本發(fā)明涉及一種基于巨磁阻效應(yīng)的多量程電流傳感裝置，屬于電力系統(tǒng)量測技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

電力避雷器是電力系統(tǒng)中非常重要的一種保護裝置，可有效限制電力系統(tǒng)中雷電或操作過電壓，保護電氣設(shè)備絕緣，確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行。在正常情況下，避雷器呈現(xiàn)高阻態(tài)，作為絕緣設(shè)備運行；而當被保護設(shè)備承受過電壓侵入時，避雷器呈現(xiàn)低阻態(tài)，使大電流經(jīng)過避雷器流入大地，從而保證電氣設(shè)備免受過電壓損害。對電力避雷器工作狀態(tài)的實時監(jiān)測可以反映避雷器狀態(tài)及性能，有效的預(yù)防避雷器失效造成的電力系統(tǒng)事故。

表征電力避雷器狀態(tài)的特征物理量包括全電流、阻性電流、阻性電流基波分量、阻性電流的三次諧波分量等。因此，對電力避雷器各電流的測量可實現(xiàn)對其工作狀態(tài)的實時監(jiān)測。一般而言，在正常工作狀態(tài)下，流過電力避雷器的泄漏電流非常小(mA量級)，故對泄漏電流的準確測量要求電流傳感器具有高精度以及足夠的分辨率。同時，雷電及操作沖擊電壓造成的通過電力避雷器的泄放電流(kA量級)將造成電力避雷器的劣化，因此也需要準確測量。綜上，應(yīng)用于電力避雷器狀態(tài)監(jiān)測的電流傳感器必須具備大動態(tài)測量范圍、高分辨率和精度以及優(yōu)異的頻響特性，這無疑是電力避雷器在線監(jiān)測的重點和難點。目前，電力系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的電流互感器和羅氏線圈通常難以達到上述要求，因此亟待開發(fā)一種小型化、低成本、高性能的新型電流傳感器，滿足對電力避雷器狀態(tài)在線監(jiān)測的需求。

巨磁阻效應(yīng)是一種鐵、鈷、鎳等鐵磁金屬和金屬合金薄膜材料在磁場作用下電阻發(fā)生較大變化的物理現(xiàn)象。自1988年被發(fā)現(xiàn)以來，巨磁阻效應(yīng)材料因其高可集成度、高靈敏度、高工作帶寬范圍、小體積、小溫漂等特點在磁記錄、電流傳感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前，巨磁阻電流傳感器在電力傳輸線路電流測量等領(lǐng)域已有初步應(yīng)用。

由于巨磁阻對磁場的高靈敏度特性，使其易受外界雜散磁場的影響。因此在其應(yīng)用過程中，一般采用集磁環(huán)結(jié)構(gòu)的傳感頭對電流進行測量。對于常用的鐵氧體磁環(huán)，其相對磁導(dǎo)率遠遠大于1，使得集磁環(huán)結(jié)構(gòu)的測量相對于無磁環(huán)的測量具有諸多優(yōu)勢。磁環(huán)可以降低GMR芯片與被測導(dǎo)線相對位置的敏感性，屏蔽外部電磁干擾，極大的放大被測電流產(chǎn)生的微弱磁場。傳感器被放在磁環(huán)的氣隙中，氣隙中的磁場值基本保持恒定。

目前應(yīng)用的巨磁阻電流傳感器采用單一磁環(huán)，對于不同電流量程的測量，需要通過更換電流傳感器及改變磁環(huán)尺寸實現(xiàn)。

但在實際應(yīng)用中，考慮測量的易操作性，需要實現(xiàn)同一裝置對電力避雷器泄漏電流(mA級)及泄放電流(kA級)同時進行測量的功能。另一方面，在測量泄放電流時，若采用一般的鐵氧體磁環(huán)，kA級電流易使磁環(huán)材料達到飽和，同時氣隙的磁場值也將超出傳感器的線性范圍，雖然通過增大磁環(huán)尺寸可以降低氣隙磁場，但對裝置的合理布置又提出了挑戰(zhàn)。因此目前這種單一鐵氧體磁環(huán)在測量電力避雷器6-7個數(shù)量級的大電流變換范圍測量中難于滿足在實際應(yīng)用的需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種基于巨磁阻效應(yīng)的多量程電流傳感裝置。本發(fā)明同時采用兩個同軸磁環(huán)對應(yīng)兩個傳感器以測量不同量程的電流。在測量電力系統(tǒng)避雷器電流方面具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

