陳玲君，徐少華

（紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000）

0 引 言

近年來，隨著新的發(fā)電方式和儲(chǔ)能方式的推廣使用，如新能源大量使用可控硅、整流和變頻設(shè)備等，交流電網(wǎng)的直流分量呈上升趨勢(shì)。在直流分量作用下，電磁式電流互感器的主磁通為直流磁通與交流磁通的疊加，直流分量全部用來勵(lì)磁。由于鐵芯勵(lì)磁特性的非線性，直流分量的增加，使得勵(lì)磁電流呈現(xiàn)正負(fù)半周不對(duì)稱的形狀，產(chǎn)生大量諧波。這些都將直接影響電力系統(tǒng)中采用電磁感應(yīng)原理工作的設(shè)備。一旦發(fā)生測(cè)量失誤，將導(dǎo)致電力部門或用電部門虧損。

隨著隧道磁阻傳感器的快速發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)基于隧道磁阻效應(yīng)的電子式電流傳感器開展了深入研究。天津大學(xué)陳曉芳[1]研究了隧穿磁阻（Tunneling Magnetoresistance，TMR）電流傳感器復(fù)雜電磁環(huán)境抗干擾技術(shù)，重慶理工大學(xué)馬紹波[2]研究設(shè)計(jì)了基于隧穿磁阻效應(yīng)電流傳感器的絕緣子泄漏電流檢測(cè)系統(tǒng)，南京理工大學(xué)史輪[3]仿真分析了閉環(huán)隧道磁電阻電流傳感器在直流電源配電網(wǎng)中的適用性，天津大學(xué)劉卿[4]研究了隧穿磁阻電流傳感器失調(diào)與噪聲消除技術(shù)，電子科技大學(xué)陳亞鋒[5]研究了基于TMR傳感器的大電流測(cè)量技術(shù)，東南大學(xué)單婷婷[6]研究了基于機(jī)器學(xué)習(xí)及隧穿磁阻傳感器測(cè)量技術(shù)的空間電荷分布，蘭州大學(xué)芮勝駿[7]研究了基于TMR的開環(huán)數(shù)字式電流傳感器的動(dòng)態(tài)范圍和精度。由上述分析可見，盡管眾多學(xué)者已經(jīng)在隧道磁阻效應(yīng)的電子式電流傳感器上面做了許多嘗試，但幾乎沒有具體給出抗直流分量和偶次諧波影響的誤差特性。

本文設(shè)計(jì)的隧道磁阻效應(yīng)電流傳感器，使用TMR磁場(chǎng)傳感器放置于圓形鐵芯的一個(gè)缺口處，用來測(cè)量鐵芯內(nèi)的磁通量，并通過運(yùn)算放大器將補(bǔ)償線圈的一端電壓改變，從而測(cè)量另一端測(cè)量電阻上的輸出電壓，通過改變端點(diǎn)電壓的方式抵消感應(yīng)磁場(chǎng)產(chǎn)生的感應(yīng)電壓，從而可大大提高測(cè)量的靈敏度，能有效實(shí)現(xiàn)直流和偶次諧波在功率因數(shù)0.5 L下誤差影響量不超過1.0%（功率因素0.5 L表示負(fù)載呈感性功率因素為0.5）。

1 電磁式電流互感器在直流分量下的超差分析

在直流分量作用下，電磁式電流互感器的主磁通為直流磁通與交流磁通的疊加，直流分量全部用來勵(lì)磁。由于鐵芯勵(lì)磁特性的非線性，直流分量的增加，使得勵(lì)磁電流呈現(xiàn)正負(fù)半周不對(duì)稱的形狀，產(chǎn)生大量諧波。傳統(tǒng)的電流互感器的傳變特性變差，最終使鐵芯飽和，導(dǎo)致誤差增大，使電能計(jì)量的準(zhǔn)確性受到影響。對(duì)正弦半波波形進(jìn)行分析，直流含量為基波含量的60%以上，是最為嚴(yán)重的直流偏磁狀態(tài)[8]。

參照國際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，IEC）制定的IEC 62053-21標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)提出了《電測(cè)量設(shè)備（交流） 特殊要求 第21部分：靜止式有功電能表 (A級(jí)、B級(jí)、C級(jí)、D級(jí)和E級(jí))》（GB/T 17215.321—2021）標(biāo)準(zhǔn)，三相直接式電能表在直流和偶次諧波條件下的影響量試驗(yàn)，在功率因素0.5L的情況下，電能表誤差要小于3%[9]。

