CN109212296A - 一种适用于三相电流同时监测的非接触式电流测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于三相电流同时监测的非接触式电流测量装置，采用三组TMR传感器阵列分别对水平方向均匀放置的三根载流导体进行测量，其中，两组两侧垂直放置，一组垂直上方放置，每组TMR传感器阵列由两组磁敏感方向相反的TMR传感器组成，以二者差分的方式来克服一些外界磁场干扰；同时，在中间载流导体的垂直上方安装圆弧形状的屏蔽层结构，减少两侧载流导体电流产生的磁场对中间载流导体垂直上方的一组TMR传感器阵列的影响，也降低了一侧TMR传感器阵列受到另一侧载流导体以及中间载流导体产生电流的影响，从而适用于待测电流远小于干扰电流的情形。此外，三组TMR传感器、屏蔽层结构都不需要密封，可以根据现场进行安装，满足了电网的现场安装需求。

Description

一种适用于三相电流同时监测的非接触式电流测量装置

技术领域

本发明属于电网大电流测量技术领域，更为具体地讲，涉及一种适用于三相电流同时监测的非接触式电流测量装置。

背景技术

现代智能电网的发展使得一些传统电气设备需要更新换代。学术界和工业界的专家学者们致力于研究一种新型的具有体积小，便于安装与拆卸等优势的电流测量装置。

作为电网的一个重要参数，电流对整个电网的稳定有效运行具有十分重要的意义。现代智能电网的发展对电流信息的实时性和准确性也提出了更高的要求。传统的电流互感器，包括基于罗氏线圈的电流互感器等由于其闭环结构不便于频繁安装和拆卸。因此，需要一种新型的电流测量技术。

随着工艺技术的发展，霍尔效应传感器与隧穿磁阻效应传感器在磁测量领域得到了大量运用。基于毕奥萨法尔定律、法拉第电磁感应定律等，越来越多的研究开始将磁传感器应用于电流测量领域，实现了非接触式电流测量。霍尔效应传感器的运用往往采用了铁芯，但是容易受到磁饱和等因素的影响使得测量结果不准确，装置体积较大。磁阻效应传感器最初应用于光盘数据读取，这类传感器包括各向异性磁阻(Anisotropic Magnetoresistive，AMR)传感器，巨磁阻(Giant Magneto resistive，GMR)传感器和隧穿磁阻效应(Tunnel Magneto resistive,TMR)传感器。由于磁阻效应传感器在外部磁场的影响下，内部电阻会发生变化，这一原理使得磁阻效应传感器在磁测量领域的运用得到了发展。在理想条件下，可由毕奥-萨伐尔定律确定磁场与电流关系。

其中，为待测磁场，I为产生磁场的电流，L是积分路径，dl是电流的微元，为电流元只想待求场点的单位向量，μ₀为真空磁导率(μ₀＝4π×10^-7)，r为电流到场点的距离。

因此，可以通过磁传感器探测磁场重构电流信息。但是，由于磁场的叠加性，磁传感器无法分辨待测电流产生的磁场与干扰磁场。例如在三相电流系统中，当利用磁传感器测量某一相电流产生的磁场时，另外两相电流产生的磁场会叠加在该磁传感器所处位置。因此，测量结果会受到影响。发表在IEEE Sensors Journal,VOL.17,NO.23,December 1,2017,作者为Andrea Bernieri,Luigi Ferrigno,Marco Laracca,和Antonio Rasile的一篇名为“An AMR-Based Three-Phase Current Sensor for Smart Grid Applications”的期刊论文中，作者基于AMR传感器的原理分析了会对其磁场测量造成误差的非线性度、磁滞、频率和温度等因素，并设计了一种磁传感器阵列用于测量三相交流系统，并对有效值达45A的三相交流系统进行验证。但是这一方法存在局限性，仅仅通过磁传感器阵列的形式无法消除当另外两相电流幅值远高于待测电流时估算电流产生的误差。因此，另需要有效方法解决这一问题。

