传感装置，属于电力***量测技术领域。

背景技术

电力避雷器是电力***中非常重要的一种保护装置，可有效限制电力***中雷电或操作过电压，保护电气设备绝缘，确保电力***安全稳定运行。在正常情况下，避雷器呈现高阻态，作为绝缘设备运行；而当被保护设备承受过电压侵入时，避雷器呈现低阻态，使大电流经过避雷器流入大地，从而保证电气设备免受过电压损害。对电力避雷器工作状态的实时监测可以反映避雷器状态及性能，有效的预防避雷器失效造成的电力***事故。

表征电力避雷器状态的特征物理量包括全电流、阻性电流、阻性电流基波分量、阻性电流的三次谐波分量等。因此，对电力避雷器各电流的测量可实现对其工作状态的实时监测。一般而言，在正常工作状态下，流过电力避雷器的泄漏电流非常小(mA量级)，故对泄漏电流的准确测量要求电流传感器具有高精度以及足够的分辨率。同时，雷电及操作冲击电压造成的通过电力避雷器的泄放电流(kA量级)将造成电力避雷器的劣化，因此也需要准确测量。综上，应用于电力避雷器状态监测的电流传感器必须具备大动态测量范围、高分辨率和精度以及优异的频响特性，这无疑是电力避雷器在线监测的重点和难点。目前，电力***中广泛应用的电流互感器和罗氏线圈通常难以达到上述要求，因此亟待开发一种小型化、低成本、高性能的新型电流传感器，满足对电力避雷器状态在线监测的需求。

巨磁阻效应是一种铁、钴、镍等铁磁金属和金属合金薄膜材料在磁场作用下电阻发生较大变化的物理现象。自1988年被发现以来，巨磁阻效应材料因其高可集成度、高灵敏度、高工作带宽范围、小体积、小温漂等特点在磁记录、电流传感等领域得到了广泛应用。目前，巨磁阻电流传感器在电力传输线路电流测量等领域已有初步应用。

由于巨磁阻对磁场的高灵敏度特性，使其易受外界杂散磁场的影响。因此在其应用过程中，一般采用集磁环结构的传感头对电流进行测量。对于常用的铁氧体磁环，其相对磁导率远远大于1，使得集磁环结构的测量相对于无磁环的测量具有诸多优势。磁环可以降低GMR芯片与被测导线相对位置的敏感性，屏蔽外部电磁干扰，极大的放大被测电流产生的微弱磁场。传感器被放在磁环的气隙中，气隙中的磁场值基本保持恒定。

目前应用的巨磁阻电流传感器采用单一磁环，对于不同电流量程的测量，需要通过更换电流传感器及改变磁环尺寸实现。

但在实际应用中，考虑测量的易操作性，需要实现同一装置对电力避雷器泄漏电流(mA级)及泄放电流(kA级)同时进行测量的功能。另一方面，在测量泄放电流时，若采用一般的铁氧体磁环，kA级电流易使磁环材料达到饱和，同时气隙的磁场值也将超出传感器的线性范围，虽然通过增大磁环尺寸可以降低气隙磁场，但对装置的合理布置又提出了挑战。因此目前这种单一铁氧体磁环在测量电力避雷器6-7个数量级的大电流变换范围测量中难于满足在实际应用的需要。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于巨磁阻效应的多量程电流传感装置。本发明同时采用两个同轴磁环对应两个传感器以测量不同量程的电流。在测量电力***避雷器电流方面具有十分广阔的应用前景。

本发明提出的基于巨磁阻效应的多量程电流传感装置，其特征在于，该装置包括：基于巨磁阻效应的电流传感器单元和对应的模拟信号调制电路，以及磁环单元；其中，所述电流传感器单元：它包括两个巨磁阻传感器；用于测量流过电力避雷器的电流，一个为高灵敏度小量程的传感器，测量正常工作情况下的泄漏电流；另一个为低灵敏度大量程的传感器，测量过电压情况下的泄放电流的变化；所述磁环单元由同轴放置的具有不同相对磁导率的铁氧体小磁环和柔性铁氧体大磁环构成；所述高灵敏度小量程的传感器放置在所述铁氧体小磁环的气隙中，所述低灵敏度大量程的传感器放置在所述柔性铁氧体大磁环的气隙中；所述模拟信号调制电路由分别与所述两个巨磁阻传感器相连的两个模拟信号调制电路组成。

本发明的技术特点：

本发明利用巨磁阻传感器本身具有的高精度、高分辨率、大动态、高频响等诸多优势，同时考虑不同磁性材料的磁导率和磁化曲线的线性范围，采用两个同轴磁环，并在每个磁环气隙中放置对应的传感器以测量不同量程的电流。在测量泄漏电流(小电流)情况下，采用铁氧体小磁环及对应的传感器；在测量泄放电流(大电流)情况下，采用柔性铁氧体大磁环及对应的传感器。两个传感器经过模拟信号调制电路得到传感器的差分输出电压，实现同一装置测量多个量程电流的目的。

