陳曉芳，劉崇偉，王 崇，李 蓓，趙俊杰，侯昱丞，楊 挺

(1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300000；2.天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072)

0 引言

電流檢測(cè)裝置是電力系統(tǒng)進(jìn)行電能計(jì)量，為調(diào)控保護(hù)提供電流信號(hào)的重要設(shè)備，其對(duì)于故障的快速檢測(cè)和定位、潮流控制以及網(wǎng)損計(jì)量都有重要的意義。傳統(tǒng)的電流檢測(cè)裝置，如羅氏線圈等由于使用鐵心，存在無法測(cè)量直流電流、在大故障電流下易飽和、體積大、質(zhì)量大等缺點(diǎn)，難以滿足新一代電力系統(tǒng)在線檢測(cè)、高精度故障診斷等發(fā)展新需求[1]。

與傳統(tǒng)電流檢測(cè)裝置相比，電子式電流互感器，如光電式電流傳感器和基于磁電阻效應(yīng)的電流傳感器取消了鐵芯，因此可實(shí)現(xiàn)小體積、輕量化，并且具有線性度好、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。其中，與高價(jià)格的光電式電流傳感器相比，磁電阻傳感器更具有工程適用性。具體分析幾種常用的磁傳感器[2]：

(1)基于霍爾效應(yīng)的電流傳感器：采用霍爾元件作為傳感器單元的電流傳感器，通過被測(cè)電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小來實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的測(cè)量。霍爾元件由于靈敏度低，通常采用鐵磁材料的聚磁效應(yīng)來提高精度，但鐵磁材料存在磁帶和損耗，當(dāng)被測(cè)電流在較大范圍內(nèi)變化時(shí)，氣隙間的磁感應(yīng)強(qiáng)度與電流之間會(huì)失去線性關(guān)系，特別是測(cè)量小電流時(shí)，這種偏差尤為明顯。

(2)基于各向異性磁電阻(anisotropic magnetoresistance，AMR)效應(yīng)的電流傳感器：靈敏度高于霍爾元件，但是線性范圍窄。以AMR為敏感元件的磁傳感器工作時(shí)需要設(shè)置線圈對(duì)其進(jìn)行預(yù)設(shè)/復(fù)位操作，制造工藝復(fù)雜，同時(shí)也增加了體積和功耗[3]。

(3)基于巨磁阻(giant magnetoresistance，GMR)效應(yīng)的電流傳感器：與AMR類似，其受巨磁阻元件的線性范圍小的約束，測(cè)量范圍窄，并不適用于電網(wǎng)的寬量程、多場(chǎng)景應(yīng)用需求。

(4)基于隧穿磁阻(tunnel magnetoresistance，TMR)效應(yīng)的電流傳感器：TMR是近年研究出的新型磁電阻效應(yīng)傳感器元件，相比于已有傳感器，TMR電流傳感器具備極高的靈敏度和分辨率、優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性、小體積低功耗以及寬動(dòng)態(tài)范圍等優(yōu)點(diǎn)，是固態(tài)傳感器技術(shù)的發(fā)展新趨勢(shì)。

但在電網(wǎng)工程應(yīng)用中，電磁環(huán)境復(fù)雜，干擾源多，將嚴(yán)重影響電流檢測(cè)精度。因此本文重點(diǎn)分析TMR電流傳感器潛在電磁干擾源，并提出復(fù)雜電磁環(huán)境下抗干擾技術(shù)。

1 TMR電流傳感器工作原理分析

1.1 TMR元件結(jié)構(gòu)

TMR元件為3層膜結(jié)構(gòu)，上下2片強(qiáng)磁性體層被稱為自由層和固定層，夾住1～2 nm的薄絕緣體的勢(shì)壘層[4]。當(dāng)待測(cè)電流垂直于TMR元件膜面流過時(shí)，由于固定層的磁矩方向固定，而自由層的磁化方向根據(jù)外部磁場(chǎng)方向而變，因此兩層磁矩間出現(xiàn)夾角，其決定了磁隧道結(jié)的磁電阻R，阻值隨待測(cè)電流強(qiáng)弱變化。當(dāng)通過電流所產(chǎn)生的被測(cè)磁場(chǎng)為Ha時(shí)，自由層的磁矩M穩(wěn)定在θ角，如圖1所示，則可計(jì)算出磁電阻R：

(1)

式中：c1和c2為與TMR薄膜有關(guān)的定常數(shù)，為元器件固有參數(shù)。

圖1 自由層磁矩方向的決定因素

TMR隧道結(jié)中的自由層磁化方向取決于外加磁場(chǎng)的磁場(chǎng)方向。當(dāng)自由層與固定層的磁化方向平行時(shí)，R阻值最小，勢(shì)壘層流過大電流。隨著自由層磁化方向的改變，θ角變大，電阻變大。當(dāng)磁化方向?yàn)榉聪蚱叫袝r(shí)，電阻極端地變大，勢(shì)壘層幾乎沒有電流流過，如圖2所示。