发表在IEEE Transactions on Magnetics,Vol.45,No.10,October 2009，作者为Hiroyuki Hirano,Takeshi Saito,Toshifumi Shinnoh,Masahiro Fujikura和KentaroChikuma的名为“Shielding Effect of Double-Layered Open-Type Magnetic ShieldStructure”的文章设计了一种双层屏蔽结构，包括一个内层框架和一个外层框架，两层框架方向互相垂直形成一种类似于网状的结构，并在毫特斯拉级别的磁场环境中进行验证。但是，文章并没有考虑屏蔽内部有能产生磁场的电流源的情况。发表在IEEE Transactionson Magnetics,Vol.52,No.10,October 2016，作者为Shiyan Ren,SiweiGuo,Xiaojun Liu和Qingxin Liu的名为“Shielding Effectiveness of Double-Layer Magnetic Shieldof Current Comparator Under Radial Disturbing Magnetic Field”的文章设计了一种双层密闭环形屏蔽结构并分析其屏蔽效能。同样没有考虑屏蔽内部存在磁场源的情况。另外，这两种结构由于其密封结构不适用于电网的现场安装，并且两种方案采用结构复杂的双层屏蔽对工艺提出了更高的要求，同时也会使成本增加。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种适用于三相电流同时监测的非接触式电流测量装置，以适用于待测电流远小于干扰电流的情形，同时，满足电网的现场安装。

为实现上述发明目的，本发明适用于三相电流同时监测的非接触式电流测量装置，其特征在于，包括：

三组隧穿磁阻效应传感器(TMR传感器)阵列，每组TMR传感器阵列由两组磁敏感方向相反的TMR传感器组成，其中，两组TMR传感器阵列垂直放置，位于水平方向均匀放置的三根载流导体的水平方向外侧(两侧两根载流导体的水平方向外侧)，用于分别测量两侧两根载流导体的电流，另外一组TMR传感器阵列水平放置，位于所述三根载流导体中中间载流导体的垂直上方，用于测量中间载流导体的电流；

屏蔽层结构，为圆弧形状，采用高磁导率材料的坡莫合金制作，屏蔽层结构安装于中间载流导体的垂直上方，并将测量中间载流导体电流的一组TMR传感器阵列包围在内。

本发明的目的是这样实现的。

本发明适用于三相电流同时监测的非接触式电流测量装置，采用三组隧穿磁阻效应传感器(TMR传感器)阵列分别对水平方向均匀放置的三根载流导体进行测量，其中，两组两侧垂直放置，一组垂直上方放置，每组TMR传感器阵列由两组磁敏感方向相反的TMR传感器组成，这样可以以二者差分的方式来克服一些外界磁场干扰；同时，在中间载流导体的垂直上方安装圆弧形状的屏蔽层结构，这样减少两侧载流导体电流产生的磁场对中间载流导体垂直上方的一组TMR传感器阵列的影响，也降低了一侧TMR传感器阵列受到另一侧载流导体以及中间载流导体产生电流的影响，从而适用于待测电流远小于干扰电流的情形；三组隧穿磁阻效应传感器、屏蔽层结构都不需要密封，可以根据现场进行安装，满足了电网的现场安装需求。此外，本发明还具有具有体积小、安装简易、成本低等优点。

附图说明

图1是本发明适用于三相电流同时监测的非接触式电流测量装置一种具体实施方式结构示意图；

图2是本发明具体实例现场实验的测量装置示意图；

图3是本发明具体实例仿真实验示意图；

图4是直流情况下估算电流值与干扰电流关系图。

图5是交流情况下带屏蔽与不带屏蔽估算电流值与干扰电流关系图。

图6是传感器安装过程可能会出现的角度偏差示意图。

图7是三相交流系统稳定运行时本发明对电流的估算结果。

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是本发明适用于三相电流同时监测的非接触式电流测量装置一种具体实施方式结构示意图。

在本实施例中，如图1所示，本发明适用于三相电流同时监测的非接触式电流测量装置，其特征在于，包括：

三组隧穿磁阻效应传感器(TMR传感器)阵列，由6个TMR传感器S12和S₁₁、S₂₂和S₂₁，S₃₁和S₃₂组成。每组TMR传感器阵列由两组磁敏感方向相反的TMR传感器组成，即TMR传感器S₁₂和S₁₁为一组，S₂₂和S₂₁为一组，S₃₁和S₃₂为一组，其中，两组TMR传感器阵列即TMR传感器S₁₂和S₁₁、S₂₂和S₂₁垂直放置，位于水平方向均匀放置的三根载流导体101、102、103的水平方向外侧(两侧两根载流导体101、103的水平方向外侧)，用于分别测量两侧两根载流导体101、103的电流I₁、I₃，另外一组TMR传感器阵列即TMR传感器S₂₂和S₂₁水平放置，位于所述三根载流导体中中间载流导体102的垂直上方，用于测量中间载流导体102的电流I₂。

