CN115541984A - 一种自适应微弱电流监测装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电力系统领域，公开了一种自适应微弱电流监测装置及监测方法，包括信号处理单元和若干螺线管；各螺线管内部均设置一隧穿磁阻芯片，且各螺线管内部设置的隧穿磁阻芯片的磁敏感方向与各螺线管在接入电流触发下产生的磁场的方向相同；信号处理单元与各隧穿磁阻芯片均连接，用于接收隧穿磁阻芯片发送的电压信号，并根据预设的转换系数进行转换，得到待监测电流的电流值；其中，各螺线管在相同接入电流触发下产生的磁场的磁感应强度均不同。相较于目前的铁磁聚磁环结构的聚磁设计，螺线管聚磁结构能够有效避免气隙开口的影响，相互之间不会产生交叉影响，实现待监测电流的准确监测，可适配不同量级电流的准确监测，拓宽监测下限。

Description

一种自适应微弱电流监测装置及监测方法

技术领域

本发明属于电力系统领域，涉及一种自适应微弱电流监测装置及监测方法。

背景技术

目前，一般通过安装漏电保护装置监测电气装置的漏电电流，来预防电气火灾和人身触电事故，在装有漏电保护装置的电气回路中，人体一旦接触带电线，人体和大地构成回路，线路中会即刻产生漏电电流，当漏电电流达到一定值时，漏电保护装置中的电磁装置就会自动触发开关跳闸，保护人体安全。然而，这种方式对于数值没有达到跳闸阈值的漏电电流，无法进行有效的监测。

TMR（Tunnel Magnetoresistance，隧道磁阻效应）芯片具有灵敏度高、测量范围大、温度稳定性好、功耗低、结构简单、体积小、成本低以及非侵入等优点，非常适合进行微弱电流的监测。基于此，中国专利申请CN106018919A，公开了一种基于隧道磁阻效应的宽量程宽频带电流传感器，设置了两个隧穿磁阻芯片，分别为高灵敏度隧穿磁阻芯片和低灵敏度隧穿磁阻芯片，其中高灵敏度隧穿磁阻芯片感应待测磁场后连接至仪表放大器、调零电路、电流输出模块和反向串联TVS二极管，并与开口磁环、补偿线圈及采样电阻组成闭环结构，以用于测量小电流；低灵敏度隧穿磁阻芯片与调零电路连接至仪表放大器组成的开环结构，以用于测量大电流。

但是，上述方案中仅使用单个聚磁结构使所有芯片都处于放大的待测磁场环境中，一方面增大了磁环气隙，而磁环的聚磁效果受气隙开口的影响较为显著，相比于较小的气隙开口，较大的气隙开口使得气隙处芯片所能感应到磁场大大减小，从而限制了所能监测到的磁场/电流下限，通常能够监测到的电流下限为毫安级。另一方面，两个灵敏度的隧穿磁阻芯片同处于一个磁场中，测量引线等部件的布局方式也会对测量结果产生交叉影响，从而降低监测的准确性。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种自适应微弱电流监测装置及监测方法。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明第一方面，提供一种自适应微弱电流监测装置，包括信号处理单元和若干螺线管；各螺线管内部均设置一隧穿磁阻芯片，且各螺线管内部设置的隧穿磁阻芯片的磁敏感方向与各螺线管在接入电流触发下产生的磁场的方向相同；信号处理单元与各隧穿磁阻芯片均连接，用于接收隧穿磁阻芯片发送的电压信号，并根据预设的转换系数进行转换，得到待监测电流的电流值；其中，各螺线管在相同接入电流触发下产生的磁场的磁感应强度均不同。

可选的，所述各螺线管的长度和线圈匝数通过下式确定：

B_max＞N·μ₀·I_max/L

B_min＜N·μ₀·I_min/L

其中，I_max为当前螺线管待监测电流的最大电流值，I_min为当前螺线管待监测电流的最小电流值，B_max为当前螺线管内的隧穿磁阻芯片的磁感应强度监测范围上限，B_min为当前螺线管内的隧穿磁阻芯片的磁感应强度监测范围下限，μ₀为真空中的磁导率，N为当前螺线管的线圈匝数，L为当前螺线管的长度。