本發(fā)明提出的基于巨磁阻效應(yīng)的多量程電流傳感裝置，其特征在于，該裝置包括：基于巨磁阻效應(yīng)的電流傳感器單元和對應(yīng)的模擬信號調(diào)制電路，以及磁環(huán)單元；其中，所述電流傳感器單元：它包括兩個巨磁阻傳感器；用于測量流過電力避雷器的電流，一個為高靈敏度小量程的傳感器，測量正常工作情況下的泄漏電流；另一個為低靈敏度大量程的傳感器，測量過電壓情況下的泄放電流的變化；所述磁環(huán)單元由同軸放置的具有不同相對磁導(dǎo)率的鐵氧體小磁環(huán)和柔性鐵氧體大磁環(huán)構(gòu)成；所述高靈敏度小量程的傳感器放置在所述鐵氧體小磁環(huán)的氣隙中，所述低靈敏度大量程的傳感器放置在所述柔性鐵氧體大磁環(huán)的氣隙中；所述模擬信號調(diào)制電路由分別與所述兩個巨磁阻傳感器相連的兩個模擬信號調(diào)制電路組成。

本發(fā)明的技術(shù)特點：

本發(fā)明利用巨磁阻傳感器本身具有的高精度、高分辨率、大動態(tài)、高頻響等諸多優(yōu)勢，同時考慮不同磁性材料的磁導(dǎo)率和磁化曲線的線性范圍，采用兩個同軸磁環(huán)，并在每個磁環(huán)氣隙中放置對應(yīng)的傳感器以測量不同量程的電流。在測量泄漏電流(小電流)情況下，采用鐵氧體小磁環(huán)及對應(yīng)的傳感器；在測量泄放電流(大電流)情況下，采用柔性鐵氧體大磁環(huán)及對應(yīng)的傳感器。兩個傳感器經(jīng)過模擬信號調(diào)制電路得到傳感器的差分輸出電壓，實現(xiàn)同一裝置測量多個量程電流的目的。

其有益效果如下：

1.本發(fā)明利用巨磁阻效應(yīng)傳感器高精度、高分辨率、大動態(tài)、高頻響等特點，應(yīng)用兩種電流傳感器對流過電力避雷器的泄漏電流(mA級)和泄放電流(kA級)實現(xiàn)精確測量。通過小磁環(huán)高磁導(dǎo)率、大磁環(huán)低磁導(dǎo)率的設(shè)計，使得在測量泄漏電流時，小磁環(huán)內(nèi)磁場達到高靈敏度小量程巨磁阻傳感器的線性測量區(qū)域，在測量泄放電流時，大磁環(huán)內(nèi)磁場達到低靈敏度大量程巨磁阻傳感器的線性測量區(qū)域。測量電流范圍大，涉及6-7個數(shù)量級，有效實現(xiàn)對電力避雷器實時狀態(tài)的監(jiān)測，提高了電網(wǎng)的運行穩(wěn)定性及絕緣水平。

2.本發(fā)明大磁環(huán)通過采用柔性鐵氧體材料，具有韌性，適應(yīng)一定的變形與脹縮，在使用時更為靈活，適合與小磁環(huán)的多種結(jié)構(gòu)配合，兩個磁環(huán)的氣隙開口方向可根據(jù)測量空間進行旋轉(zhuǎn)調(diào)整，選取合適材料的柔性鐵氧體磁環(huán)并設(shè)計合適的磁環(huán)尺寸，在放大被測電流產(chǎn)生磁場的同時有效屏蔽了外界電磁干擾。

