張俊　彭偉　涂景懷　程杰　楊鵬　吳瀚　趙雪琳

摘要：采用需求響應(yīng)電力監(jiān)控系統(tǒng)管理終端用電量，可提高智能電網(wǎng)運(yùn)行效率。電流傳感器是監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵組成之一，但傳統(tǒng)的單芯線電流傳感器不適用于終端設(shè)備雙芯線電流的非侵入式檢測(cè)。該文提出一種非侵入式雙芯線電流傳感器，采用環(huán)電線的開(kāi)氣隙磁芯控制電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)分布，通過(guò)4個(gè)磁阻傳感器分別測(cè)量4處氣隙磁場(chǎng)，共同求解雙芯線電流以及雙芯線繞中軸旋轉(zhuǎn)角度。使用時(shí)傳感器扣合在被監(jiān)測(cè)雙芯線外包層，無(wú)需任何對(duì)準(zhǔn)過(guò)程，可實(shí)現(xiàn)任意輪廓雙芯線電流的非侵入式檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明：該傳感器在0-20 A量程內(nèi)的非線性度為±1.5%，電流測(cè)量誤差不超過(guò)±1.8%。

關(guān)鍵詞：非侵入式電流傳感器；雙芯線；開(kāi)氣隙磁芯；磁阻傳感器

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2018）05-0071-06

0引言

采用需求響應(yīng)電力監(jiān)控系統(tǒng)管理終端用電量，可提高智能電網(wǎng)運(yùn)行效率，電線電流傳感器是監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵組成之一。測(cè)量電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)是電流檢測(cè)的常用手段，然而家用或商用終端設(shè)備普遍由雙芯線供電，其相線與零線中電流的大小相等、方向相反。各種單芯線電流傳感器，如電流互感器、Rogowski線圈、有磁芯霍爾電流傳感器、無(wú)磁芯霍爾傳感器陣列、法拉第磁光效應(yīng)電流傳感器等，均不適用于雙芯線電流的非侵入式檢測(cè)。由于雙芯線磁場(chǎng)分布不均勻，Leland等設(shè)計(jì)的兩種傳感器中的磁體或線圈必須位于電線雙芯的中線上并與雙芯保持確定的距離，否則靈敏度將顯著降低甚至無(wú)法感應(yīng)，因此傳感器需要復(fù)雜的對(duì)準(zhǔn)過(guò)程，測(cè)量精度受安裝位置影響較大，僅適用于扁平輪廓雙芯線電流的非侵入式檢測(cè)。

針對(duì)現(xiàn)有非侵入電流傳感器在雙芯線電流檢測(cè)中存在的問(wèn)題，本文提出一種非侵入式雙芯線電流傳感器，采用環(huán)電線的開(kāi)氣隙磁芯控制雙芯線磁場(chǎng)分布，通過(guò)磁阻傳感器測(cè)量磁芯4處氣隙磁場(chǎng)，共同求解雙芯線繞中軸旋轉(zhuǎn)角度以及雙芯線電流，確保傳感器在任意的雙芯線旋轉(zhuǎn)角度下均保持較高的測(cè)量精度，從而實(shí)現(xiàn)任意輪廓雙芯線電流的非侵入式檢測(cè)。

1傳感器結(jié)構(gòu)

非侵入式雙芯線電流傳感器由開(kāi)氣隙磁芯和磁芯氣隙中的4個(gè)磁阻傳感器組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。磁芯與磁阻傳感器繞磁芯通孔中軸旋轉(zhuǎn)90°對(duì)稱，限位圓筒使雙芯線與磁芯通孔盡量同軸。當(dāng)雙芯線與磁芯通孔同軸時(shí)，相互垂直氣隙中的磁場(chǎng)分別與雙芯線繞中軸旋轉(zhuǎn)角度的正弦值及余弦值相關(guān)，可共同求解雙芯線電流及雙芯線繞中軸旋轉(zhuǎn)角度：當(dāng)雙芯線中軸偏離磁芯通孔中軸時(shí)，相互對(duì)稱氣隙中的磁場(chǎng)以幾乎相反的趨勢(shì)變化，可近似求解雙芯線與磁芯通孔同軸時(shí)的氣隙磁場(chǎng)。

2傳感原理

傳感器以雙芯線與磁芯通孔同軸時(shí)的氣隙磁場(chǎng)作為被測(cè)量，采用對(duì)稱的磁芯結(jié)構(gòu)消除雙芯線中軸位置偏移引起的測(cè)量誤差，通過(guò)磁阻傳感器的4路輸出信號(hào)共同求解雙芯線電流以及雙芯線繞中軸旋轉(zhuǎn)角度。

