陳　田，程武山

(上海工程技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，上?！?01620)

0　引言

高壓開關(guān)柜是在電力系統(tǒng)中起通斷、控制或者保護等作用的重要電氣產(chǎn)品，由于長期在高電壓、大電流和滿負荷的條件下運行[1]，對高壓開關(guān)柜母排電流進行實時的測量對整個電力系統(tǒng)的正常運行有著至關(guān)重要的作用。傳統(tǒng)10 kV高壓開關(guān)柜中采用電磁式互感器測量母排電流，由于電磁式電流互感器動態(tài)范圍較小，大電流通過時易發(fā)生磁飽和現(xiàn)象，進而導(dǎo)致二次輸出信號波形畸變，無法實現(xiàn)對大動態(tài)電流的準(zhǔn)確測量[2]。近年來，國內(nèi)外出現(xiàn)了很多新的電流測量方法，如采用霍爾傳感器間接測量母排電流，但由于霍爾傳感器難以同時滿足大范圍與高精度的要求，使得該種測量方法存在局限性[3]；基于法拉第旋光效應(yīng)的光電互感器有很好的絕緣特性和抗干擾特性，而精度有待提高[4]；Rogowski線圈具有精度高、測量范圍大、質(zhì)量輕等優(yōu)點，但由于其成本較高，頻譜響應(yīng)不好，目前還只是在實驗系統(tǒng)中使用[5]。

隨著磁傳感技術(shù)的發(fā)展，使采用磁傳感技術(shù)測量大電流的方法成為可能。目前廣泛應(yīng)用的磁傳感器主要是基于電磁感應(yīng)原理、霍爾效應(yīng)及磁電阻效應(yīng)等。其中基于磁電阻效應(yīng)的傳感器由于其高靈敏度、小體積、低功耗及易集成等特點正在取代傳統(tǒng)的磁傳感器。目前市場上磁電阻傳感器芯片是基于各向異性磁電阻(AMR)、巨磁電阻(GMR)和隧道磁電阻(TMR)效應(yīng)而開發(fā)的，由于TMR磁傳感器集AMR的高靈敏度和GMR的寬動態(tài)范圍優(yōu)點于一體，因而在各類磁傳感器技術(shù)中，TMR傳感器具有技術(shù)優(yōu)勢[6]。

采用TMR磁傳感器測量高壓開關(guān)柜母排電流，研究傳感器輸出電壓與被測電流的線性關(guān)系。這種方法測量精度高、響應(yīng)速度快、絕緣性好、體積更小、成本更低，較好地實現(xiàn)了對高壓開關(guān)柜電流的測量，因而應(yīng)用前景較好。

1　測量原理與方法

1．1隧道巨磁阻(TMR)效應(yīng)

在磁性膜-非磁性膜-磁性膜結(jié)構(gòu)中，磁場的微弱變化可導(dǎo)致其電阻率發(fā)生20%～30%相對變化，而當(dāng)在磁性薄膜中間夾一層很薄(0．7 nm)的絕緣層結(jié)構(gòu)時，其磁電阻相對變化更大，可以達到30%以上，對磁場的靈敏度更高，電子可以遂穿極薄的絕緣層，保持其自旋方向不變，這就是隧道巨磁電阻(TMR)效應(yīng)[6]。

在磁性多層膜中，較強的層間交換耦合，使相鄰層從磁矩平行排列到反平行排列或從反平行排列到平行排列時需有較高的外磁場，因此磁電阻的靈敏度非常小。但當(dāng)兩磁性層被非磁性層隔開后，相鄰的鐵磁層不存在(或很小)交換耦合，較小的磁場就可使相鄰層從平行排列到反平行排列或從反平行排列到平行排列，引起磁電阻變化[7]，因此基于TMR效應(yīng)的傳感器能敏感感知與磁現(xiàn)象有關(guān)物理量的變化，并將其轉(zhuǎn)化為電信號進行檢測。

1．2TMR磁傳感器電流測量原理

根據(jù)安培定律，電流流過無限長導(dǎo)線時在其周圍產(chǎn)生磁場，周圍某點的磁場大小B與該點和導(dǎo)線的垂直距離d成反比、與導(dǎo)線上流過的電流大小I成正比[8]。將高壓開關(guān)柜母排看成無限長導(dǎo)線，在用磁傳感器對母排電流進行測量時，該定律同樣適用。

