CN107064593A - 一种适用于气体绝缘变电站大电流测量的电子式互感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于气体绝缘变电站大电流测量的电子式互感器，采用TMR磁传感器，通过最外层的尺寸大于中间层屏蔽层以及最内层屏蔽层的尺寸，TMR磁传感器与放大电路安装在同一印制电路板上，并位于最内层屏蔽层的截面圆弧及其弦构成的区域内的这样三层屏蔽层的屏蔽层结构设计，使得高磁导率材料的三层屏蔽层很好地屏蔽了外部磁场干扰同时削弱了载流导体的磁场，提高了TMR磁场传感器的动态测量范围。同时，本发明实现了非接触式测量已知距离的固定载流导体大电流，并具有测量范围宽，结果准确，安装简易，成本低等优点。同时采用TMR磁场传感器，放大电路简单，没有传统电流测量装置的复杂电路带来的各种问题。

Description

一种适用于气体绝缘变电站大电流测量的电子式互感器

技术领域

本发明属于大电流测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种适用于气体绝缘变电站大电流测量的电子式互感器。

背景技术

传统的大电流测量设备是基于线圈中的电磁感应现象而进行的，例如变压器和罗氏线圈电流变换器。另一方面，随着制造工艺技术突破，线性磁传感器经历了快速的发展。一些常用线性磁传感器采用集成芯片的形式，这些线性传感器主要基于霍尔效应(霍尔效应磁传感器)或电子自旋产生磁场(自旋电子传感器)。

霍尔效应磁传感器对所处磁场表现出低灵敏度，因此，用于电流测量时会使用磁通集中器。

自旋电子传感器进一步划分为各向异性磁阻(Anisotropic Magneto resistive，AMR)传感器(简称ARM磁传感器)、巨磁阻(Giant Magneto resistive，GMR)传感器(简称GMR磁传感器)和隧穿磁阻效应(Tunnel Magneto resistive,TMR)传感器(TMR磁传感器)。AMR磁传感器只能检测到小于10Gs的弱磁场。当处于强磁场时，AMR磁传感器的磁畴会发生紊乱，产生非定向效应。为了避免这一现象，需要一个置位复位脉冲来校准传感器。GMR磁传感器的输出灵敏度随温度变化而改变。因此，GMR磁传感器输出有较大温度漂移，需要额外处理。并且由于输出具有单极性，对双极性磁场，GMR磁传感器输出结果需要相应处理。同上述传感器相比，近来商业化TMR磁传感器，其输出线性测量范围内更大，固有噪声更小，在一定温度范围内无灵敏度变化，并且可以工作在双极性模式下。这些特性推广了TMR磁传感器在大电流测量中的应用。

根据毕奥-萨伐尔定律，与载流导体距离已知的磁场大小与电流呈线性正比。磁场中心与载流导体轴心同轴，并在所有方向上沿径向向外分布。这一定律支撑了TMR磁传感器在与测量点距离已知的载流导体，如母线中非接触式大电流测量的应用。大电流测量应用场景包括气体绝缘变电站中气体绝缘开关设备，在气体绝缘开关设备中，载流导体密封在金属管和套管树中。另一应用场景是电炉变压器。这是一种针对用于钢铁冶炼的电炉的特殊变压器，安装在电炉和电网之间，同样需要测量大电流。其他一些应用场景包括安装在变电站配电柜的高压断路器。对于以上载流导体来讲，在整个操作寿命年限内，载流导体的位置是固定的。因此，TMR磁传感器可以通过安装在固定距离以测量磁通密度，并根据毕奥-萨伐尔定律计算电流，然而，由于在电力系统中，大电流如果太大，会超过其所能测量的磁场动态范围，而无法进行正常的测量。