可选的，还包括第一过压过流保护电路；第一过压过流保护电路一端用于连接待监测电流的引流装置，另一端与各螺线管均连接。

可选的，还包括若干第二过压过流保护电路；若干第二过压过流保护电路与若干螺线管一一对应连接，且螺线管通过第二过压过流保护电路与第一过压过流保护电路连接。

可选的，还包括模数转换电路以及若干放大电路；各隧穿磁阻芯片与各放大电路一一对应连接，各放大电路均与模数转换电路一端连接，模数转换电路另一端与信号处理单元连接。

可选的，还包括数据传输装置；数据传输装置与信号处理单元连接；数据传输装置用于接收信号处理单元发送的待监测电流的电流值并传输。

可选的，所述数据传输装置为数据传输线或无线传输装置。

可选的，还包括罩设在若干螺线管外部的磁屏蔽外壳。

可选的，还包括电源管理单元以及若干电能装置；若干电能装置均通过电源管理单元与信号处理单元连接；电源管理单元用于获取各电能装置的状态信息，并根据各电能装置的状态信息，切换各电能装置的供能状态。

本发明第二方面，提供一种基于上述自适应微弱电流监测装置的自适应微弱电流监测方法，包括：将各螺线管均与待监测电流的引流装置连接；通过信号处理单元接收隧穿磁阻芯片发送的电压信号，并根据预设的转换系数进行转换，得到待监测电流的电流值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明自适应微弱电流监测装置，充分利用了微弱电流可以使螺线管中产生磁场的特性，并基于隧穿磁阻芯片的隧穿磁阻效应，对螺线管所产生的磁场进行监测，相较于目前的铁磁聚磁环结构的聚磁设计，螺线管聚磁结构能够有效避免气隙开口的影响，并且螺线管和隧穿磁阻芯片一一对应设计，各隧穿磁阻芯片之间不会产生交叉影响，能够实现待监测电流的准确监测，并且由于并非直接对待监测电流进行监测，因此保证了隧穿磁阻芯片与螺线管电流回路之间的电气隔离。同时，基于多螺线管和多隧穿磁阻芯片的设计，可适配不同量级的待监测电流的准确监测，提高微弱电流的复用率，能够实现微安级到毫安级的微弱电流监测，有效拓宽微弱电流的监测下限，有效拓宽电流监测装置的适用范围。

附图说明

图1为本发明实施例一的自适应微弱电流监测装置结构框图。

图2为本发明实施例二的自适应微弱电流监测装置结构框图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

针对背景技术中所描述的问题，在电力系统领域，低压电气线路作为电力系统中电力输送的末端，基于其线长、点多、面广及走线复杂等特点导致常规检修和维护不便，并且受气候与环境因素的制约，经常会由于设备绝缘层老化破损、电气连接松动、空气潮湿以及电流电压急剧升高等原因，引起电弧、漏电电流、温度超限和过载等电气安全灾害问题，这已成为低压用电安全与电气火灾预防的重要难题。而对于线路老化、绝缘层受损、空气潮湿等引发的漏电电流，由于包含了直流分量和非正弦、非工频的复杂波形，导致传统的交流或脉动直流剩余电流监测的电磁式互感器无法对此复杂波形进行监测，而且多数情况下此类漏电电流的电流值在毫安或微安级，还没有有效的电流监测传感器能进行准确监测。

基于此，本发明提供了一种自适应微弱电流监测装置，能够有效拓宽电流监测下限，提升电流监测范围。下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