屏蔽层结构2，为圆弧形状，采用高磁导率材料的坡莫合金制作，屏蔽层结构2安装于中间载流导体102的垂直上方，并将测量中间载流导体102电流的一组TMR传感器阵列即TMR传感器S₂₂和S₂₁包围在内。

每组TMR传感器阵列的两个TMR传感器分别位于载流导体101、102、103径向距离分别为r₁和r₂的测量点位置(r₁<r₂)，用于测量载流导体101、102、103产生磁场在测量点位置的磁通密度大小，其中，磁传感器S₁₁、S₂₁、S₃₁分别与各自测量载流导体101、102、103径向距离均为r₁，磁传感器S₁₂、S₂₂、S₃₂分别与各自测量载流导体101、102、103径向距离均为r₂。

所述屏蔽层结构2采用圆弧形，这样可以减少两侧载流导体101、103的电流I₁、I₃产生的磁场对位于中间的TMR传感器S₂₂和S₂₁的影响，也就降低了对于中间载流导体102的电流I₂的测量影响。同时，降低了右侧载流导体103、中间载流导体102的电流I₃、I₂产生的磁场对位于左侧的TMR传感器S₁₂和S₁₁的影响，也就降低了对于左侧载流导体101的电流I₁的测量影响；降低了左侧载流导体101、中间载流导体102的电流I₁、I₂产生的磁场对位于右侧的TMR传感器S₃₂和S₃₁的影响，也就降低了对于右侧载流导体103的电流I₃的测量影响。

如图1所示，屏蔽层结构2厚度为t,在本实施例中，中间载流导体102位于屏蔽层结构2所在圆的圆心。屏蔽层结构2内径为r_s,横截面末端到三根载流导体101、102、103所在平面的距离为h。

具体实例

1、现场实验

图2是本发明具体实例现场实验的测量装置示意图。

在本实例中如图2所示。在本发明现场实验中，将50Hz工频三相电流作为待测电流。载流导体101、102、103的电流I₁,I₂对I₃的有效值分别为14.7A，14.7A，14.3A。每两相间相位差为120°。中间载流导体102与两侧载流导体101、103之间距离为15cm，载流导体101、102、103直径为9mm。

另外，在本实例中，采用一个电流钳表的输出作为参考电流。所采用的TMR传感器线性输出范围为±80Gauss，每组磁传感器距离载流导体的距离分别为r₁＝10.5mm，r₂＝17.5mm。因此，所测最大电流值为420A。屏蔽层结构2采用坡莫合金，其厚度为0.2mm，横截面末端到三根载流导体101、102、103所在平面的距离为2mm，横截面末端距离为10cm。

由于TMR传感器的输出为电压值，在测量电流实验之间，先对TMR传感器进行校准，确定输出的电压与所测磁场和待测电流的关系，同时，消除地磁场对测量的影响。校准方法为断开另外两相电流，利用电流钳表作为参考值，确定每相电流与传感器输出的关系系数，因此，所述三根载流导体的电流(待测电流)可以由下式计算：

其中，S_ei1和S_ei2(i＝1,2,3)分别为每组TMR传感器中两个传感器输出与待测电流的系数，V_i1和V_i2为传感器S_i1和S_i2测得的磁通密度大小。

首先验证本测量装置在三相交流系统稳定运行时测量电流的的有效性。其结果如表1所示：

电流	参考值(A)	估算值(A)	相对误差(％)
				I<sub>1</sub>	14.7	14.84	0.95
I<sub>2</sub>	14.7	14.90	1.36
				I<sub>3</sub>	14.3	14.53	1.61

表1

表1为三相电流稳定运行时本测量装置的估算相对误差。从表1可以看到，最大相对误差为1.61％。

接着，当某一相电流为零，其他两相电流正常运行时，即待测电流值远小于干扰电流值的情况，验证方案的有效性。当I₁,I₂和I₃实际值为零时，其测得的电流值大小分别为0.11A,0.19A和0.10A。通过实验验证了本发明的有效性。

2、有限元分析法

由于采用软件仿真具有更多灵活性，利用基于有限元分析法的电磁仿真分析软件ANSYS Mawell 16.0中再次验证本发明的有效性。

为保证与实际情况一致，模型在软件的“空气”条件下进行测试。仿真实验示意图如图3所示。首先在某一相待测电流为零，另外两相电流稳定运行的情况下，进行了仿真与实验结果，有屏蔽与无屏蔽情况的对比，如表2所示：