2.1雙芯線與磁芯通孔同軸時(shí)的氣隙磁場(chǎng)

磁芯與電線雙芯的尺寸如圖2（a）所示，坐標(biāo)原點(diǎn)位于通孔中心，雙芯線中心坐標(biāo)為（△x，△y），氣隙寬度和高度分別為d與h₁，通孔半徑為r₃，電線銅芯的圓心距離為2r₀，θ是Y軸與銅芯圓心連線之間最小的夾角（0°≤θ≤90°）。X軸的上側(cè)與下側(cè)分別為氣隙1與氣隙3，Y軸的右側(cè)與左側(cè)分別為氣隙2與氣隙4，將磁芯磁場(chǎng)按其經(jīng)過(guò)的氣隙進(jìn)行分解，路徑如圖2（b）所示。

設(shè)雙芯線與磁芯通孔同軸，（△x，△y）=（0，0）時(shí)，氣隙n中心位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值為B_sn。根據(jù)磁芯旋轉(zhuǎn)90°對(duì)稱性，有B_s1=B_s3、B_s2=B_s4。

首先分析B_s1，假設(shè)電荷在銅芯截面均勻分布，將銅芯截面視為半徑無(wú)窮小的點(diǎn)。由于磁芯繞通孔中軸旋轉(zhuǎn)90°對(duì)稱，因此氣隙1與氣隙2的磁場(chǎng)分量在通孔中的方向相互垂直，求解B_s1時(shí)可將銅芯截面投影到Y(jié)軸上，使磁場(chǎng)沿X軸對(duì)稱。設(shè)氣隙磁場(chǎng)均勻分布，通孔中Y軸上的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值為B_y（y），忽略氣隙漏磁，有：

取Y正半軸上y₀點(diǎn)的微元dy₀，對(duì)經(jīng)過(guò)dy₀且截面寬度趨于零的磁路進(jìn)行分析，由于磁場(chǎng)總是傾向于從磁阻最小的路徑通過(guò)，因此假設(shè)該磁路在通孔和氣隙1中的路徑是經(jīng)過(guò)dy₀的最短路徑，如圖2（a）中虛線所示，該磁路在通孔和氣隙1中的長(zhǎng)度L_y（y₀）約為

假設(shè)該磁路在通孔和氣隙1中的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度為B_y（y₀），磁芯相對(duì)磁導(dǎo)率μ_r>1，根據(jù)磁路定理可知：

上式說(shuō)明測(cè)量B_s1（或者B_s3）與B_s2（或者B_s4）可實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)，因此傳感器以B_sn作為氣隙磁場(chǎng)被測(cè)量。但實(shí)際的雙芯線與磁芯通孔很難同軸，需要繼續(xù)分析雙芯線中軸位置偏移時(shí)的氣隙磁場(chǎng)。

2.2雙芯線中軸位置偏移時(shí)的氣隙磁場(chǎng)

設(shè)雙芯線與磁芯通孔不同軸，即（△x，△y）≠（0，0）時(shí)，氣隙n中心位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度幅值為B_n。B_n由磁阻傳感器測(cè)得，是B_sn的測(cè)量值。由于磁芯具有旋轉(zhuǎn)90°對(duì)稱性，下面以B₁、B₃為例進(jìn)行分析。

B₁、B₃的求解過(guò)程與B_s1基本相同。由于銅芯截面在y軸上的投影偏移至△y點(diǎn)，求解B₁時(shí)將式（1）的積分上限與下限分別修改為r₀cosθ+△y與△y，求解B₃時(shí)將式（1）的積分上限與下限分別修改為r₀cosθ-△y與-△y，有：

將式（13）、式（14）計(jì)算出的B₁₃、B₂₄測(cè)量值代入式（16），可以共同求解，I_p與θ。磁芯的氣隙漏磁由其幾何參數(shù)決定，因此式（16）適用于具有相同磁芯結(jié)構(gòu)的任意電流傳感器。由于實(shí)際的氣隙磁場(chǎng)分布不均勻，為了避免磁阻傳感器安裝位置偏移帶來(lái)的測(cè)量誤差，需要為每一個(gè)電流傳感器單獨(dú)標(biāo)定β₁₃與β₂₄。