3.本發(fā)明通過同軸磁環(huán)的設(shè)計，實現(xiàn)了采用同一裝置對泄漏電流和泄放電流進行監(jiān)測的功能，通過模擬信號調(diào)制電路對兩路差分電壓實現(xiàn)輸出，根據(jù)所測電流的不同選取對應(yīng)的輸出通道電壓進行分析。

4.本發(fā)明通過采用同軸磁環(huán)的設(shè)計方案，同時計算得到合適的磁環(huán)尺寸，使得裝置在應(yīng)用過程中具有測量準確性高、測量范圍廣、便攜性、易用性、自動化等一系列優(yōu)點，在測量電力系統(tǒng)避雷器電流方面具有十分廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的多量程電流傳感裝置示意圖。

圖2是本發(fā)明的同軸磁環(huán)俯視示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明提出的基于巨磁阻效應(yīng)的多量程電流傳感裝置結(jié)合附圖及實施例說明如下：

本發(fā)明的基于巨磁阻效應(yīng)的多量程電流傳感裝置組成結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括基于巨磁阻效應(yīng)的電流傳感器單元和對應(yīng)的模擬信號調(diào)制電路，以及磁環(huán)單元；各部分具體實施分別說明如下：

(1)基于巨磁阻效應(yīng)的電流傳感器單元：它包括兩個巨磁阻傳感器；所述的巨磁阻傳感器的功能為測量流過電力避雷器的電流，包括正常工作情況下的泄漏電流以及過電壓情況下的泄放電流的變化。傳感器為惠斯通全電橋(4個巨磁電阻)的結(jié)構(gòu)，采用電壓恒定的電源對電橋進行供電，對應(yīng)輸出與被測電流成線性關(guān)系的差分電壓。

由于測量的泄漏電流與泄放電流間相差6-7個數(shù)量級，本發(fā)明采用兩款線性傳感器進行電流的測量。其中一個傳感器的實施例采用中國多維科技公司高靈敏度小量程的MMLH45F隧道磁電阻傳感器，用于測量泄漏電流；另一個傳感器的實施例采用中國多維科技公司低靈敏度大量程的TMR501隧道磁電阻傳感器，用于測量泄放電流。

(2)磁環(huán)單元：由大小兩個同軸鐵氧體磁環(huán)組成。本實施例的鐵氧體小磁環(huán)內(nèi)徑為26mm，外徑為47mm，磁環(huán)氣隙為8mm，采用鐵氧體材料制成；所述高靈敏度小量程的隧道磁電阻傳感器位于小磁環(huán)氣隙中，鐵氧體小磁環(huán)的相對磁導(dǎo)率大于1000，在測量避雷器的泄漏電流時，有效實現(xiàn)測量磁場的放大及外界磁場的屏蔽。所述鐵氧體大磁環(huán)內(nèi)徑為342mm，外徑為358mm，磁環(huán)氣隙為60mm，采用柔性鐵氧體材料制成；所述靈敏度大量程的隧道磁電阻傳感器位于柔性鐵氧體大磁環(huán)氣隙中，柔性鐵氧體大磁環(huán)的相對磁導(dǎo)率在70-100之間，在測量避雷器的短路泄放電流時，有效實現(xiàn)外界磁場的屏蔽。柔性鐵氧體大磁環(huán)使用靈活，其氣隙開口方向可與小磁環(huán)開口方向根據(jù)測量空間進行調(diào)整，兩個同軸磁環(huán)配合結(jié)構(gòu)示意如圖2所示，其中大小兩個鐵氧體磁環(huán)1、2同軸，大小兩個鐵氧體磁環(huán)用環(huán)氧樹脂材料制作的可拆卸的連接桿件3連成一個整體，外側(cè)柔性鐵氧體磁環(huán)可自由安裝拆卸，并且與小磁環(huán)的相對擺放位置自由，兩個磁環(huán)的氣隙開口方向可根據(jù)測量空間進行旋轉(zhuǎn)調(diào)整，如圖2(a)所示兩個磁環(huán)的氣隙同向，或兩個磁環(huán)的氣隙成一角度，如圖2(b)所示。

