CN109444510B - 一种适用于智能电网保护***的非接触式电流测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于智能电网保护***的非接触式电流测量装置，采用三组分布于同一个圆上的隧穿磁阻效应传感器(TMR传感器)阵列构建，每组TMR传感器阵列由两个磁敏感平行，但方向相反的TMR传感器组成，TMR传感器阵列之间相角为120°，均与所述圆的切线平行，到所述圆的圆心距离相等，每组TMR传感器阵列内外两个TMR传感器均距离圆心分别为R1和R2的测量点位置，用于测量载流导体产生磁场在测量点位置的磁通密度大小，这样获得的6个磁通密度可以通过求解方程组的方式，得到载流导体的电流，同时，抵消了周围电气设备的干扰电流所产生磁场以及来自地磁场的干扰，特别适用直流、交流情况下接地故障选线中某一相的电流监测。

Description

一种适用于智能电网保护***的非接触式电流测量装置
技术领域
本发明属于电网电流测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种适用于智能电网保护***的非接触式电流测量装置，特别是智能电网保护***中接地故障选线的电流监测。
背景技术
传统电网向现代智能电网发展对电网的稳定性提出了更高的要求，使得用于监测、保护和控制目的的新型的电压电流测量装置获得了大量研究。故障电流作为威胁电网稳定运行的重要因素之一，故障电流的实时准确监测对保障电网的稳定运行具有十分重要的意义。
在配网中，当非有效接地***发生接地故障时，会对整个电网的安全稳定造成影响，因此，现在广泛利用电流互感器监测线路电流。然而由于安装空间的限制，保护装置动作准确率较低；另外，由于其本身的测量原理，基于罗氏线圈的电流互感器只能测量交流电流。另一方面，高压直流输电引起经济性等方面的优势得到了更多的应用。因此，电网电流测量装置应具有安装拆卸灵活，同时能监测直流的特点。
随着制造工艺技术突破，自旋电子传感器经历了各向异性磁阻(AnisotropicMagneto resistive，AMR)传感器、巨磁阻(Giant Magneto resistive，GMR)传感器和隧穿磁阻效应(Tunnel Magneto resistive,TMR)传感器三代的发展。第三代的TMR传感器在结合了前两代的优势，具有更大的线性输出范围，更小的固有噪声，不需要温度补偿，并且能在双极性模式下工作等优点，因此，越来越多的专家学者致力于基于线性磁传感器(TMR传感器)的非接触式电流测量技术的研究。
在这一背景下，基于线性磁传感器的非接触式电流测量技术，因其安装灵活性，低成本和能监测直流等优点得到了越来越多的关注。这一电流测量技术的主要原理是基于霍尔效应，法拉第电磁感应定律和毕奥-萨法尔定律等。通过线性磁传感器检测到的磁信息重构电流信息。线性磁传感器可以检测到沿其磁敏感方向的磁通密度大小。但是由于磁场具有可叠加性，在电力***中，线性磁传感器检测会受到周围电气设备产生的磁场的影响，因此，单个线性磁传感器本身无法分辨待测磁场与干扰磁场。这一现象会造成在测量电流时产生较大误差，严重时甚至造成电流保护***失稳。因此，有种方案是利用铁芯将待测磁场集中到磁传感器，但是铁芯也存在着磁饱和等问题。
专家们开始提出基于磁传感器阵列的电流测量技术。通常，这种方案采用单轴磁传感器，磁传感器阵列所在平面与待测导体垂直，磁灵敏方向与导体横截面法向向量垂直。发表在IEEE Instrumentation and Measurement Technology Conference,VOL.3,2000,作者为R.Bazzocchi,A.Manara，和L.D.Rienzo的一篇名为“Spatial DFT analysis frommagnetic sensor circular array data for measuring a DC current flowing in arectangular bus-bar”的会议论文和发表在IEEE Transactions on Instrumentation&Measurement,VOL.50,2001,作者为L.D.Rienzo,R.Bazzocchi，和A.Manara的一篇名为“Circular arrays of magnetic sensors for current measurement”的期刊论文中，作者设计了一种基于霍尔效应传感器阵列的直流测量技术，适用于导体横截面为矩形的情况。但是不能检测交流***的电流信息。另一方面，利用传感器阵列消除干扰带来的误差会受到待测导体和阵列相对位置误差造成的影响。