為確保交直流分量下電流互感器的誤差測(cè)量性能，現(xiàn)有的電磁感應(yīng)式抗直流分量電流互感器一般采用雙鐵芯或特殊材料單鐵芯作為鐵芯材料。功率因數(shù)1.0時(shí)，測(cè)量誤差不高于3%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。其波形如圖1所示。

圖1 功率因數(shù)1.0時(shí)的波形

功率因數(shù)0.5L時(shí)，由于鐵芯勵(lì)磁的非線性，再受功率因數(shù)影響，角差測(cè)量存在偏差，測(cè)量誤差在+10%以上，不能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。如采用軟件補(bǔ)償，無法精準(zhǔn)捕捉測(cè)量點(diǎn)角差，精準(zhǔn)補(bǔ)償有難度[10]。

2 隧道磁阻效應(yīng)電流傳感器的原理和方法

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隧道磁阻效應(yīng)電流傳感器結(jié)構(gòu)受霍爾電流傳感器的啟發(fā)，運(yùn)用隧道磁阻（TMR）技術(shù)利用磁性多層膜材料磁電阻效應(yīng)[11]，以感應(yīng)磁場(chǎng)強(qiáng)度來準(zhǔn)確測(cè)量電流、位置、方向等物理參數(shù)，主要分為開環(huán)式和閉環(huán)式兩種。采用閉環(huán)式，如圖2所示，隧道磁阻效應(yīng)電流傳感器主要包括TMR磁場(chǎng)傳感器、磁芯、補(bǔ)償線圈、運(yùn)算放大器及測(cè)量電阻等。補(bǔ)償線圈圍繞在磁芯上，磁芯旋轉(zhuǎn)在電線周圍且保持同心并具有一個(gè)缺口，TMR磁場(chǎng)傳感器位于鐵芯缺口中心位置且保持水平，用于檢測(cè)從鐵芯處產(chǎn)生的磁場(chǎng)，如圖3所示，單個(gè)TMR磁場(chǎng)傳感器由4個(gè)TMR按電橋方式連接并輸出相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)。當(dāng)電流穩(wěn)定時(shí)，鐵芯內(nèi)磁通量穩(wěn)定，上下兩側(cè)TMR線性磁場(chǎng)傳感器輸出電壓幅值相等；當(dāng)電流增大時(shí)，鐵芯內(nèi)磁通量增大，上側(cè)TMR線性磁場(chǎng)傳感器輸出電壓大于下側(cè)；當(dāng)電流減小時(shí)，鐵芯內(nèi)磁通量減小，上側(cè)TMR線性磁場(chǎng)傳感器輸出電壓小于下側(cè)。因此，可以通過檢測(cè)兩側(cè)TMR傳感器的壓差實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量[12]。

圖2 電子式電流傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

圖3 TMR磁場(chǎng)傳感器全橋結(jié)構(gòu)

2.2 電子式電流傳感器原理

電子式電流傳感器的電學(xué)模型如圖4所示。

圖4 電磁互感原理圖

當(dāng)電線中存在電流時(shí)，補(bǔ)償線圈中存在的磁感應(yīng)強(qiáng)度[8]為

式中：B為磁感應(yīng)強(qiáng)度，μ0為鐵芯的磁導(dǎo)率。通過線圈的磁通量為

式中：S為補(bǔ)償線圈截面積。可得到線圈輸出的電壓為

式中：kB為靈敏度系數(shù)，N為線圈的匝數(shù)。

TMR線性磁場(chǎng)傳感器當(dāng)外加敏感方向磁場(chǎng)強(qiáng)度-8～8 mT時(shí)，TMR線性磁場(chǎng)傳感器輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比，靈敏度可達(dá)kB=31 mV/（V·mT）。

由于電線中存在著不穩(wěn)定電流，將使補(bǔ)償線圈內(nèi)存在感應(yīng)電勢(shì)、內(nèi)阻、電容，通過如圖5所示的電學(xué)模型對(duì)感應(yīng)電流進(jìn)行分析，可得測(cè)量電阻電壓為[13]：