其有益效果如下：

1.本发明利用巨磁阻效应传感器高精度、高分辨率、大动态、高频响等特点，应用两种电流传感器对流过电力避雷器的泄漏电流(mA级)和泄放电流(kA级)实现精确测量。通过小磁环高磁导率、大磁环低磁导率的设计，使得在测量泄漏电流时，小磁环内磁场达到高灵敏度小量程巨磁阻传感器的线性测量区域，在测量泄放电流时，大磁环内磁场达到低灵敏度大量程巨磁阻传感器的线性测量区域。测量电流范围大，涉及6-7个数量级，有效实现对电力避雷器实时状态的监测，提高了电网的运行稳定性及绝缘水平。

2.本发明大磁环通过采用柔性铁氧体材料，具有韧性，适应一定的变形与胀缩，在使用时更为灵活，适合与小磁环的多种结构配合，两个磁环的气隙开口方向可根据测量空间进行旋转调整，选取合适材料的柔性铁氧体磁环并设计合适的磁环尺寸，在放大被测电流产生磁场的同时有效屏蔽了外界电磁干扰。

3.本发明通过同轴磁环的设计，实现了采用同一装置对泄漏电流和泄放电流进行监测的功能，通过模拟信号调制电路对两路差分电压实现输出，根据所测电流的不同选取对应的输出通道电压进行分析。

4.本发明通过采用同轴磁环的设计方案，同时计算得到合适的磁环尺寸，使得装置在应用过程中具有测量准确性高、测量范围广、便携性、易用性、自动化等一系列优点，在测量电力***避雷器电流方面具有十分广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明的多量程电流传感装置示意图。

图2是本发明的同轴磁环俯视示意图。

具体实施方式

本发明提出的基于巨磁阻效应的多量程电流传感装置结合附图及实施例说明如下：

本发明的基于巨磁阻效应的多量程电流传感装置组成结构如图1所示，包括基于巨磁阻效应的电流传感器单元和对应的模拟信号调制电路，以及磁环单元；各部分具体实施分别说明如下：

(1)基于巨磁阻效应的电流传感器单元：它包括两个巨磁阻传感器；所述的巨磁阻传感器的功能为测量流过电力避雷器的电流，包括正常工作情况下的泄漏电流以及过电压情况下的泄放电流的变化。传感器为惠斯通全电桥(4个巨磁电阻)的结构，采用电压恒定的电源对电桥进行供电，对应输出与被测电流成线性关系的差分电压。

由于测量的泄漏电流与泄放电流间相差6-7个数量级，本发明采用两款线性传感器进行电流的测量。其中一个传感器的实施例采用中国多维科技公司高灵敏度小量程的MMLH45F隧道磁电阻传感器，用于测量泄漏电流；另一个传感器的实施例采用中国多维科技公司低灵敏度大量程的TMR501隧道磁电阻传感器，用于测量泄放电流。

(2)磁环单元：由大小两个同轴铁氧体磁环组成。本实施例的铁氧体小磁环内径为26mm，外径为47mm，磁环气隙为8mm，采用铁氧体材料制成；所述高灵敏度小量程的隧道磁电阻传感器位于小磁环气隙中，铁氧体小磁环的相对磁导率大于1000，在测量避雷器的泄漏电流时，有效实现测量磁场的放大及外界磁场的屏蔽。所述铁氧体大磁环内径为342mm，外径为358mm，磁环气隙为60mm，采用柔性铁氧体材料制成；所述灵敏度大量程的隧道磁电阻传感器位于柔性铁氧体大磁环气隙中，柔性铁氧体大磁环的相对磁导率在70-100之间，在测量避雷器的短路泄放电流时，有效实现外界磁场的屏蔽。柔性铁氧体大磁环使用灵活，其气隙开口方向可与小磁环开口方向根据测量空间进行调整，两个同轴磁环配合结构示意如图2所示，其中大小两个铁氧体磁环1、2同轴，大小两个铁氧体磁环用环氧树脂材料制作的可拆卸的连接杆件3连成一个整体，外侧柔性铁氧体磁环可自由安装拆卸，并且与小磁环的相对摆放位置自由，两个磁环的气隙开口方向可根据测量空间进行旋转调整，如图2(a)所示两个磁环的气隙同向，或两个磁环的气隙成一角度，如图2(b)所示。

(3)两个传感器对应的两个模拟信号调制电路：由信号处理单元及电源单元组成，两个传感器的输出信号分别传输至对应的模拟信号调制电路中，所述的模拟信号调制电路的功能是为传感器提供电源并对其输出电压进行放大处理，本实施例的两个传感器的信号调制电路分别与对应的两个传感器位于两块独立的PCB板上，其中两个信号处理单元均采用带宽大于30MHz的差分运算放大器AD8044，两个电源单元分别采用电压参考源芯片LM7805、LM7905；传感器位于磁环气隙中，传感器对气隙磁场的响应信号输出至后端位于同一块PCB板的信号调制电路，经过调制后的输出信号被传输至外部的信号采集装置，所述信号采集装置可以是示波器或采集卡，不属于本装置的部件。整块PCB板根据测量位置进行摆放固定，保证测量过程中磁场传感器部分位于气隙中。