4實(shí)驗(yàn)與討論

實(shí)驗(yàn)選取江蘇多維科技有限公司生產(chǎn)的隧道磁阻傳感器TMR501，其磁場(chǎng)感應(yīng)方向垂直于芯片表面，外部尺寸為5.2mm×3.6mm×1.7mm，出廠靈敏度范圍（3v供電）在7.5～11.25mV/mT之間。為進(jìn)一步確定磁阻傳感器靈敏度，將0.1 mT精度的高斯計(jì)與磁阻傳感器共同放置于水磁體產(chǎn)生的均勻磁場(chǎng)中，標(biāo)定出磁阻傳感器在±10 mT量程內(nèi)的靈敏度結(jié)果如表1所示。傳感器磁芯采用相對(duì)磁導(dǎo)率μ_r=5 000的鐵基非晶材料，設(shè)磁芯沿電流方向的長(zhǎng)度為m，磁芯的幾何參數(shù)為：h₁=1.8mm，d=3mm，m=4mm，r₃=5mm。磁阻傳感器在磁芯氣隙中的安裝位置如圖8所示。

傳感器測(cè)試系統(tǒng)中，雙芯線銅芯截面積為4 mm²，銅芯圓心距離2ro=3.7 mm，限位圓筒外徑為9.6mm。4個(gè)磁阻傳感器均由3v直流穩(wěn)壓源供電，磁阻傳感器輸出的毫伏級(jí)電壓信號(hào)經(jīng)差分放大電路200倍放大后，輸入示波器進(jìn)行測(cè)量。

擬合實(shí)驗(yàn)中傳感器角度固定、雙芯線繞中軸旋轉(zhuǎn)，電流有效值/1=19.8 A。將雙芯線按同一方向旋轉(zhuǎn)360°，每隔2°記錄一次U_n，共得到180組B₁₃、B₂₄測(cè)量值，其中每4組測(cè)量值對(duì)直于同一個(gè)θ（θ≠0°或90°），取這4組數(shù)據(jù)的平均值作為正弦擬合用的B₁₃、B₂₄測(cè)量值，結(jié)果如圖9所示。

擬合實(shí)驗(yàn)中任意θ下B₁₃或B₂₄的4個(gè)測(cè)量值相對(duì)于圖9中平均測(cè)量值的偏差在±0.3%以內(nèi)。以圖中的平均測(cè)量值作為曰。真值，得到△B_sn/B_sn變化范圍見(jiàn)表2，B₁₃、B₂₄的測(cè)量誤差相比B_sn降低了一個(gè)數(shù)量級(jí)。

B₁₃、B₂₄的測(cè)量值擬合曲線如圖9所示，實(shí)驗(yàn)測(cè)得β₁₃=1.124 mT，盧24=1.161 mT，正弦擬合系數(shù)為

為評(píng)估傳感器的測(cè)量誤差，分別在10個(gè)不同θ（θ=0°，10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°，90°）條件下測(cè)量0～20A范圍內(nèi)的電流，由于磁芯繞通孔中軸旋轉(zhuǎn)90°對(duì)稱，因此僅在圖2（a）所示的一個(gè)象限內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)測(cè)得200B組B₁₃²、B₂₄²測(cè)量值，其中θ=30°條件下的傳感器輸入輸出特性如圖10所示。將B₁₃、B₂₄的測(cè)量值代入式（16）求解I_p，得到傳感器測(cè)量誤差如圖11所示。傳感器在0～20A量程內(nèi)的測(cè)量誤差不超過(guò)±1.8%，滿量程非線性度為±1.5%。

5結(jié)束語(yǔ)

非侵入式雙芯線電流傳感器采用環(huán)電線的開(kāi)氣隙磁芯控制磁場(chǎng)分布，通過(guò)磁阻傳感器測(cè)量4處氣隙磁場(chǎng)，共同求解雙芯線電流以及雙芯線繞軸旋轉(zhuǎn)角度，同時(shí)顯著減小雙芯線與磁芯通孔不同軸引起的測(cè)量誤差。使用時(shí)傳感器扣合在雙芯線外包層，無(wú)需對(duì)準(zhǔn)或固定傳感器位置，即可實(shí)現(xiàn)任意輪廓雙芯線電流的非侵入式檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)表明該傳感器在0～20A量程內(nèi)的非線性度為±1.5%，測(cè)量誤差不超過(guò)±1.8%。傳感器體積小巧、安裝方便，可監(jiān)測(cè)每一個(gè)終端設(shè)備的用電量，為智能電網(wǎng)需求側(cè)管理提供有效的技術(shù)支撐。

（編輯：徐柳）