在2018年05月25日公布的，公布号为CN108072780A的中国发明专利申请中，公开了一种手持类型的非接触式电流测量***，同样只适用于测量交流电，并且不适用于电力***中固定装置的大电流测量。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种适用于智能电网保护***的非接触式电流测量装置，以避免周围电气设备的干扰电流所产生磁场对测量的影响，以适用直流、交流情况下接地故障选线中某一相的电流监测问题。
为实现上述发明目的，本发明适用于智能电网保护***的非接触式电流测量装置，其特征在于，包括：
三组隧穿磁阻效应传感器(TMR传感器)阵列，每组TMR传感器阵列由两个磁敏感平行，但方向相反的TMR传感器组成；
三组TMR传感器阵列分布于同一个圆上，TMR传感器阵列之间相角为120°，每组TMR传感器阵列都与所述圆的切线平行，每组磁传感器阵列到所述圆的圆心距离相等；
每组TMR传感器阵列内外两个TMR传感器均距离圆心分别为R1和R2的测量点位置，用于测量载流导体产生磁场在测量点位置的磁通密度大小；
需要进行测量的载流导***于所述圆的圆心位置，三组TMR传感器阵列中，第一组TMR传感器阵列内外两个TMR传感器测得的磁通密度为B11、B12，第二组TMR传感器阵列内外两个TMR传感器测得的磁通密度为B21、B22，第三组TMR传感器阵列内外两个TMR传感器测得的磁通密度为B31、B32；
所述需要进行测量的载流导体电流(即待测电流)I1通过求解以下方程组获得：
Figure BDA0001854406910000031
其中，μ0为磁导率(μ0＝4π×10-7)，x1、y1为需要进行测量的载流导体所在位置的坐标。
本发明的目的是这样实现的。
本发明适用于智能电网保护***的非接触式电流测量装置，采用三组分布于同一个圆上的隧穿磁阻效应传感器(TMR传感器)阵列构建，每组TMR传感器阵列由两个磁敏感平行，但方向相反的TMR传感器组成，TMR传感器阵列之间相角为120°，每组TMR传感器阵列都与所述圆的切线平行，每组磁传感器阵列到所述圆的圆心距离相等，每组TMR传感器阵列内外两个TMR传感器均距离圆心分别为R1和R2的测量点位置，用于测量载流导体产生磁场在测量点位置的磁通密度大小，这样获得的6个磁通密度可以通过求解方程组的方式，得到载流导体的电流，同时，抵消了周围电气设备的干扰电流所产生磁场以及来自地磁场的干扰，特别适用直流、交流情况下接地故障选线中某一相的电流监测。
附图说明
图1是本发明适用于智能电网保护***的非接触式电流测量装置一种具体实施方式结构示意图；
图2是本发明数值仿真中待测电流相对误差随干扰电流变化结果图；
图3是本发明数值仿真中待测电流的载流导***置偏移对相对误差的影响图；
图4是本发明数值仿真中对导体实际位置的估计示意图；
图5是干扰电流位于任意位置示意图；
图6是本发明测量稳态电流实验装置示意图；
图7是本发明监测故障电流实验装置示意图；
图8是故障电流波形图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。
图1是本发明适用于智能电网保护***的非接触式电流测量装置一种具体实施方式结构示意图。
在本实施例中，如图1所示，本发明适用于智能电网保护***的非接触式电流测量装置包括三组隧穿磁阻效应传感器(TMR传感器)阵列，每组TMR传感器阵列由两个磁敏感平行，但方向相反的TMR传感器组成。
在本实施例中，如图1所示，第一组TMR传感器阵列包括内外两个TMR传感器S11、S12，第二组TMR传感器阵列包括内外两个TMR传感器S21、S22，第三组TMR传感器阵列包括内外两个TMR传感器S31、S32。
在本实施例中，如图1所示，三组TMR传感器阵列分布于同一个圆上，TMR传感器阵列之间相角为120°，每组TMR传感器阵列都与所述圆的切线平行，每组磁传感器阵列到所述圆的圆心距离相等。每组TMR传感器阵列内外两个TMR传感器均距离圆心分别为R1和R2的测量点位置，用于测量载流导体1产生磁场在测量点位置的磁通密度大小。