TMR磁傳感器采用TMR多層膜通過現(xiàn)代集成工藝制成，內(nèi)部包含4個高靈敏度TMR敏感電阻，采用推挽式惠斯通電橋結(jié)構(gòu)設(shè)計[6]。當(dāng)母排電流產(chǎn)生的磁場沿平行于傳感器敏感方向變化時，惠斯通全橋提供差分電壓輸出，該輸出電壓在一定范圍內(nèi)與母排電流大小成線性關(guān)系。

1．3TMR磁傳感器電流測量方法

采用TMR磁傳感器測量高壓開關(guān)柜母排電流，傳感器所在點的磁場強度B∝I/d，可表示為

B=k1·I/d

(1)

式中k1為常系數(shù)。

由TMR傳感器輸出特性可知，在一定電流變化范圍內(nèi)，輸出電壓與該點磁場強度成線性關(guān)系，可表示為

u=k2·B+c

(2)

式中k2、c均為常系數(shù)。

如令k=k1·k2，則傳感器的輸入輸出關(guān)系可表示為

u=k·I/d+c

(3)

式中：k為常系數(shù)；I為高壓開關(guān)柜母排電流，A；d為傳感器與母排的距離，cm；u為傳感器輸出電壓的峰峰值，V．

在確定TMR磁傳感器輸入輸出關(guān)系式中系數(shù)k、c的值時，對輸出電壓進行相應(yīng)處理就可得到高壓開關(guān)柜母排電流大小，實現(xiàn)對母排電流的測量。k、c的值在實驗中通過電流標(biāo)定確定。由于高壓開關(guān)柜每項母排在整個柜內(nèi)都產(chǎn)生磁場分布，對應(yīng)傳感器測得的磁場實際上是每相電流產(chǎn)生磁場在該點的矢量和，因此，在計算每項傳感器輸出電壓時，需將其他兩項母排電流產(chǎn)生的磁場影響去除。

2　測量系統(tǒng)

2．1測量系統(tǒng)的總體構(gòu)成及工作原理

高壓開關(guān)柜電流在線測量系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示。

圖1　測量系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)示意圖

測量系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)主要包括：TMR磁傳感器供電和信號輸出電路、信號處理電路、A/D轉(zhuǎn)換單元、CPU及其外圍單元[9]。其中TMR磁傳感器采用MMLP57H型傳感器；A/D轉(zhuǎn)換器采用MAX197；CPU采用S3C2440；觸摸屏顯示控制芯片為ADS7843[10]。

測量系統(tǒng)工作時，TMR磁傳感器感應(yīng)母排電流產(chǎn)生的磁場，輸出正比于磁場強度的電壓信號。信號處理電路對傳感器輸出信號進行濾波降噪處理，并將處理后的信號傳送至A/D轉(zhuǎn)換器，A/D轉(zhuǎn)換器對每通道的模擬信號以最高2 MS/s的速率采樣，并將其轉(zhuǎn)換為16位的數(shù)字量送至CPU存儲計算，計算結(jié)果在屏幕上顯示為波形和數(shù)字。

2．2TMR磁傳感器電流測量節(jié)點硬件電路

TMR磁傳感器電流測量節(jié)點硬件電路包括傳感器供電電路和電壓信號輸出電路。采用工作電源模塊對傳感器進行供電，對外接220 V交流電經(jīng)降壓、整流和穩(wěn)壓處理轉(zhuǎn)變?yōu)?5 V的直流電壓供給傳感器。傳感器采用SOP8形式封裝，已規(guī)定好各引腳功能。設(shè)計中采用2種不同端口形式的信號輸出方式。硬件電路如圖2所示。其中V+、V-為模擬差分輸出引腳。