圖2 TMR隧道結(jié)電阻率變化原理圖

1.2 TMR傳感器特性

利用TMR元器件的磁矩夾角和阻值間的線性關(guān)系，將4個(gè)靈敏方向不同的TMR磁阻元件連接成橋式電路，構(gòu)成TMR電流傳感器，如圖3所示，其中R1和R4的靈敏方向一致，且反平行于R2和R3，當(dāng)有外加磁場(chǎng)時(shí)，易得差分輸出信號(hào)ΔU的曲線。

圖3 全橋結(jié)構(gòu)以及其輸出曲線

1.3 TMR傳感器測(cè)量電流原理

電網(wǎng)中50 Hz的工頻電流會(huì)產(chǎn)生以母排為中心的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。由于其波長遠(yuǎn)大于測(cè)量系統(tǒng)的量級(jí)，可看成是一個(gè)靜態(tài)磁場(chǎng)，磁場(chǎng)頻率與電流頻率相等，兩者的幅值和相位成線性關(guān)系。母排周圍某點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度大小與該點(diǎn)到母排的垂直距離成反比，與母排上流過的電流成正比，TMR傳感器所在點(diǎn)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為

B=k1·(I/d)

(2)

式中：k1為常系數(shù)；I為母排上通過的電流；d為TMR傳感器到母排的垂直距離。

在線性測(cè)量范圍內(nèi)，其輸出電壓值與輸入磁場(chǎng)強(qiáng)度大小成線性關(guān)系，所以，輸出電壓滿足

u=k2·B

(3)

式中：k2為常系數(shù)，其大小可由實(shí)驗(yàn)測(cè)得；u為磁傳感器輸出電壓的峰峰值。

通過式(2)和式(3)，傳感器輸出電壓與實(shí)際電流之間成線性關(guān)系：

u=c·(I/d)

(4)

式中c為該TMR電流傳感器的常系數(shù)，c=k1×k2，由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。

最后由輸出電壓值可得到被測(cè)電流值，實(shí)現(xiàn)電流傳感器功能。

2 TMR電流傳感器工作的復(fù)雜電磁環(huán)境干擾源分析

由上述TMR電流傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理分析可知，其是基于磁電阻原理實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)的，外界或內(nèi)部磁場(chǎng)都將影響TMR電流傳感器的測(cè)量靈敏度和工作穩(wěn)定性[5-6]。因此必須了解影響TMR電流傳感器的復(fù)雜電磁環(huán)境，分析干擾源特性，從而采取合理的方法加以避免，實(shí)現(xiàn)抗干擾?；赥MR電流傳感器實(shí)際電網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景分析，本文重點(diǎn)研究2類干擾：地環(huán)路干擾和輻射干擾問題。

2.1 地環(huán)路干擾

TMR電流傳感器在實(shí)際使用時(shí)需要通過信號(hào)線將檢測(cè)信息上傳或與其他傳感器相連進(jìn)行交互。因此地線作為直流供電電源的饋線之一，將在傳感器中與電源線構(gòu)成回路；與此同時(shí)，地線也與信號(hào)線構(gòu)成環(huán)路；地線本身也可能構(gòu)成環(huán)路。當(dāng)交變磁場(chǎng)與這些環(huán)路交連時(shí)，環(huán)路中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)就有可能疊加到傳輸信號(hào)上形成干擾。

圖4為TMR傳感器與信號(hào)接收電路連接示意圖，E為直流電源，V+與V-為傳感器的輸出電壓信號(hào)。由圖4可知，電源的正極饋線與地線在傳感器和信號(hào)接收電路間構(gòu)成一個(gè)環(huán)路，V+和V-信號(hào)線與地線在傳感器和信號(hào)接收電路間又構(gòu)成另一個(gè)環(huán)路。當(dāng)交變磁場(chǎng)穿過這些環(huán)路時(shí)，環(huán)路中產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)可計(jì)算為

(5)

式中：Ei為環(huán)路中的感應(yīng)電勢(shì)，V；S為環(huán)路在磁場(chǎng)垂直方向上的投影面積，m2；B為穿過環(huán)路的磁通密度， T。

圖4 地環(huán)路干擾示意圖

感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ei會(huì)產(chǎn)生干擾電流，其疊加到信號(hào)電流上進(jìn)入到下一級(jí)信號(hào)接收電路中，形成地環(huán)路干擾。

2.2 輻射干擾

TMR傳感器是通過感應(yīng)待測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)大小，等效測(cè)量電流值。因此如果存在外界輻射磁場(chǎng)，則很容易影響到待測(cè)磁場(chǎng)，造成測(cè)量不準(zhǔn)確。分析TMR電流傳感器的工作環(huán)境，表1給出了可能的輻射干擾源和頻譜特征。

表1 常見輻射干擾源的頻譜特征

3 抗干擾技術(shù)

由上一章分析可知，TMR電流傳感器在工作時(shí)將受到自身地環(huán)路干擾和外部輻射干擾。為了保證TMR電流傳感器的正常工作，提升其測(cè)量精度，就需要針對(duì)復(fù)雜的電磁干擾提出有效的抗干擾技術(shù)。

3.1 基于縱向扼流圈傳輸信號(hào)的抗地環(huán)路干擾技術(shù)