需要进行测量的载流导体1位于所述圆的圆心位置，三组TMR传感器阵列中，第一组TMR传感器阵列内外两个TMR传感器S11、S12测得的磁通密度为B11、B12，第二组TMR传感器阵列内外两个TMR传感器S21、S22测得的磁通密度为B21、B22，第三组TMR传感器阵列内外两个TMR传感器S31、S32测得的磁通密度为B31、B32。
以TMR传感器阵列为中心建立直角坐标系。规定待测电流I1(即需要进行测量的载流导体1)的位置坐标为(x1,y1)，干扰电流I2(即产生干扰电流的载流导体2)位置坐标为(x2,y2)。由毕奥-萨法尔定律可得到每组磁传感器所在测试点的磁通密度大小为：
Figure BDA0001854406910000051
其中，i＝1,2,3，Bi为来自第i组TMR传感器阵列所在位置地磁场等的干扰，所述圆的圆心(作为原点)与产生干扰电流的载流导体2的连线作为水平坐标轴，Фi为第i组TMR传感器阵列与水平坐标轴的夹角。在本实施例中，由于第一组TMR传感器阵列位于所述圆的圆心与产生干扰电流的载流导体2的连线上，所以Ф1＝0°、Ф2＝120°、Ф3＝240°，这样，通过相加消去I2的干扰以及地磁场干扰，并得到：
Figure BDA0001854406910000061
其中，μ0为磁导率(μ0＝4π×10-7)，x1、y1为需要进行测量的载流导体所在位置的坐标。
通过求解以上方程组，可以得到载流导体的电流(即待测电流)I1。
具体实例
1、数值及有限元仿真
首先，通过数值分析对本发明的消除干扰带来的误差的可行性进行验证。
假定待测电流I1和干扰电流I2为直流，电流方向相反，I1为500A。R1为0.03m，R2为0.04m。干扰电流I2到待测电流I1的距离为0.3m。当干扰电流I2由100A到500A变化时，其结果如图2所示。可以看到，当干扰电流I2增加时，待测电流I1的测量值与真实值的相对误差也随之增加。但是最大相对误差依然小于0.35％。
假定待测电流I1和干扰电流I2为交流且大小相等，当电流由100sin(100πt)到500sin(100πt)变化时，待测电流的测量值与真实值的均方根误差如表1所示。
干扰电流(A) RMSE(均方根误差)
100sin(100πt) 0.2198
200sin(100πt) 0.4396
300sin(100πt) 0.6593
400sin(100πt) 0.8790
500sin(100πt) 1.0990
表1
如表1所示，当干扰电流为500sin(100πt)时，均方根误差为1.0990。
接着分析由于待测导***置误差对计算结果带来的影响。假定待测电流I1和干扰电流I2为500A，R1为0.03m，R2为0.04m，产生干扰电流的载流导体坐标(x2,y2)为(0.3m,0m)。由于结构具有对称性，只讨论了I1在x轴上方，以坐标原点为中心，半径为0.0042m的半圆内变动的情况，其结果如图3所示。从图3可以看到在一定位置误差范围内，待测电流的测量值的最大误差不超过0.5％。
同时，本发明还可以根据求解公式，得到待测电流(即载流导体的位置)的位置。对待测电流位置定位计算结果如图4所示。从图4可以看到，计算位置坐标与实际坐标的误差不超过0.5mm，从而验证了本发明对载流导体定位的有效性。
在实际应用中，干扰电流的位置信息通常未知，由于工艺原因，待测载流导体也难以保证位于传感器阵列正中。因此，分析了干扰电流位于任意位置对于计算结果的影响。假定待测电流(待测电流载流导体)位置坐标(x1,y1)为(2mm,4mm)，干扰电流(产生干扰电流的载流导体分别位于图5所示五个任意位置，具体坐标及计算待侧电流的测量误差见表2。
x<sub>2</sub>,y<sub>2</sub>(m) 测量误差(％)
0.15,0.26 0.5126
-0.05,0.29 0.1000
-0.28,0.10 0.0763
-0.26,-0.15 0.0937
-0.15,-0.26 0.0941
表2
从图5、表2可以看到，最大测量误差为0.52％，最小测量误差只有0.0763％，验证了本发明干扰电流在任意位置，都可以应本发明进行测量。