同时，在实际应用中，外部噪声会对TMR磁传感器产生影响，因而，需要磁场屏蔽来保护TMR磁传感器免受影响。发表在IEEE TRANSACTIONS ON ELECTROMAGNETICCOMPATIBILITY,VOL.38,NO.3,AUGUST 1996，作者为Yaping Du,T.C.Cheng,A.S.Farag的一篇名为“Principles of Power-Frequency Magnetic Field Shielding with FlatSheets in a Source of Long Conductors”的研究通过理论分析解释了磁场屏蔽的一般原则。在这篇论文中，实验使用二维模型的多层屏蔽。对趋肤深度、相对磁导率和屏蔽位置等参数进行了研究。结论是，屏蔽层的位置和相对于测量点的距离对屏蔽效能有重要影响，并且高磁导率金属做为屏蔽材料十分有效。另一篇发表在IEEE Transactions onMagnetics,Vol.34,No.3,May 1998，作者为Karim Wassef,Vasundara V.Varadan,VijayK.Varadan的名为“Magnetic Field Shielding Concepts for Power TransmissionLines”的文章阐述了通过有限元分析法证实的一种带有缺口的弯曲磁场屏蔽材料的有效性，同时，这篇论文分析了不同大小缺口对屏蔽效能的影响。通过基于有限元分析法的仿真实验，该篇论文指出，增大缺口能提升屏蔽效能，并且缺口方向应与噪声方向相反。

在1998年05月26日授权并公布的、专利号为5757183、名称为“Device to shielda magnetic field in a given plane”的美国专利展示了一种在给定平面屏蔽磁场的装置。该装置提供了一种简单的磁场屏蔽结构，它由N层高磁导率的磁性材料环形圈和N-1层非磁性材料构成，磁传感器固定在环中心共同所在轴线上。但是，该专利没有当测量发生在屏蔽层内时其屏蔽效能评估方法的有效研究。

上述现有技术中，尽管提出了将TMR磁传感器应用于大电流测量，并给出了采用多层屏蔽以及带缺口的弯曲磁场屏蔽的方式来屏蔽外部磁场干扰的研究成果。然而，在实际应用于作为大电流测量的电子式互感器时，如何设计屏蔽层结构以及屏蔽外部磁场干扰同时削弱了固定导体的磁场，以提高TMR磁场传感器的动态测量范围是需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种适用于气体绝缘变电站大电流测量的电子式互感器，在屏蔽外部磁场干扰同时削弱了载流导体的磁场，以提高TMR磁场传感器的动态测量范围。

为实现上述发明目的，本发明适用于气体绝缘变电站大电流测量的电子式互感器，包括：

一TMR磁传感器，位于载流导体径向距离为L的测量点位置，用于测量载流导体产生磁场在测量点位置的磁通密度B，并输出相应的传感电压U给放大电路；

放大电路，用于将传感电压U进行放大后，作为电子式互感器的输出；

其特征在于，还包括：

一屏蔽层结构，该屏蔽结构为三层屏蔽层，每层屏蔽层为一平行于载流导体轴向的平面高磁导率材料向载流导体弯曲而成的瓦状结构，弯曲的截面为圆弧形状；其中，最外层屏蔽层的截面圆弧所在圆的半径大于中间层屏蔽层以及最内层屏蔽层的截面圆弧所在圆的半径，最外层屏蔽层的截面圆弧弦长大于中间层屏蔽层以及最内层屏蔽层的截面圆弧弦长，且中间层屏蔽层以及最内层屏蔽层位于最外层屏蔽层的截面圆弧及弦构成的区域内；最外层屏蔽层的宽边(沿载流导体方向)长度大于中间层屏蔽层以及最内层屏蔽层的宽边长度；

所述三层屏蔽层的截面圆弧中心的连线指向载流导体，所述TMR磁传感器与放大电路安装在同一印制电路板上，并位于最内层屏蔽层的截面圆弧及其弦构成的区域内。

本发明的目的是这样实现的。

本发明适用于气体绝缘变电站大电流测量的电子式互感器，采用TMR磁传感器，通过最外层的尺寸大于中间层屏蔽层以及最内层屏蔽层的尺寸，TMR磁传感器与放大电路安装在同一印制电路板上，并位于最内层屏蔽层的截面圆弧及其弦构成的区域内的这样三层屏蔽层的屏蔽层结构设计，使得高磁导率材料的三层屏蔽层很好地屏蔽了外部磁场干扰同时削弱了载流导体的磁场，提高了TMR磁场传感器的动态测量范围。同时，本发明实现了非接触式测量已知距离的固定载流导体大电流，并具有测量范围宽，结果准确，安装简易，成本低等优点。同时采用TMR磁场传感器，放大电路简单，没有传统电流测量装置的复杂电路带来的各种问题。例如，罗氏线圈电流变换器的集成器件老化引起的结果偏差。

