陳曉芳，劉崇偉，王 崇，李 蓓，趙俊杰，侯昱丞，楊 挺

(1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學研究院，天津 300000；2.天津大學電氣自動化與信息工程學院，天津 300072)

0 引言

電流檢測裝置是電力系統(tǒng)進行電能計量，為調(diào)控保護提供電流信號的重要設備，其對于故障的快速檢測和定位、潮流控制以及網(wǎng)損計量都有重要的意義。傳統(tǒng)的電流檢測裝置，如羅氏線圈等由于使用鐵心，存在無法測量直流電流、在大故障電流下易飽和、體積大、質(zhì)量大等缺點，難以滿足新一代電力系統(tǒng)在線檢測、高精度故障診斷等發(fā)展新需求[1]。

與傳統(tǒng)電流檢測裝置相比，電子式電流互感器，如光電式電流傳感器和基于磁電阻效應的電流傳感器取消了鐵芯，因此可實現(xiàn)小體積、輕量化，并且具有線性度好、動態(tài)范圍大等優(yōu)點。其中，與高價格的光電式電流傳感器相比，磁電阻傳感器更具有工程適用性。具體分析幾種常用的磁傳感器[2]：

(1)基于霍爾效應的電流傳感器：采用霍爾元件作為傳感器單元的電流傳感器，通過被測電流產(chǎn)生的磁場大小來實現(xiàn)對電流的測量。霍爾元件由于靈敏度低，通常采用鐵磁材料的聚磁效應來提高精度，但鐵磁材料存在磁帶和損耗，當被測電流在較大范圍內(nèi)變化時，氣隙間的磁感應強度與電流之間會失去線性關(guān)系，特別是測量小電流時，這種偏差尤為明顯。

(2)基于各向異性磁電阻(anisotropic magnetoresistance，AMR)效應的電流傳感器：靈敏度高于霍爾元件，但是線性范圍窄。以AMR為敏感元件的磁傳感器工作時需要設置線圈對其進行預設/復位操作，制造工藝復雜，同時也增加了體積和功耗[3]。

(3)基于巨磁阻(giant magnetoresistance，GMR)效應的電流傳感器：與AMR類似，其受巨磁阻元件的線性范圍小的約束，測量范圍窄，并不適用于電網(wǎng)的寬量程、多場景應用需求。

(4)基于隧穿磁阻(tunnel magnetoresistance，TMR)效應的電流傳感器：TMR是近年研究出的新型磁電阻效應傳感器元件，相比于已有傳感器，TMR電流傳感器具備極高的靈敏度和分辨率、優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性、小體積低功耗以及寬動態(tài)范圍等優(yōu)點，是固態(tài)傳感器技術(shù)的發(fā)展新趨勢。

但在電網(wǎng)工程應用中，電磁環(huán)境復雜，干擾源多，將嚴重影響電流檢測精度。因此本文重點分析TMR電流傳感器潛在電磁干擾源，并提出復雜電磁環(huán)境下抗干擾技術(shù)。

1 TMR電流傳感器工作原理分析

1.1 TMR元件結(jié)構(gòu)

TMR元件為3層膜結(jié)構(gòu)，上下2片強磁性體層被稱為自由層和固定層，夾住1～2 nm的薄絕緣體的勢壘層[4]。當待測電流垂直于TMR元件膜面流過時，由于固定層的磁矩方向固定，而自由層的磁化方向根據(jù)外部磁場方向而變，因此兩層磁矩間出現(xiàn)夾角，其決定了磁隧道結(jié)的磁電阻R，阻值隨待測電流強弱變化。當通過電流所產(chǎn)生的被測磁場為Ha時，自由層的磁矩M穩(wěn)定在θ角，如圖1所示，則可計算出磁電阻R：

(1)

式中：c1和c2為與TMR薄膜有關(guān)的定常數(shù)，為元器件固有參數(shù)。

圖1 自由層磁矩方向的決定因素

TMR隧道結(jié)中的自由層磁化方向取決于外加磁場的磁場方向。當自由層與固定層的磁化方向平行時，R阻值最小，勢壘層流過大電流。隨著自由層磁化方向的改變，θ角變大，電阻變大。當磁化方向為反向平行時，電阻極端地變大，勢壘層幾乎沒有電流流過，如圖2所示。

