咨询文件 / Consultation Paper

基于聚磁环结构的电流传感器

随着各种新技术的兴起，物联网、大数据等技术与工业的结合，工业领域的大数据环境正在逐渐形成，数据从生产、制造过程中的副产品转变为备受企业关注的战略资源。电力行业作为国家基础性能源设施以及电能生产、传输的特殊性，决定了电力行业对大数据的需求将大大超越其他基础能源行业。电力行业中的数据种类复杂，如节点电压、电流、功率因数、设备的温度等，这些数据对电网的运行与合理规划十分关键。而作为采集、转换、处理电力数据信息的重要器件——传感器，已经成为电力领域中不可缺少的重要技术工具。传感技术作为现代科技的前沿技术，与计算机技术、通信技术被认为是现代信息技术的三大技术支柱，也成为21世纪人类争夺高科技技术的制高点。然而，相对于另外两大技术，传感技术的发展却比较滞后，造成了“大脑发达，五官不灵”的局面；同时各行业对传感器技术和产品的需求不断提升，高效、稳定、适应性强的新型传感技术成为产业发展的迫切需要。

电力系统中需要测量的电流种类非常多，电力系统中常见电流的幅值和频率，电力系统中电流类型包括：输电线路正常工作的线路电流，非正常状态下的短路电流、电晕电流、雷电电流、谐波电流，电气设备泄露电流等，电流幅值范围从?A级别到kA级别不等，频率范围涵盖直流到 MHz级别。根据电流幅值的大小，可将电力系统中的电流测量需求分为中小电流、正常工作电流、暂态电流三类。中小电流主要包括谐波电流、电气设备的泄露电流，其特点是幅值和频率较小，持续时间长；正常工作电流包括交、直流输电线路，配电系统正常工作的电流，其特点是幅值适中，持续时间长；暂态电流的特点是幅值大，持续时间短，频率很高，如短路电流、雷电电流等。

目前，应用在电力系统的电流传感器主要有：电流互感器、罗氏线圈、分流器、光纤电流互感器、磁通门电流传感器、霍尔电流传感器、巨磁阻电流传感器等，这些传感器主要基于以下物理原理：电磁感应定律、欧姆定律、法拉第效应和磁场传感器。下表为上述电流传感器的性能特性对照表。

与传统电流互感器相比，基于TMR效应的电流传感器具有能够测量直流到高频（MHz 量级）的电流信号，测量范围宽，灵敏度高和体积小等优点，尤其是TMR电流传感器能够测量直流电流，这对于直流输电系统中换流站中直流的监测极为有利；与霍尔电流传感器相比，其体积较小，灵敏度高，且具有更好的温度稳定性，能够适应电网环境温度的剧烈变化；与新型光纤电流传感器、罗氏线圈、磁通门电流传感器相比，其结构简单、制造简便且造价低廉，便于大规模推广使用。
 

1基本原理
1.1TMR电流传感器基本原理
TMR电流传感器的测量原理如下图所示。当导体内部流过电流I时，根据右手螺旋定则，导线周围将产生螺旋线状的磁场，磁场大小正比于导体内部电流大小，将TMR芯片固定在导体周围某处，并使导线产生的磁场方向与TMR芯片的敏感轴方向保持平行，以获得最大输出电压。当导体内部电流大小改变时，周围磁场大小随之发生变化，TMR芯片内部磁电阻也相应发生变化，由于芯片内部使用电桥结构，磁场的变化被转换为对应的输出电压信号，因此当保持导体和TMR芯片的相对位置不变时，可根据TMR芯片的输出电压间接反映导体内部的电流，以达到电流测量的目的。

1.1闭环型TMR电流传感器原理
闭环TMR电流传感器的具体工作原理如下图所示，Ip为初级电流，即待测电流，初级圈匝数为N1，N1通常为 1；Is为反馈电流，反馈线圈匝数为N2。Ip在聚磁环内部产生的磁通量是Φp，Is产生的磁通量是 Φs。初级电流产生的磁场作用于TMR芯片，将产生输出电压信号，输出电压由运算放大器放大，并经过功率放大器，得到反馈电流 Is，Rm为反馈电阻，反馈线圈通过 Rm 连接到地。当反馈电流Is在反馈线圈中流动时，可以产生反馈磁场。因为反馈磁场的方向与初级磁场相反，TMR芯片的输出电压和反馈电流 Is 将逐渐减小，直至初级磁场与反馈磁场相等。此时，反馈电流 Is 停止下降，整个系统达到动态平衡，即零通量状态。因此，Ip和Is之间的关系可以表达为：

当待测电流发生变化时，平衡状态被打破，TMR芯片会产生相应的输出电压，输出电压被放大后产生相应的反馈电流以补偿不平衡磁场，从而重现达到平衡状态。因为实现平衡所需的时间不足1?s，因此闭环结构具有很高的响应速度。通过检测反馈回路中反馈电阻 Rm 上的电压值，可以间接反映出待测电流的大小。闭环结构的TMR电流传感器中，补偿电流 Is 是待测电流Ip的精确映射，具有非常高的精度和良好的线性度，其响应时间非常短，可以测量不规则的电流。同时，由于其负反馈环节的存在，可以在一定程度上抵消温度变化带来的误差。当温度升高时，TMR芯片的输出电压减小，反馈电路产生的补偿电流相应减小，待测电流Ip产生的磁场与补偿电流 Is 产生的磁场的差值增加，导致TMR芯片的输出电压增加，从而抵消温度变化产生的误差。
 