实施例一

参见图1，本实施例中，提供一种自适应微弱电流监测装置，包括信号处理单元和若干螺线管；各螺线管内部均设置一隧穿磁阻芯片，且各螺线管内部设置的隧穿磁阻芯片的磁敏感方向与各螺线管在接入电流触发下产生的磁场的方向相同；信号处理单元与各隧穿磁阻芯片均连接，用于接收隧穿磁阻芯片发送的电压信号，并根据预设的转换系数进行转换，得到待监测电流的电流值；其中，各螺线管在相同接入电流触发下产生的磁场的磁感应强度均不同。

具体的，待监测电流通过引流装置接入各螺线管，触发各螺线管产生磁场，然后通过设置在各螺线管内部的隧穿磁阻芯片，基于隧穿磁阻效应实现各螺线管产生磁场的监测并生成电压信号，然后将该电压信号发送至信号处理单元，由信号处理单元根据预设的转换系数对电压信号进行转换，得到待监测电流的电流值。

其中，当多个隧穿磁阻芯片均向信号处理单元发送电压信号时，信号处理单元会对每个隧穿磁阻芯片的电压信号均进行处理，最终得到待监测电流的多个电流值。其中，预设的转换系数可以通过预先标定的得到，在自适应微弱电流监测装置使用前，通过将若干确定大小的电流接入螺线管并记录对应的电压信号，最终完成电流值与电压信号之间的转换系数的标定，进而在得到待监测电流的电压信号后，就能够根据标定的转换系数得到待监测电流的电流值。

本发明自适应微弱电流监测装置由于采用基于隧穿磁阻芯片的隧穿磁阻效应对螺线管所产生的磁场进行监测，而非直接对待监测电流进行监测，因此保证了隧穿磁阻芯片与螺线管电流回路之间的电气隔离。

另外，相比于目前采用铁磁聚磁环结构的聚磁设计，本发明自适应微弱电流监测装置采用螺线管聚磁结构对微弱电流信号进行磁场聚集，一方面在传感器设计及制备中更容易实现，另一方面所设计传感器的频率响应和电流监测范围不会受到磁芯材料的限制。并且，螺线管聚磁结构可以实现微弱磁路的有效利用，减小非闭合磁路有效信息的冗余，显著提高微弱电流的复用率，可将电流监测下限由毫安级拓宽至微安级，从而进一步提升基于微弱电气信号监测的传感器监测能力。

此外，将隧穿磁阻芯片的磁敏感方向与对应各螺线管在接入电流触发下产生的磁场的方向对齐，保证隧穿磁阻芯片对螺线管在接入电流触发下产生的磁场的准确监测，进而确保待监测电流的监测准确性。

综上所述，本发明自适应微弱电流监测装置，充分利用了微弱电流可以使螺线管中产生磁场的特性，并基于隧穿磁阻芯片的隧穿磁阻效应，对螺线管所产生的磁场进行监测，相较于目前的铁磁聚磁环结构的聚磁设计，螺线管聚磁结构能够有效避免气隙开口的影响，并且螺线管和隧穿磁阻芯片一一对应设计，各隧穿磁阻芯片之间不会产生交叉影响，能够实现待监测电流的准确监测，并且由于并非直接对待监测电流进行监测，因此保证了隧穿磁阻芯片与螺线管电流回路之间的电气隔离。同时，基于多螺线管和多隧穿磁阻芯片的设计，可适配不同量级的待监测电流的准确监测，提高微弱电流的复用率，能够实现微安级到毫安级的微弱电流监测，有效拓宽微弱电流的监测下限，有效拓宽电流监测装置的适用范围。

在一种可能的实施方式中，设置两个螺线管和两个隧穿磁阻芯片，其中，一个螺线管设置为多匝密绕螺线管，另一个螺线管设置为少匝密绕螺线管。基于这样的设计，多匝密绕螺线管可监测10uA至5mA范围的电流，少匝密绕螺线管可监测1mA至500mA范围的电流。实现包括泄漏电流、接地电流以及局部电流等微安级至毫安级电流的准确监测。