圖2　TMR磁傳感器電流測量節(jié)點硬件電路

2．3信號處理電路

由于受到傳感器本身和板上電路的影響，傳感器輸出信號中包含復(fù)雜的高頻噪聲信號。在采樣電路進行采樣前，需對傳感器輸出信號進行濾波降噪處理。采用在低頻范圍濾波應(yīng)用中具有十分優(yōu)良性能的壓控電壓源低通濾波電路，實現(xiàn)傳感器輸出信號的降噪處理，增強輸出信號的穩(wěn)定性和可信性。壓控電壓源低通濾波電路如圖3所示。

圖3　壓控電壓源低通濾波電路

2．4模數(shù)轉(zhuǎn)換和CPU外圍介紹

測量系統(tǒng)的A/D轉(zhuǎn)換器采用MAX197，帶有8路模數(shù)同步轉(zhuǎn)換通道，在測量通道和采樣速率上均有較大冗余，方便以后擴展系統(tǒng)。時鐘電路用于啟動A/D轉(zhuǎn)換，保證數(shù)據(jù)為等間隔采樣。CPU外圍電路包括串口通信接口電路、液晶接口及附屬電路和觸摸屏驅(qū)動電路。

2．5TMR磁傳感器的安裝和信號走線

由于開關(guān)柜內(nèi)的強電磁環(huán)境，傳感器的安裝及信號走線對測量結(jié)果產(chǎn)生較大影響。應(yīng)將傳感器安裝在原電流互感器位置，遠離真空斷路器，并且可以外加導(dǎo)磁環(huán)，使其敏感感應(yīng)磁場變化。信號傳輸線纜采用屏蔽雙絞線。由于開關(guān)柜柜體結(jié)合處存在電磁泄漏，因此要避免弱電信號沿母線室結(jié)合處走線，特別是要避開母線室中的金屬尖銳面，遠離其他一次電氣元件和二次走線區(qū)域。在離結(jié)合處3～5 cm處安裝專門的封閉式信號走線槽，且選用導(dǎo)磁率較高的金屬材料[11]。

3　系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括驅(qū)動程序和應(yīng)用程序設(shè)計。其中應(yīng)用程序主要包括數(shù)據(jù)處理和人機界面程序。數(shù)據(jù)處理過程主要進行數(shù)據(jù)同步化和數(shù)據(jù)計算。人機界面主要顯示測量電流的有效值、峰峰值和波形[9]。系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示。

在開始采集傳感器輸出信號前，系統(tǒng)進行初始化處理，其中包括：判斷上一次試驗是否結(jié)束、數(shù)據(jù)同步化處理和檢查系統(tǒng)硬件是否正常運行。系統(tǒng)初始化完成后，需根據(jù)實際情況設(shè)置采集通道、量程及選擇觸發(fā)方式。為了更好地反應(yīng)母排電流的大小和變化情況，設(shè)置每次測量循環(huán)采集次數(shù)為5次。循環(huán)采集完成后，CPU即完成電量參數(shù)的計算和數(shù)據(jù)存儲，并通過數(shù)據(jù)輸出模塊顯示計算結(jié)果和波形。

圖4　測量系統(tǒng)軟件流程

4　實驗與分析

4．1實驗裝置與實驗方法

采用大電流發(fā)生器將市電降壓升流送至10 kV高壓開關(guān)柜。將母排表面沿橫向等分為6段，每段長10 mm，對應(yīng)標(biāo)記7個點，運用高斯計測量各點的磁場強度，分析與母排電流的關(guān)系。實驗發(fā)現(xiàn)第1個點和第7個點的磁場強度隨母排電流變化跳躍很大，說明傳感器應(yīng)盡量避免安裝在母排邊緣。選擇母排中間位置安裝傳感器?？紤]到高壓設(shè)備中的爬電距離要達到10 cm以上，所以傳感器相對母排的放置距離不宜小于10 cm．另外，實驗發(fā)現(xiàn)當(dāng)傳感器相對母排放置距離大于15 cm時，輸出發(fā)生較大失真，因此，傳感器相對母排的放置距離應(yīng)保持在10～15 cm之內(nèi)。