1.1聚磁环仿真分析
聚磁环结构可以聚集载流导线产生的磁场，提高TMR电流传感器的灵敏度，聚磁环结构如下图所示。引入聚磁环结构的TMR电流传感器的灵敏度与聚磁环的结构和材料有关，如聚磁环内半径 r、聚磁环宽度 rd，即 R-r、聚磁环气隙宽度 d、聚磁环相对磁导率 ? 等因素有关，因此分别对每一个因素进行分析讨论。
采用仿真的方法分别进行分析。建立如下图所示的模型，导线的半径为 5mm，设定其他参数的初始设定值分别为：聚磁环的内半径 r 为 10mm，宽度 rd 的初始值为 2mm，聚磁环气隙宽度 d为 2mm，聚磁环的相对磁导率 ? 设定为 1000。分别对每一个参数进行参数化扫描，分析其对TMR电流传感器的测量影响。

聚磁环结构TMR电流传感器的灵敏度主要与聚磁环相对磁导率 ?、聚磁环气隙宽度 d 有关，而聚磁环内半径 r、聚磁环宽度 rd 对TMR电流传感器灵敏度的影响不大。
 

1.4屏蔽结构仿真分析
TMR电流传感器是通过测量通电导体产生的磁场来间接反映待测电流的大小，对磁场具有高灵敏度，因此也容易受到杂散磁场的干扰，在实际使用中，TMR电流传感器的应用环境复杂，来自周围环境的杂散磁场会对电流测量结果产生一定的误差。聚磁环结构可以起到一定的屏蔽杂散磁场的作用。为增加屏蔽壳结构后，XY 平面的磁场分布情况，可以看出，由于磁屏蔽壳结构的完整性，为杂散磁场提供了磁通路，空间中的杂散磁场一部分沿着屏蔽壳穿过，此时气隙中心处磁通密度为0.1429mT，屏蔽壳的屏蔽效能为 16.9dB，具有更优的屏蔽效能。

2.电流传感器结构设计方案
TMR电流传感器的硬件原理框图如下图所示，由电源、信号放大、滤波电路、偏置调零电路、温度补偿电路、功率放大电路、反馈线圈等组成。

2.1 电源模块
TMR电流传感器采用12V 锂电池为整个电路供电，其容量大，安全可靠，能为电路提供稳定的电能来源。由于电路中使用运算放大器对双极性信号进行放大，需使用双极性电源，同时TMR芯片的工作电压为 1~7V，TMR芯片供电电压设定为+5V，所以需对 12V 输入电压进行转换，其整体方案如图下图所示。

2.2 放大模块
设计两级放大电路，即前级信号放大电路和次级信号放大电路。TMR芯片输出电压为 mV量级，设计两级信号放大电路既保证较高的电压放大倍数，同时不影响电路性能；设计截止频率为1MHz二阶低通滤波器抑制高频噪声。

2.2 闭环反馈模块
闭环反馈电路即负反馈环节。由于运放的输出信号不能直接驱动反馈线圈，所以需设计功率放大部分，将运放的输出电压进行功率放大后，驱动反馈线圈，从而在反馈电阻上获取电压信号，闭环反馈电路如下图所示。

3.电流传感器性能测试

3.1  电流范围测试
交流测试平台的原理图，使用的测试设备包括闭环TMR电流传感器，Agilent 33220A函数发生器，YE5872A 功率放大器、Tektronix MDO 3012双通道示波器等。

3.2  误差水平测试

线性度是电流传感器的重要静态指标之一，其定义为：传感器测量的曲线与拟合直线间的最大偏差（ΔYmax）与满量程输出（Y）的百分比，也称为“非线性误差”。电流传感器的测量曲线与拟合曲线如下图所示，当电流为 70A 时，最大偏差为0.618A，因此线性度为 0.386%。

3.3  频率响应测试
测试闭环TMR电流传感器的频率响应特性。闭环TMR电流传感器的-3dB 带宽大致为 550kHz。闭环TMR电流传感器相比于开环结构，引入了负反馈环节，其响应速度更快，具有比开环结构更宽的频带范围，闭环结构的TMR电流传感器均具有较宽的频带范围，可满足电力系统中大部分电流的测试需求。

4.结语
在各种先进技术的冲击下，传统电网已不能满足电力行业建设和运营的要求，智能电网的快速发展，对传感技术提出了更高的要求。电流作为电力数据最重要的参数之一，电流的精确测量具有十分重要的意义。基于隧道磁电阻效应的闭环电流传感技术，具有一定的理论意义和实际价值。闭环TMR电流传感器的灵敏度可以达到20.02 mV/A，额定测量范围为±120 A,-3 dB带宽大致可以达到550kHz，测量精度等级为1.0级。