附图说明

图1是本发明适用于气体绝缘变电站大电流测量的电子式互感器的一种具体实施方式结构示意图；

图2是图1放大电路的电路原理示意图；

图3是本发明一具体实例进行测试示意图；

图4是噪声源放置在不锈钢外壳外部五个不同位置示意图；

图5是当强磁噪声位于位置1时在仿真软件得到的磁场分布图；

图6现场实验结果不同位置时磁场强度曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

图1是本发明适用于气体绝缘变电站大电流测量的电子式互感器的一种具体实施方式结构示意图。

在本实施例中，如图1所示，本发明适用于气体绝缘变电站大电流测量的电子式互感器包括TMR磁传感器1、放大电路2以及屏蔽层结构3。

TMR磁传感器1位于载流导体4径向距离为L的测量点位置，用于测量载流导体4产生磁场在测量点位置的磁通密度B，并输出相应的传感电压U给放大电路2。放大电路2将传感电压U进行放大后作为电子式互感器的输出。

所述TMR磁传感器1与放大电路2安装在同一印制电路板上，并位于最内层屏蔽层301的截面圆弧及其弦构成的区域内。

屏蔽层结构3为三层屏蔽层301、302、303，每层屏蔽层301、302、303为一平行于载流导体4轴向的平面高磁导率材料向载流导体4弯曲而成的瓦状结构，弯曲的截面为圆弧形状。需要说明的是，这里描述弯曲的截面为圆弧形状，也可以为近似的圆弧，二者是等同的。其中，最外层屏蔽层303的截面圆弧所在圆的半径大于中间层屏蔽层302以及最内层屏蔽层301的截面圆弧所在圆的半径(对于近似的圆弧形状，也就是最外层屏蔽层303的弯曲程度小于中间层屏蔽层302以及最内层屏蔽层301的弯曲程度)，最外层屏蔽层303的截面圆弧弦长大于中间层屏蔽层302以及最内层屏蔽层301的截面圆弧弦长，且中间层屏蔽层302以及最内层屏蔽层301位于最外层屏蔽层303的截面圆弧及弦构成的区域内；最外层屏蔽层303的宽边(沿载流导体方向)长度大于中间层屏蔽层302以及最内层301屏蔽层的宽边长度。所述三层屏蔽层301、302、303的截面圆弧中心的连线指向载流导体4。

在本实施例中，如图1所示，所述TMR磁传感器同时位于述三层屏蔽层301、302、303的截面圆弧中心的连线上。

在本实施例中，如图1所示，中间层屏蔽层302与最内层屏蔽层301的结构以及尺寸完全相同，最外层屏蔽层与中间层屏蔽层302以及最内层屏蔽层301的表面积比为4:1，典型的为最外层屏蔽层303截面圆弧为中间层屏蔽层302以及最内层屏蔽层301截面圆弧的长度比例为1.6:1、最外层屏蔽层303为中间层屏蔽层302以及最内层屏蔽层301的宽边长度比例为2.5:1。最外层屏蔽层303中心点到中间层屏蔽层302中心点的距离与中间层屏蔽层302中心点到最内层屏蔽层301中心点的距离比例为12：7。

在本实施例中，屏蔽层结构的三层屏蔽层采用的高磁导率材料为镍合金材料，载流导体轴线与最外层屏蔽层的宽边所在轴线同轴。

本发明TMR磁传感器可以实现在已知距离时高精度非接触电流测量，应用场景包括几类固定的大电流载流导体，比如气体绝缘开关设备和母线。

本发明中屏蔽层结构的目的是保护测量区域免受外部磁场干扰。它通过减少外部磁场的影响至可忽略的水平以确保精确测量。除了保护传感器免受外部干扰，本发明中屏蔽层结构还能吸收被测导体产生的磁场。这一特性使得TMR磁传感器可以用于测量几百安培导到千安培的电流。