表2

表2为仿真与实验结果的对比表，由表2可以看到，带有屏蔽的情况能有效降低外部强电流的干扰，使得估算值接近真实值，另外，仿真结果比实验结果更接近真实值。这是由于实验环境受到其他电气设备和安装位置误差等因素的影响。

接着验证了在大电流情形下本发明方案的而有效性。

首先验证在直流情形下，由于I₁和I₃具有对称性，只对I₁和I₂进行讨论。假定I₁为零而I₂和I₃流动方向相同，其幅值由0A到10000A变化。I_i可由下式估算

其中，为I_i的估算电流值，B_i1和B_i2分别为传感器S_i1和S_i2测得的磁通密度大小，i＝1,2,3。与不带屏蔽对比，其结果如图4所示。对I₂进行同样的测试。可以看到，带有屏蔽的估算结果更接近与真实的零值，从而验证了本发明的优越性。

在交流情况下，假定I₁(t)为I_msin(100πt)A，I₂(t)和I₃(t)为I_msin(100πt+π/2)A。I_m由1000A到10000A变化。在t＝0时刻，I₁为零，而I₂和I₃处于峰值。当I₁为待测电流，其带有屏蔽和不带屏蔽的估算结果如图5所示。从图5所示，可以看到，估算电流值随干扰电流增加而增加，当干扰电流为10000A时，估算结果偏离真实零值7.22A。同样，假定I₂(t)is I_msin(100πt)A，I₁(t)and I₃(t)为I_msin(100πt+π/2)A。I_m由1000A到10000A变化。可以看到，带有屏蔽的估算结果比不带屏蔽更加接近真实值。相较于直流的情形，由于涡流效应的存在，误差变大。

本发明中，每组磁传感器相互平行，但是在实际安装过程中由于工艺技术有限，传感器可以存在角度偏差±λ°，如图6所示。为了分析角度偏差对估算结果的影响，进行了交直流两种情况下的仿真，干扰电流峰值为10000A，角度偏差从0°到2°变化，其方向如图6所示。估算结果如表3所示。

表3

表3所示为角度偏差对估算结果的影响。从表3可以看到，角度偏差达到2°时，误差超过10A。因此，为保证较为精确的电流估算结果，必须保证角度偏差不超过1°。

最后，验证在三相交流系统稳定运行时，该方案的有效性。由于大电流时，涡流效应不可忽略，首先测试了磁场与电流的关系。设置另外两相电流为零，剩下第三相电流由0A到10kA变化，每次增加1kA。通过拟合，可以得到电流估算式：

其中，m_i1,m_i2(i＝1,2)为待测电流与磁场关系系数。结果如图7所示。在各项电流峰值处，估算值与真实值的相对误差分别为0.795％，0.206％和0.15％，证明了该方案的有效性。

本发明适用于三相电流同时监测的非接触式电流测量装置，具有以下有益效果：

本发明针对现有方案不适用于待测电流远小于干扰电流的情形，设计了一种于三相电流同时监测的非接触式电流测量装置，实现了非接触式测量电流，具有体积小，安装拆卸简便，结果准确，成本低等优点。当待测电流远小于干扰电流时，依然表现出良好的准确性和抗干扰性。

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 (3)

1.一种适用于三相电流同时监测的非接触式电流测量装置，其特征在于，包括：

三组隧穿磁阻效应传感器(TMR传感器)阵列，每组TMR传感器阵列由两组磁敏感方向相反的TMR传感器组成，其中，两组TMR传感器阵列垂直放置，位于水平方向均匀放置的三根载流导体的水平方向外侧(两侧两根载流导体的水平方向外侧)，用于分别测量两侧两根载流导体的电流，另外一组TMR传感器阵列水平放置，位于所述三根载流导体中中间载流导体的垂直上方，用于测量中间载流导体的电流；

屏蔽层结构，为圆弧形状，采用高磁导率材料的坡莫合金制作，屏蔽层结构安装于中间载流导体的垂直上方，并将测量中间载流导体电流的一组TMR传感器阵列包围在内。

2.根据权利要求1所述的非接触式电流测量装置，其特征在于，所述中间载流导体位于屏蔽层结构所在圆的圆心。

3.根据权利要求1所述的非接触式电流测量装置，其特征在于，所述三根载流导体的电流可以由下式计算：

其中，S_ei1和S_ei2(i＝1,2,3)分别为每组TMR传感器中两个传感器输出与待测电流的系数，V_i1和V_i2为传感器S_i1和S_i2测得的磁通密度大小。