圖2 TMR隧道結(jié)電阻率變化原理圖

1.2 TMR傳感器特性

利用TMR元器件的磁矩夾角和阻值間的線性關(guān)系，將4個靈敏方向不同的TMR磁阻元件連接成橋式電路，構(gòu)成TMR電流傳感器，如圖3所示，其中R1和R4的靈敏方向一致，且反平行于R2和R3，當有外加磁場時，易得差分輸出信號ΔU的曲線。

圖3 全橋結(jié)構(gòu)以及其輸出曲線

1.3 TMR傳感器測量電流原理

電網(wǎng)中50 Hz的工頻電流會產(chǎn)生以母排為中心的旋轉(zhuǎn)磁場。由于其波長遠大于測量系統(tǒng)的量級，可看成是一個靜態(tài)磁場，磁場頻率與電流頻率相等，兩者的幅值和相位成線性關(guān)系。母排周圍某點的磁場強度大小與該點到母排的垂直距離成反比，與母排上流過的電流成正比，TMR傳感器所在點的磁場強度為

B=k1·(I/d)

(2)

式中：k1為常系數(shù)；I為母排上通過的電流；d為TMR傳感器到母排的垂直距離。

在線性測量范圍內(nèi)，其輸出電壓值與輸入磁場強度大小成線性關(guān)系，所以，輸出電壓滿足

u=k2·B

(3)

式中：k2為常系數(shù)，其大小可由實驗測得；u為磁傳感器輸出電壓的峰峰值。

通過式(2)和式(3)，傳感器輸出電壓與實際電流之間成線性關(guān)系：

u=c·(I/d)

(4)

式中c為該TMR電流傳感器的常系數(shù)，c=k1×k2，由實驗測得。

最后由輸出電壓值可得到被測電流值，實現(xiàn)電流傳感器功能。

2 TMR電流傳感器工作的復雜電磁環(huán)境干擾源分析

由上述TMR電流傳感器結(jié)構(gòu)和工作原理分析可知，其是基于磁電阻原理實現(xiàn)電流檢測的，外界或內(nèi)部磁場都將影響TMR電流傳感器的測量靈敏度和工作穩(wěn)定性[5-6]。因此必須了解影響TMR電流傳感器的復雜電磁環(huán)境，分析干擾源特性，從而采取合理的方法加以避免，實現(xiàn)抗干擾。基于TMR電流傳感器實際電網(wǎng)應用場景分析，本文重點研究2類干擾：地環(huán)路干擾和輻射干擾問題。

2.1 地環(huán)路干擾

TMR電流傳感器在實際使用時需要通過信號線將檢測信息上傳或與其他傳感器相連進行交互。因此地線作為直流供電電源的饋線之一，將在傳感器中與電源線構(gòu)成回路；與此同時，地線也與信號線構(gòu)成環(huán)路；地線本身也可能構(gòu)成環(huán)路。當交變磁場與這些環(huán)路交連時，環(huán)路中產(chǎn)生的感應電勢就有可能疊加到傳輸信號上形成干擾。

圖4為TMR傳感器與信號接收電路連接示意圖，E為直流電源，V+與V-為傳感器的輸出電壓信號。由圖4可知，電源的正極饋線與地線在傳感器和信號接收電路間構(gòu)成一個環(huán)路，V+和V-信號線與地線在傳感器和信號接收電路間又構(gòu)成另一個環(huán)路。當交變磁場穿過這些環(huán)路時，環(huán)路中產(chǎn)生的感應電勢可計算為

(5)

式中：Ei為環(huán)路中的感應電勢，V；S為環(huán)路在磁場垂直方向上的投影面積，m2；B為穿過環(huán)路的磁通密度， T。

圖4 地環(huán)路干擾示意圖

感應電動勢Ei會產(chǎn)生干擾電流，其疊加到信號電流上進入到下一級信號接收電路中，形成地環(huán)路干擾。

2.2 輻射干擾

TMR傳感器是通過感應待測電流所產(chǎn)生的磁場大小，等效測量電流值。因此如果存在外界輻射磁場，則很容易影響到待測磁場，造成測量不準確。分析TMR電流傳感器的工作環(huán)境，表1給出了可能的輻射干擾源和頻譜特征。

表1 常見輻射干擾源的頻譜特征

3 抗干擾技術(shù)

由上一章分析可知，TMR電流傳感器在工作時將受到自身地環(huán)路干擾和外部輻射干擾。為了保證TMR電流傳感器的正常工作，提升其測量精度，就需要針對復雜的電磁干擾提出有效的抗干擾技術(shù)。