图2是图1放大电路的电路原理示意图。

在本实施例中，本发明中的放大电路采用仪器放大器，仪器放大器是一个特殊的差动放大器，具有超高输入阻抗，极其良好的CMRR，低输入偏移，低输出阻抗，能放大那些在共模电压下的信号。TMR磁传感器的差分输出送入仪器放大器的正负输入端，通过增益电阻进行调节，使得TMR磁传感器的差分输出放大至合适水平，然后作为电子式互感器的输出。

实例

1、有限元分析方法

在本实例中，采用基于TMR效应的传感器。上述实例的应用场景的频率低于100kHz，本具体实例的有效测量范围是50Hz工频下100-1000A峰峰值电流。

在本实例中，TMR传感器固定在与最内层屏蔽一段距离的位置，位于最内层屏蔽层内侧面中心位置，距离根据具体的设计确定。

如图1所示，在该实例中，采用了镍合金屏蔽层，该屏蔽层位于磁阻效应传感器附近。在具体实例中，测试了三层高磁导率镍合金构成的屏蔽层结构的磁屏蔽效应。

为确保磁屏蔽的有效性，上述实例首先在电磁场仿真分析软件ANSYS Maxwell16.0中通过有限元分析法验证。为了与实际产品一致，模型在软件的“空气”条件下测试，该条件下有为50mT的典型地球磁通。磁通方向为直角坐标系中全部三个方向。

为了验证该模型的有效性，测试了一段长度的气体绝缘开关设备的情形。在气体绝缘开关设备中，一般使用罗氏线圈电流测量方法。仿真实验设计了一种由不锈钢材质制作的外壳，大电流载流导体安装在外壳中心处。如图3所示，由一种特别定制的变压器在调压器的电压输出下产生大电流给测量装置，测量装置包括本发明适用于气体绝缘变电站大电流测量的电子式互感器，大电流最终加载到载流导体。同时，采用钳形电流表(简称钳形表)进行测量，钳形表输出以及传感器输出送入到示波器中进行观察。在强磁场干扰情况下，TMR传感器输出表现出线性。

本发明可以应用在空气绝缘开关设备等应用环境中。在这类环境，强磁场干扰无法避免。非工频信号可以通过信号处理技术过滤掉。但是当信号中混有与被测电流相同频率的磁场干扰时，被测磁场将会受到影响。为了验证上述屏蔽结构对于外部干扰的屏蔽性能，本实例使用了一种强磁材料NdFe35模拟来自不锈钢外壳外部不同点的干扰。考虑到外部干扰来自不同方向，在仿真实验中，采用相对磁导率为1.0998的NdFe35。其临界值位0.28T。如图4所示，噪声源放置在不锈钢外壳外部五个不同位置。根据对称性，当噪声来自另一侧时，影响效果相同。

图5是当强磁噪声位于位置1时，通过有限元分析方法得到的结果。我们可以看到其屏蔽效能，测量区域没有受到噪声影响。表1是当噪声源处于不同位置时的磁场测量结果。

表1

如上所述，屏蔽层结构不仅能削弱外部磁噪声到可以忽略的水平，而且可以在某种程度上衰减内部磁场。这种来自内部导体的磁场的衰减程度可以通过以下参数分析：

式中，B_s是当有屏蔽层结构时的磁通密度，B_u是没有屏蔽层结构时的磁通密度。参数DF(Damping Factor,衰减因子)可以用来决定在测量装置中选择合适的TMR传感器。从表1可以得出结论，通过比较带有屏蔽层结构和无屏蔽层结构情况下的标准偏差，屏蔽层结构对于TMR磁传感器免受外部干扰是有效可行的。总的来讲，屏蔽层结构承担了两项任务。其一是保护磁传感器不受外部干扰影响。其二是削弱了来自内部载流导体的磁场，如表1中，在无干扰即噪声情况下，100A大电流情况下，削弱了载流导体的磁场50％，1000A大电流情况下，削弱了载流导体的磁场37％，这样提高TMR磁场传感器的动态测量范围。