針對(duì)地環(huán)路對(duì)TMR傳感器的干擾，本文設(shè)計(jì)縱向扼流圈電路以消除干擾信號(hào)，結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。其中，兩個(gè)繞組的繞向與匝數(shù)相同，稱為雙線并繞，如圖5(b)所示。當(dāng)扼流圈串聯(lián)接入TMR電流傳感器和信號(hào)接收電路之間時(shí)，傳感器輸出電壓V+-V-產(chǎn)生的信號(hào)電流在兩個(gè)繞組流過，產(chǎn)生的磁場(chǎng)恰好抵消，因此可以幾乎無損耗地傳輸信號(hào)。而地線等效干擾電壓Ei所引起的干擾電流流經(jīng)扼流圈兩繞組時(shí)，產(chǎn)生的磁場(chǎng)則同相疊加，等效為扼流圈對(duì)干擾電流呈現(xiàn)大感抗，如圖5(c)所示，阻隔干擾電流，抑制地線干擾。

分析縱向扼流圈等效電路：ΔV=V+-V-表示需傳輸?shù)男盘?hào)電壓，RC1、RC2為連接線電阻，RL為信號(hào)接收電路的等效負(fù)載。對(duì)縱向扼流圈而言，L1=L2=M。分別計(jì)算信號(hào)電壓ΔV和干擾電壓在Ei在電路負(fù)載上的響應(yīng)，可理論推導(dǎo)出縱向扼流圈的抑制能力。

運(yùn)用疊加定理，令Ei=0，設(shè)此時(shí)流過RL的電流為IS，流過地線的電流為Ie，則有：

(a)縱向扼流圈在電路中的連接

圖5 基于縱向扼流圈傳輸信號(hào)的抗地環(huán)路干擾電路

(6)

整理得：

(7)

當(dāng)感抗L2較大時(shí)，可認(rèn)為Ie→0，地線視為斷路，互感線圈L1與L2對(duì)ΔV的作用相互抵消，RL遠(yuǎn)大于RC1與RC2，則有(RL·Is)/ΔV≈1，表明負(fù)載上的信號(hào)電壓近似于信號(hào)源電壓，即縱向扼流圈對(duì)于信號(hào)幾乎是無損傳輸[7]，再令ΔV=0，設(shè)Ei在負(fù)載RL上的響應(yīng)為Un，經(jīng)分析同樣可得：

(8)

式中：fC為縱向扼流圈截止頻率，fC=RC2/(2πL)。

當(dāng)f>5fC時(shí)，地線中的干擾在負(fù)載上所反映的電壓僅為20%，即縱向扼流圈對(duì)地線干擾起到有效抑制作用。

3.2 電磁屏蔽抗輻射干擾技術(shù)

采用電磁屏蔽技術(shù)以抑制電磁噪聲空間傳播，即切斷輻射電磁噪聲的傳輸途徑，是一種針對(duì)外部多樣復(fù)雜輻射干擾的有效方法[8]。采用金屬材質(zhì)Faraday籠包圍屏蔽區(qū)域，使屏蔽體內(nèi)外磁場(chǎng)相互隔離[9]。當(dāng)電磁波傳播到達(dá)屏蔽材料表面時(shí)，3種不同機(jī)理對(duì)電磁輻射進(jìn)行衰減，在入射表面由阻抗突變引起的電磁波反射衰減，未被反射而進(jìn)入屏蔽體的電磁波被材料吸收的衰減，在屏蔽體內(nèi)部的多次反射衰減。屏蔽材料的屏蔽性能由屏蔽效能SE來計(jì)算[10]，如式(9):

(9)

式中：E0，E1分別為有、無屏蔽體時(shí)電場(chǎng)強(qiáng)度；H0，H1分別為有、無屏蔽體時(shí)磁場(chǎng)強(qiáng)度。

本文針對(duì)TMR電流傳感器設(shè)計(jì)了一種磁屏蔽結(jié)構(gòu)，如圖6所示。TMR元件和電路板安裝在空心絕緣環(huán)上層，絕緣環(huán)內(nèi)部空腔供待測(cè)電流導(dǎo)線穿過，因此通過絕緣環(huán)使得電流導(dǎo)線與TMR傳感器之間電絕緣。在整個(gè)核心模塊外部封閉一磁屏蔽籠。磁屏蔽環(huán)采用高磁導(dǎo)率和高電導(dǎo)率的銅質(zhì)金屬材料制成，有效抑制周圍環(huán)境的外磁場(chǎng)對(duì)TMR電流傳感器的影響，提高TMR電流傳感器的測(cè)量精度。

圖6 TMR電流傳感器屏蔽結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

電網(wǎng)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中的復(fù)雜電磁干擾是影響TMR磁性電流傳感器工程應(yīng)用的最大問題。本文針對(duì)該問題，研究了TMR電流傳感器受到的2類典型電磁干擾，并針對(duì)不同干擾提出了有效的抗干擾技術(shù)，為高精度TMR電流傳感器在電力系統(tǒng)中應(yīng)用提供了必要的技術(shù)支撐。