(3)兩個傳感器對應(yīng)的兩個模擬信號調(diào)制電路：由信號處理單元及電源單元組成，兩個傳感器的輸出信號分別傳輸至對應(yīng)的模擬信號調(diào)制電路中，所述的模擬信號調(diào)制電路的功能是為傳感器提供電源并對其輸出電壓進行放大處理，本實施例的兩個傳感器的信號調(diào)制電路分別與對應(yīng)的兩個傳感器位于兩塊獨立的PCB板上，其中兩個信號處理單元均采用帶寬大于30MHz的差分運算放大器AD8044，兩個電源單元分別采用電壓參考源芯片LM7805、LM7905；傳感器位于磁環(huán)氣隙中，傳感器對氣隙磁場的響應(yīng)信號輸出至后端位于同一塊PCB板的信號調(diào)制電路，經(jīng)過調(diào)制后的輸出信號被傳輸至外部的信號采集裝置，所述信號采集裝置可以是示波器或采集卡，不屬于本裝置的部件。整塊PCB板根據(jù)測量位置進行擺放固定，保證測量過程中磁場傳感器部分位于氣隙中。

本發(fā)明裝置的測量方法為：

根據(jù)安培環(huán)路定律，磁環(huán)氣隙中的磁場強度H為：

其中，I為流過電力避雷器的電流，r為磁環(huán)半徑，d為磁環(huán)氣隙長度，μ_r為磁環(huán)的相對磁導(dǎo)率。

大磁環(huán)材料為柔性鐵氧體，其相對磁導(dǎo)率在70-100之間，主要測量電力避雷器的泄放電流(最高達10kA)，采用低靈敏度大量程的TMR501隧道磁電阻傳感器。此時不滿足遠遠小于d的條件，氣隙磁場采用上式進行計算。

小磁環(huán)材料為鐵氧體，其相對磁導(dǎo)率大于1000，主要測量電力避雷器的泄漏電流(最低達1mA)，采用高靈敏度小量程的MMLH45F隧道磁電阻傳感器。此時滿足則氣隙磁場計算式簡化為：

在測量過程中，將電力避雷器的接線置于小磁環(huán)中并將整個測量裝置擺放固定，兩個同軸磁環(huán)中的兩個傳感器的輸出電壓輸出至模擬信號調(diào)理電路的輸入端，并最終輸出至外部的信號采集裝置，根據(jù)采集裝置的輸出電壓可以得到氣隙中的磁場值，并根據(jù)上述兩個公式，分別對大、小磁環(huán)對應(yīng)的泄放測量電流及泄漏電流進行反推，從而實現(xiàn)避雷器電流的測量?？紤]到兩種傳感器的靈敏度及測量線性區(qū)域，本發(fā)明可測的最小的泄漏電流達到1mA，最大的泄放電流達到10kA。兩者相差7個數(shù)量級，對電力避雷器運行狀態(tài)實現(xiàn)了有效監(jiān)測。所述測量方法不屬于本發(fā)明裝置的內(nèi)容。

本發(fā)明提出的基于巨磁阻效應(yīng)的多量程電流傳感裝置，通過設(shè)置兩個不同磁導(dǎo)率的同軸磁環(huán)，實現(xiàn)采用同一裝置對電力避雷器泄漏電流和泄放電流測量的功能。其突出優(yōu)點在于所測電流范圍大，最小電流及最大電流間可相差7個數(shù)量級，對電力避雷器的工作狀態(tài)實現(xiàn)有效監(jiān)測，同時裝置包括柔性部件，在實際操作中易于實現(xiàn)，本發(fā)明具有廣闊的應(yīng)用前景。