圖5 等效電路

對(duì)式（6）消去i′(t)后，進(jìn)行拉氏變換并化簡(jiǎn)，得到：

從式（6）、式（7）、式（8）和式（9）可以看到，為了達(dá)到精確靈敏度，必須使得傳遞函數(shù)的幅值較小[14]。

3 試驗(yàn)測(cè)試與分析

為進(jìn)一步獲得直流和偶次諧波電流激勵(lì)下測(cè)量數(shù)值與各相關(guān)要素之間的關(guān)系，搭建如圖6所示的測(cè)試原理圖，測(cè)試三相電能表校驗(yàn)檢測(cè)。根據(jù)以上測(cè)試原理進(jìn)行實(shí)物測(cè)試，試驗(yàn)樣機(jī)及測(cè)試系統(tǒng)如圖7、圖8所示。試驗(yàn)樣機(jī)由5只樣表組成，分別是雙磁芯抗直流分量互感器采樣（以下簡(jiǎn)稱電磁感應(yīng)式電流互感器）的三相表、隧道磁阻效應(yīng)電流傳感器采樣（以下簡(jiǎn)稱電子式電流傳感器）的三相表和三只錳銅采樣的單相表（A相、B相、C相）。主要試驗(yàn)儀器包括三相電能表校驗(yàn)測(cè)試儀（輸出交流電壓為220 V，最大電流20 A）及MSO6014A型混合型號(hào)示波器等。三只單相表都采用錳銅分流器進(jìn)行電流采樣，在半波試驗(yàn)中不會(huì)受到直流和偶次諧波的影響，所以雙磁芯抗直流分量互感器和電子式電流傳感器分別采樣的三相表，通過跟三只單相表的用電量總和比較就可以算出在半波試驗(yàn)中的誤差。

圖6 測(cè)試原理圖

圖7 電流傳感器實(shí)物圖

圖8 試驗(yàn)樣機(jī)及測(cè)試系統(tǒng)

表1 電表初始誤差

在測(cè)試電壓3×220 V，電流20 A，功率因數(shù)0.5L的半波測(cè)試條件下，測(cè)試5小時(shí)，結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，常用的雙磁芯抗直流分量互感器采樣三相表所采集的用電量為21.39 kWh，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單相表A、單相表B、單相表C的用電量之和17.56 kWh，超出實(shí)際多計(jì)量21.8%；電子式電流傳感器采樣的三相表用電量為17.57 kWh，基本與三只單相表的用電總和相等，超出實(shí)際多計(jì)量0.057%。

表2 直流（半波）測(cè)試條件一的測(cè)試結(jié)果

在測(cè)試電壓3×220 V，電流20 A，功率因數(shù)1.0的半波測(cè)試條件下，測(cè)試9小時(shí)，結(jié)果如表3所示?？梢钥闯觯Ｓ玫碾p磁芯抗直流分量互感器采樣三相表所采集的用電量為55.51 kWh，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單相表A、單相表B、單相表C的用電量之和56.02 kWh，超出實(shí)際少計(jì)量0.9%；電子式電流傳感器采樣的三相表用電量為56.01 kWh，基本與三只單相表的用電總和相等，超出實(shí)際少計(jì)量0.018%。

表3 直流（半波）測(cè)試條件二的測(cè)試結(jié)果

在測(cè)試電壓3×220 V，電流20 A，功率因數(shù)0.8C的半波測(cè)試條件下，測(cè)試8小時(shí)，結(jié)果如表4所示?？梢钥闯?，常用的雙磁芯抗直流分量互感器采樣三相表所采集的用電量為42.29 kWh，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單相表A、單相表B、單相表C的用電量之和45.71 kWh，超出實(shí)際少計(jì)量7.5%；電子式電流傳感器采樣的三相表用電量為45.72 kWh，基本與三只單相表的用電總和相等，超出實(shí)際少計(jì)量0.022%。

表4 直流（半波）測(cè)試條件三的測(cè)試結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，用電子式電流傳感器采樣的電表用電量基本與錳銅采樣的電表用電量接近，誤差基本為零；而用電磁感應(yīng)式電流互感器采樣的電表在不同功率因數(shù)下計(jì)量都不準(zhǔn)確，其在測(cè)試電壓3×220 V，電流20 A下的誤差如表5所示。

表5 電磁感應(yīng)式電流互感器電表誤差測(cè)試結(jié)果

4 結(jié) 語

在直流（半波）條件下測(cè)試，基于隧道磁阻效應(yīng)的電流傳感器采樣的電表用電量基本與錳銅采樣的電表用電量接近，誤差基本為零，而電磁式電流互感器采樣的電表在不同功率因數(shù)下計(jì)量都不準(zhǔn)確。因此，電子式電流傳感器能有效實(shí)現(xiàn)在直流和偶次諧波影響下的高精度電流采樣，直接替換微型電磁式電流互感器。由此，基于隧道磁阻效應(yīng)的電流傳感器能夠廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)、新能源和廣播電視設(shè)備領(lǐng)域的電流測(cè)量。