由于螺线管在相同接入电流触发下产生的磁场的磁感应强度，会受到螺线管的长度和线圈匝数的影响，而不同的隧穿磁阻芯片所能监测的磁场也具有磁感应强度上下限的限制，因此，通过合理设计各螺线管的长度和线圈匝数，就能够实现不同的螺线管和隧穿磁阻芯片组监测不同范围的待监测电流。

在一种可能的实施方式中，对于各螺线管的长度和线圈匝数，提供了如下的确定方式：

B_max＞N·μ₀·I_max/L

B_min＜N·μ₀·I_min/L

其中，I_max为当前螺线管待监测电流的最大电流值，I_min为当前螺线管待监测电流的最小电流值，B_max为当前螺线管内的隧穿磁阻芯片的磁感应强度监测范围上限，B_min为当前螺线管内的隧穿磁阻芯片的磁感应强度监测范围下限，μ₀为真空中的磁导率，N为当前螺线管的线圈匝数，L为当前螺线管的长度。

其中，B_max和B_min由选定隧穿磁阻芯片的技术参数决定，螺线管的长度可由实际安装运行条件进行设定，确定了螺线管的长度后即可确定螺线管的线圈匝数。

实施例二

参见图2，本实施例中，提供一种自适应微弱电流监测装置，包括第一过压过流保护电路、信号处理单元和若干螺线管；各螺线管内部均设置一隧穿磁阻芯片；信号处理单元与各隧穿磁阻芯片均连接，用于接收隧穿磁阻芯片发送的电压信号，并根据预设的转换系数进行转换，得到待监测电流的电流值，第一过压过流保护电路一端用于连接待监测电流的引流装置，另一端与各螺线管均连接；其中，各螺线管在相同接入电流触发下产生的磁场的磁感应强度均不同。

具体的，在实施例一自适应微弱电流监测装置的基础上，增设了第一过压过流保护电路，通过第一过压过流保护电路的设计，防止过大的待监测电流直接接入自适应微弱电流监测装置对内部电子器件造成损坏，提升自适应微弱电流监测装置的使用寿命。

可选的，本实施例自适应微弱电流监测装置还包括若干第二过压过流保护电路；若干第二过压过流保护电路与若干螺线管一一对应连接，且螺线管通过第二过压过流保护电路与第一过压过流保护电路连接。

具体的，通过设置第二过压过流保护电路，来限制流入对应的螺线管的最大电流，来保护与各螺线管对应的隧穿磁阻芯片。可以将位于各隧穿磁阻芯片的限制范围内的待监测电流接入对应的各螺线管，保证待监测电流监测的准确性。其中，第二过压过流保护电路可以采用目前常规的防浪涌保护装置，如防浪涌瞬态二级管构成。同时，第二过压过流保护电路还能起到不同螺线管间的隔离作用，保证多路测量的设计不会相互产生影响。

可选的，本实施例自适应微弱电流监测装置还包括模数转换电路以及若干放大电路；各隧穿磁阻芯片与各放大电路一一对应连接，各放大电路均与模数转换电路一端连接，模数转换电路另一端与信号处理单元连接。

其中，放大电路用来放大相连接的隧穿磁阻芯片发送的电压信号，以提升监测的准确性，各放大电路的放大倍数可由信号处理单元决定。模数转换电路用来对放大后的电压信号进行模数转换，以便于后续信号处理单元的处理。

可选的，本实施例自适应微弱电流监测装置还包括数据传输装置；数据传输装置与信号处理单元连接；数据传输装置用于接收信号处理单元发送的待监测电流的电流值并传输。

具体的，通过设计数据传输装置实现待监测电流的电流值的远程传输，实现监测现场的无人化作业，降低人工成本。其中，数据传输装置可以采用数据传输线，如485通讯线等，也可以采用无线传输装置，如2.4GHz无线传输器和蓝牙无线传输器等。

可选的，本实施例自适应微弱电流监测装置还包括电源管理单元以及若干电能装置；若干电能装置均通过电源管理单元与信号处理单元连接；电源管理单元用于获取各电能装置的状态信息，并根据各电能装置的状态信息，切换各电能装置的供能状态。