本发明装置的测量方法为：

根据安培环路定律，磁环气隙中的磁场强度H为：

其中，I为流过电力避雷器的电流，r为磁环半径，d为磁环气隙长度，μ_r为磁环的相对磁导率。

大磁环材料为柔性铁氧体，其相对磁导率在70-100之间，主要测量电力避雷器的泄放电流(最高达10kA)，采用低灵敏度大量程的TMR501隧道磁电阻传感器。此时不满足远远小于d的条件，气隙磁场采用上式进行计算。

小磁环材料为铁氧体，其相对磁导率大于1000，主要测量电力避雷器的泄漏电流(最低达1mA)，采用高灵敏度小量程的MMLH45F隧道磁电阻传感器。此时满足则气隙磁场计算式简化为：

在测量过程中，将电力避雷器的接线置于小磁环中并将整个测量装置摆放固定，两个同轴磁环中的两个传感器的输出电压输出至模拟信号调理电路的输入端，并最终输出至外部的信号采集装置，根据采集装置的输出电压可以得到气隙中的磁场值，并根据上述两个公式，分别对大、小磁环对应的泄放测量电流及泄漏电流进行反推，从而实现避雷器电流的测量。考虑到两种传感器的灵敏度及测量线性区域，本发明可测的最小的泄漏电流达到1mA，最大的泄放电流达到10kA。两者相差7个数量级，对电力避雷器运行状态实现了有效监测。所述测量方法不属于本发明装置的内容。

本发明提出的基于巨磁阻效应的多量程电流传感装置，通过设置两个不同磁导率的同轴磁环，实现采用同一装置对电力避雷器泄漏电流和泄放电流测量的功能。其突出优点在于所测电流范围大，最小电流及最大电流间可相差7个数量级，对电力避雷器的工作状态实现有效监测，同时装置包括柔性部件，在实际操作中易于实现，本发明具有广阔的应用前景。

Claims (6)

1.一种基于巨磁阻效应的多量程电流传感装置，其特征在于，该装置包括：基于巨磁阻效应的电流传感器单元和对应的模拟信号调制电路，以及磁环单元；其中，所述电流传感器单元：它包括两个巨磁阻传感器；用于测量流过电力避雷器的电流，一个为高灵敏度小量程的传感器，测量正常工作情况下的泄漏电流；另一个为低灵敏度大量程的传感器，测量过电压情况下的泄放电流的变化；所述磁环单元由同轴放置的具有不同相对磁导率的铁氧体小磁环和柔性铁氧体大磁环构成；所述高灵敏度小量程的传感器放置在所述铁氧体小磁环的气隙中，所述低灵敏度大量程的传感器放置在所述柔性铁氧体大磁环的气隙中；所述模拟信号调制电路由分别与所述两个巨磁阻传感器相连的两个模拟信号调制电路组成。

2.如权利要求1所述基于巨磁阻效应的多量程电流传感装置，其特征在于，所述两个巨磁阻传感器采用4个巨磁电阻组成的惠斯通全电桥结构，采用电压恒定的电源对电桥进行供电，对应输出与被测电流成线性关系的差分电压。

3.如权利要求1所述基于巨磁阻效应的多量程电流传感装置，其特征在于，

所述铁氧体小磁环内径为26mm，外径为47mm，磁环气隙为8mm，相对磁导率大于1000，采用铁氧体材料制成；所述柔性铁氧体大磁环内径为342mm，外径为358mm，磁环气隙为60mm，相对磁导率在70-100之间，采用柔性铁氧体材料制成。

4.如权利要求3所述基于巨磁阻效应的多量程电流传感装置，其特征在于，其中大小两个铁氧体磁环同轴内外侧放置；大小两个铁氧体磁环用环氧树脂材料制作的可拆卸连接杆件安装成一个整体，以使根据测量空间外侧柔性铁氧体磁环与内侧小磁环的气隙方向的相对位置进行旋转调整。

5.如权利要求1所述基于巨磁阻效应的多量程电流传感装置，其特征在于，两个模拟信号调制电路：均由信号处理单元及电源单元组成，两个传感器的输出信号分别传输至对应的模拟信号调制电路中，所述的模拟信号调制电路为传感器提供电源并对其输出电压进行放大处理。

6.如权利要求5所述基于巨磁阻效应的多量程电流传感装置，其特征在于，两个模拟信号调制电路分别与对应的两个传感器位于两块独立的PCB板上，其中两个信号处理单元均采用带宽大于30MHz的差分运算放大器AD8044，两个电源单元分别采用电压参考源芯片LM7805、LM7905。