基于表1，设测量误差率为(B₁-B₀)/B₀×％，通过计算测量误差率来分析屏蔽层结构对于外部干扰的有效性。计算结果如表2。结果证明，没有屏蔽层结构时，磁噪声增大了测量误差率。对于最严重的测试情形，即磁噪声源在位置1时，误差率高达14.25％，然而带有屏蔽层，误差率小于3％。

表2

2、现场实验

通过现场实验再次证实有限元分析法的结果。现场实验原理图如图3所示。对于实验，所有实体参数和环境参数均与有限元分析法中一致。

变压器将工频电压电流转变成大电流低电压。接着，一根导线与变压器输出终端短接产生大电流。载流导线固定在外壳正中，并且与变压器二次侧相连。调压器与变压器一次侧相连以调节变压器输出电流。

实验步骤如下：

(1)、在无噪声情况下测量载流导体电流为100A时磁场强度；

(2)、在有噪声情况下测量导体电流为100A时五个不同位置时的磁场强度。噪声源可选用磁场强度为0.28T的NdFe35材料。

(3)、利用调压器每次增加100A，重复步骤2。

最终实验结果如图6所示，对于每一种情形，从100A到1000A的曲线斜率都较为一致。本发明不局限于气体绝缘开关设备中工频下的电流测量。由于TMR传感器频响范围达到几兆赫兹，可利用具有相似特性的仪表放大器在其他频率下的测量。

通过上述设计，本发明对于干扰最严重的情形，即在上述测量装置附近有高达0.28T的磁场干扰，测量导体电流达到1000A时，传感器输出误差小于3％。

本发明提出的具有屏蔽结构磁传感器测量电流装置，具有以下有益效果：

本发明适用于气体绝缘变电站大电流测量的电子式互感器实现了非接触式测量已知距离的固定载流导体大电流，其高磁导率屏蔽层结构屏蔽外部磁场干扰同时削弱了固定导体的磁场，提高了TMR磁场传感器的动态测量范围；同时，具有测量范围宽，结果准确，安装简易，成本低等优点。对于放大电路可以简单仪器放大器来实现，没有传统大电流测量电子式互感器的复杂电路带来的各种问题。例如，罗氏线圈电流变换器的集成器件老化引起的结果偏差。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种适用于气体绝缘变电站大电流测量的电子式互感器，包括：

一TMR磁传感器，位于载流导体径向距离为L的测量点位置，用于测量载流导体产生磁场在测量点位置的磁通密度B，并输出相应的传感电压U给放大电路；

放大电路，用于将传感电压U进行放大后，作为电子式互感器的输出；

其特征在于，还包括：

一屏蔽层结构，该屏蔽结构为三层屏蔽层，每层屏蔽层为一平行于载流导体轴向的平面高磁导率材料向载流导体弯曲而成的瓦状结构，弯曲的截面为圆弧形状；其中，最外层屏蔽层的截面圆弧所在圆的半径大于中间层屏蔽层以及最内层屏蔽层的截面圆弧所在圆的半径，最外层屏蔽层的截面圆弧弦长大于中间层屏蔽层以及最内层屏蔽层的截面圆弧弦长，且中间层屏蔽层以及最内层屏蔽层位于最外层屏蔽层的截面圆弧及弦构成的区域内；最外层屏蔽层的宽边(沿载流导体方向)长度大于中间层屏蔽层以及最内层屏蔽层的宽边长度；

所述三层屏蔽层的截面圆弧中心的连线指向载流导体，所述TMR磁传感器与放大电路安装在同一印制电路板上，并位于最内层屏蔽层的截面圆弧及其弦构成的区域内。

2.根据权利要求1所述的电子式互感器，其特征在于，所述TMR磁传感器同时位于述三层屏蔽层的截面圆弧中心的连线上。