4．2線性范圍和線性度

對A相電流進行測量分析，在0～1 200 A范圍內(nèi)調(diào)節(jié)大電流發(fā)生器輸出電流，步進量為20 A，實驗重復(fù)5次，研究距離母排10 cm和13 cm時傳感器的線性范圍和線性度。將5次重復(fù)實驗傳感器輸出電壓峰峰值的平均值與實際電流的平均值進行線性擬合，結(jié)果如圖5(a)所示。當(dāng)傳感器在10 cm處放置時，線性范圍為0～900 A，而在13 cm處放置時，線性范圍不小于1 200 A．由此可得，在距離母排不同位置放置時，傳感器線性范圍不同，且在不超過傳感器輸出失真的距離范圍內(nèi)，增大其與母排間的放置距離，可增加輸出的線性范圍。

將傳感器在不同放置位置線性范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進行一元線性擬合，求出擬合曲線的回歸方程和線性度離差，如圖5(b)所示。由處理結(jié)果可得，在線性范圍內(nèi)，傳感器的輸出能保持較高的線性度。

(a)線性范圍

(b)線性度

4．3重復(fù)性和測量精度

取傳感器距離母排10 cm處線性范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進行重復(fù)性分析。將5次重復(fù)實驗數(shù)據(jù)進行一元線性擬合，觀察5次實驗的重復(fù)性，結(jié)果如圖6(a)所示。由分析結(jié)果可知，傳感器的重復(fù)性較好，性能較穩(wěn)定。將該位置處傳感器的測量電流與大電流發(fā)生器的實際輸出電流進行相關(guān)關(guān)系分析，結(jié)果如圖6(b)所示。通過分析可知，傳感器的測量電流與大電流發(fā)生器的輸出電流成很好的線性關(guān)系，兩者基本相同，說明傳感器的測量精度較高。

(a)重復(fù)性

(b)測量電流的相關(guān)關(guān)系

4．4非線性范圍特性分析

采用同樣的實驗方法研究傳感器在10 cm處放置時非線性范圍內(nèi)的特性。大電流發(fā)生器輸出電流范圍為0～1 300 A，取1 100～1 300 A內(nèi)輸出結(jié)果作為分析對象，結(jié)果如圖7所示。由分析結(jié)果可知，傳感器在非線性范圍內(nèi)輸出特性發(fā)生了較大變化，輸出呈現(xiàn)無規(guī)律性，且5次重復(fù)實驗的實驗結(jié)果相差較大，重復(fù)性非常差。由此可得，傳感器在非線性范圍內(nèi)，輸出結(jié)果發(fā)生了較大失真。因此，在選用和安裝傳感器時要注意傳感器的線性范圍及傳感器與母排間的放置距離，以使其能準(zhǔn)確測量較大的電流。

圖7　非線性范圍特性

4．5實驗方法改進

由上述A相電流測量分析可知，在TMR磁傳感器線性范圍內(nèi)，傳感器的線性度和測量精度較高，重復(fù)性較好，性能較穩(wěn)定。但是考慮到在實際運行過程中，高壓開關(guān)柜內(nèi)的強電磁環(huán)境以及電網(wǎng)中存在的干擾影響，在以后的實驗中，需對實驗方法作如下改進：

(1)在其中兩相分別接通和同時接通而第三相無電流通過時，研究無電流相傳感器的輸出情況，分析兩相電流產(chǎn)生的磁場對無電流相傳感器的影響；

(2)添加諧波干擾分量，分析傳感器的線性度、測量精度和重復(fù)性，研究此種情況下傳感器的性能穩(wěn)定性；

(3)研究采用磁傳感器陣列測量母排電流的方法，建立磁傳感器陣列的數(shù)學(xué)模型和拓撲模型，使高壓開關(guān)柜電流測量更加精確。

5　結(jié)束語

磁測量是電力系統(tǒng)中一種新興的測量方法，以非接觸、低功耗、低成本的優(yōu)點引起了廣泛注意。文中以10 kV高壓開關(guān)柜為背景，介紹了一種基于TMR磁傳感器的高壓開關(guān)柜電流測量方法，克服了傳統(tǒng)電流互感器在電流測量上的不足和缺陷。運用實驗的方法對測量系統(tǒng)進行了驗證，并研究了傳感器的測量性能，提出了實驗的改進方法。未來還需要將各種誤差因素引入到實際測量中，進一步提高磁傳感器的測量精度，使之能夠得到工程應(yīng)用。

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