3.1 基于縱向扼流圈傳輸信號的抗地環(huán)路干擾技術(shù)

針對地環(huán)路對TMR傳感器的干擾，本文設計縱向扼流圈電路以消除干擾信號，結(jié)構(gòu)如圖5(a)所示。其中，兩個繞組的繞向與匝數(shù)相同，稱為雙線并繞，如圖5(b)所示。當扼流圈串聯(lián)接入TMR電流傳感器和信號接收電路之間時，傳感器輸出電壓V+-V-產(chǎn)生的信號電流在兩個繞組流過，產(chǎn)生的磁場恰好抵消，因此可以幾乎無損耗地傳輸信號。而地線等效干擾電壓Ei所引起的干擾電流流經(jīng)扼流圈兩繞組時，產(chǎn)生的磁場則同相疊加，等效為扼流圈對干擾電流呈現(xiàn)大感抗，如圖5(c)所示，阻隔干擾電流，抑制地線干擾。

分析縱向扼流圈等效電路：ΔV=V+-V-表示需傳輸?shù)男盘栯妷海琑C1、RC2為連接線電阻，RL為信號接收電路的等效負載。對縱向扼流圈而言，L1=L2=M。分別計算信號電壓ΔV和干擾電壓在Ei在電路負載上的響應，可理論推導出縱向扼流圈的抑制能力。

運用疊加定理，令Ei=0，設此時流過RL的電流為IS，流過地線的電流為Ie，則有：

(a)縱向扼流圈在電路中的連接

圖5 基于縱向扼流圈傳輸信號的抗地環(huán)路干擾電路

(6)

整理得：

(7)

當感抗L2較大時，可認為Ie→0，地線視為斷路，互感線圈L1與L2對ΔV的作用相互抵消，RL遠大于RC1與RC2，則有(RL·Is)/ΔV≈1，表明負載上的信號電壓近似于信號源電壓，即縱向扼流圈對于信號幾乎是無損傳輸[7]，再令ΔV=0，設Ei在負載RL上的響應為Un，經(jīng)分析同樣可得：

(8)

式中：fC為縱向扼流圈截止頻率，fC=RC2/(2πL)。

當f>5fC時，地線中的干擾在負載上所反映的電壓僅為20%，即縱向扼流圈對地線干擾起到有效抑制作用。

3.2 電磁屏蔽抗輻射干擾技術(shù)

采用電磁屏蔽技術(shù)以抑制電磁噪聲空間傳播，即切斷輻射電磁噪聲的傳輸途徑，是一種針對外部多樣復雜輻射干擾的有效方法[8]。采用金屬材質(zhì)Faraday籠包圍屏蔽區(qū)域，使屏蔽體內(nèi)外磁場相互隔離[9]。當電磁波傳播到達屏蔽材料表面時，3種不同機理對電磁輻射進行衰減，在入射表面由阻抗突變引起的電磁波反射衰減，未被反射而進入屏蔽體的電磁波被材料吸收的衰減，在屏蔽體內(nèi)部的多次反射衰減。屏蔽材料的屏蔽性能由屏蔽效能SE來計算[10]，如式(9):

(9)

式中：E0，E1分別為有、無屏蔽體時電場強度；H0，H1分別為有、無屏蔽體時磁場強度。

本文針對TMR電流傳感器設計了一種磁屏蔽結(jié)構(gòu)，如圖6所示。TMR元件和電路板安裝在空心絕緣環(huán)上層，絕緣環(huán)內(nèi)部空腔供待測電流導線穿過，因此通過絕緣環(huán)使得電流導線與TMR傳感器之間電絕緣。在整個核心模塊外部封閉一磁屏蔽籠。磁屏蔽環(huán)采用高磁導率和高電導率的銅質(zhì)金屬材料制成，有效抑制周圍環(huán)境的外磁場對TMR電流傳感器的影響，提高TMR電流傳感器的測量精度。

圖6 TMR電流傳感器屏蔽結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

電網(wǎng)實際應用環(huán)境中的復雜電磁干擾是影響TMR磁性電流傳感器工程應用的最大問題。本文針對該問題，研究了TMR電流傳感器受到的2類典型電磁干擾，并針對不同干擾提出了有效的抗干擾技術(shù)，為高精度TMR電流傳感器在電力系統(tǒng)中應用提供了必要的技術(shù)支撐。