具体的，通过电源管理单元实现多电能装置的管理，可以实现多电能装置的联合供电，极大提升自适应微弱电流监测装置的工作时长和工作稳定性。其中，电能装置可以选用太阳能电池或蓄电池等。

可选的，本实施例自适应微弱电流监测装置还包括罩设在若干螺线管外部的磁屏蔽外壳。通过设置磁屏蔽外壳，有效防止外部磁场对隧穿磁阻芯片的影响，保证监测精度。

在一种可能的实施方式中，将本发明自适应微弱电流监测装置应用于绝缘子泄漏电流监测中，在自适应微弱电流监测装置底部根据现场实际应用需求，配置固定螺栓、三角支架结构或抱箍结构以实现固定，最终实现绝缘子泄漏电流的稳定监测。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自适应微弱电流监测装置，其特征在于，包括信号处理单元和若干螺线管；

各螺线管内部均设置一隧穿磁阻芯片，且各螺线管内部设置的隧穿磁阻芯片的磁敏感方向与各螺线管在接入电流触发下产生的磁场的方向相同；信号处理单元与各隧穿磁阻芯片均连接，用于接收隧穿磁阻芯片发送的电压信号，并根据预设的转换系数进行转换，得到待监测电流的电流值；

其中，各螺线管在相同接入电流触发下产生的磁场的磁感应强度均不同。

2.根据权利要求1所述的自适应微弱电流监测装置，其特征在于，所述各螺线管的长度和线圈匝数通过下式确定：

B_max＞N·μ₀·I_max/L

B_min＜N·μ₀·I_min/L

其中，I_max为当前螺线管待监测电流的最大电流值，I_min为当前螺线管待监测电流的最小电流值，B_max为当前螺线管内的隧穿磁阻芯片的磁感应强度监测范围上限，B_min为当前螺线管内的隧穿磁阻芯片的磁感应强度监测范围下限，μ₀为真空中的磁导率，N为当前螺线管的线圈匝数，L为当前螺线管的长度。

3.根据权利要求1所述的自适应微弱电流监测装置，其特征在于，还包括第一过压过流保护电路；第一过压过流保护电路一端用于连接待监测电流的引流装置，另一端与各螺线管均连接。

4.根据权利要求3所述的自适应微弱电流监测装置，其特征在于，还包括若干第二过压过流保护电路；若干第二过压过流保护电路与若干螺线管一一对应连接，且螺线管通过第二过压过流保护电路与第一过压过流保护电路连接。

5.根据权利要求1所述的自适应微弱电流监测装置，其特征在于，还包括模数转换电路以及若干放大电路；

各隧穿磁阻芯片与各放大电路一一对应连接，各放大电路均与模数转换电路一端连接，模数转换电路另一端与信号处理单元连接。

6.根据权利要求5所述的自适应微弱电流监测装置，其特征在于，还包括数据传输装置；数据传输装置与信号处理单元连接；

数据传输装置用于接收信号处理单元发送的待监测电流的电流值并传输。

7.根据权利要求6所述的自适应微弱电流监测装置，其特征在于，所述数据传输装置为数据传输线或无线传输装置。

8.根据权利要求1所述的自适应微弱电流监测装置，其特征在于，还包括罩设在若干螺线管外部的磁屏蔽外壳。

9.根据权利要求1所述的自适应微弱电流监测装置，其特征在于，还包括电源管理单元以及若干电能装置；

若干电能装置均通过电源管理单元与信号处理单元连接；

电源管理单元用于获取各电能装置的状态信息，并根据各电能装置的状态信息，切换各电能装置的供能状态。

10.一种基于权利要求1所述自适应微弱电流监测装置的自适应微弱电流监测方法，其特征在于，包括：

将各螺线管均与待监测电流的引流装置连接；

通过信号处理单元接收隧穿磁阻芯片发送的电压信号，并根据预设的转换系数进行转换，得到待监测电流的电流值。

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