在数值仿真中没有考虑涡流效应和趋肤效应等，因此通过有限元仿真进行进一步分析。假定载流导体为半径8mm的铜导体，其长度为2m。假定磁传感器尺寸为4mm×5mm，R1为0.03m，R2为0.04m，待测电流I1峰值为500A，位置坐标(x1,y1)为(0,0)，干扰电流I2峰值由100A到500A，坐标(x2,y2)为(0.3m,0m)。测量结果如表3所示
Figure BDA0001854406910000071
Figure BDA0001854406910000081
表3
从表3可以看出，最大相对误差为0.6532，也验证了本发明的可行性。
2、实验验证
图6是实验装置设计框图。调压变压器控制电压变压器产生大电流。直径为1.6cm的铜导线短接电压变压器形成回路。取铜导线一段1m作为待测导体，另一段作为干扰电流源，距离为0.3m，电流值由0到500A变化。采用Tektronix的电流钳表TK-65作为参考电流值。在示波器中记录传感器阵列与电流钳表的输出结果。在电路设计中，得益于其双极性输出，不易受到环境温度影响等特点，采用了TMR磁传感器，在±80Gauss环境下输出具有良好线性度。在电路板中预留了一个直径24mm的缺口便于安装。由于导体直径为1.6cm，因此导体可以在半径4mm的区域内异动。
由于TMR传感器输出为电压，首先对传感器进行校准，得到传感器输出电压与所测磁通密度大小的关系如下：
V＝B·S
其中，V是磁传感器的输出电压，B是磁传感器所在场点的磁通密度，S是传感器灵敏度，即输出电压与磁通密度关系系数。
接着，验证该装置的测量精确性。当电流值由0到500A变化时，其结果如表4所示。
参考电流峰值(A) 估算值(A) 相对误差(％)
100 98.2669 1.73
200 203.1510 1.58
300 304.9523 1.65
400 405.9813 1.49
500 507.7267 1.55
表4
从表4可以看到误差保持在1％左右。
最后验证该装置用于保护目的的有效性。实验装置设计框图如图7所示。通过电脑控制直流行波测距校验仪产生故障电流如图8所示，在A点电流值为-6.4A，为B点电流值为7.1A。导体直径为1.75mm，导体间距离为0.3m。在A点的估算值为6.5391A，相对误差为2.1734％，B点的估算值为6.9759A，相对误差为1.7479％，符合标准IEC 60044-8:2002中对保护用电流互感器的误差范围10P(±3％)。
本发明提出的适用于智能电网保护***的非接触式电流测量装置，具有以下有益效果：
本发明可适用于大电流交直流测量和保护，具有体积小，安装拆卸简便，结果准确，成本低等优点。能定位待测电流位置，减小了因位置误差造成的干扰。能降低对干扰电流位置信息未知时对测量结果造成的影响。使用场景包括配网接地故障选线等电流监测。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种适用于智能电网保护***的非接触式电流测量装置，其特征在于，包括：
三组隧穿磁阻效应传感器阵列即三组TMR传感器阵列，每组TMR传感器阵列由两个磁敏感平行，但方向相反的TMR传感器组成；
三组TMR传感器阵列分布于同一个圆上，TMR传感器阵列之间相角为120°，每组TMR传感器阵列都与所述圆的切线平行，每组磁传感器阵列到所述圆的圆心距离相等；
每组TMR传感器阵列内外两个TMR传感器均距离圆心分别为R1和R2的测量点位置，用于测量载流导体产生磁场在测量点位置的磁通密度大小；
需要进行测量的载流导***于所述圆的圆心位置，三组TMR传感器阵列中，第一组TMR传感器阵列内外两个TMR传感器测得的磁通密度为B11、B12，第二组TMR传感器阵列内外两个TMR传感器测得的磁通密度为B21、B22，第三组TMR传感器阵列内外两个TMR传感器测得的磁通密度为B31、B32；
所述需要进行测量的载流导体电流I1通过求解以下方程组获得：
Figure FDA0002587218060000011
其中，μ0为磁导率，x1、y1为需要进行测量的载流导体所在位置的坐标。
2.根据权利要求1所述的非接触式电流测量装置，其特征在于，所述第一组TMR传感器阵列位于所述圆的圆心与产生干扰电流的载流导体的连线上。
3.根据权利要求1所述的非接触式电流测量装置，其特征在于，根据所述的方程组，获得需要进行测量的载流导体所在位置的坐标x1、y1。
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