王偉杰，何星躲，雍明超，王勝輝，郭 旭

（許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

0 引言

電網(wǎng)電流的檢測是智能電網(wǎng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，電力系統(tǒng)及設備的健康運行和安全保護都需要根據(jù)采集的電流信息來進行分析決策，因此電流的檢測技術(shù)對電力系統(tǒng)的發(fā)展具有舉足輕重的意義［1，2］。目前電網(wǎng)中最常見的兩種傳感器是互感器和霍爾電流傳感器，然而在實際運用中它們存在著一些缺點［3～6］：互感器必須事先接入電路，當需要臨時測量工作中的主電路時，必須先斷開主電路，不利于安裝和維護；霍爾電流傳感器工作時要求外電源為其提供恒定的直流電流，僅適用于工頻交流信號，且易磁芯飽和，體積大，響應帶寬窄，制備成本較高，不能實現(xiàn)智能電網(wǎng)中大規(guī)模電流檢測的應用。

基于磁電復合材料的磁場傳感器在無需外加電源的情況下能將磁信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，具有較大的動態(tài)范圍，響應頻帶寬，可以實現(xiàn)非接觸式測量，在無源非接觸式電流檢測應用方面具有廣闊的前景［7～11］。文獻［12］設計并實現(xiàn)了一種用于電流檢測的長方形磁電層合材料，具有0.401 mV／mA的靈敏度，具有毫安（mA）級別的電流檢測范圍。文獻［13］和文獻［14］設計并實現(xiàn)了一種由壓電陶瓷（PZT）、Terfenol-D磁致伸縮材料和與之配合的鐵氧體磁環(huán)組成的電流傳感器，其靈敏度可達50 mV／A 以上。文獻［15］采用鐵／鎵（FeGa）／PZT復合磁電材料設計了一種體積小、結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定性高的差分電流傳感器標簽，與彈性的U型夾具配合可應用于不同直徑載流導線的電流測量。文獻［16］基于磁電層合材料SrFe12O19／FeCuNbSiB／PZT 磁—機—電耦合效應研制了電流傳感器，具有較大的輸出電壓和無需直流偏置磁場的優(yōu)點。此外，文獻［17］提出了一種頻率可調(diào)的磁電式電流傳感器，該傳感器諧振頻率可調(diào)制至工頻50 Hz，從而增強了其電流靈敏度。研究表明，現(xiàn)有的磁場傳感器對直流偏置磁場具有很大的依賴性［18，19］。在制備傳感器時通常需要釹鐵硼（NdFeB）來滿足偏置磁場的需求。Nd-FeB等磁體的安裝明顯增加了傳感器的體積，產(chǎn)生的偏置磁場可能對載流電線和鄰近的傳感器造成干擾，進而限制了其在工程實際中的應用。

因此，針對現(xiàn)有磁電傳感器對直流偏置磁電過分依賴、體積過大和靈敏度不高等問題，設計了一種可用于電流檢測的柔性自偏置磁電傳感器，并驗證了其在自偏置狀態(tài)下的磁電性能和電流檢測的性能，以支撐電網(wǎng)電流檢測的實際應用。

1 柔性自偏置磁電傳感器原理與性能分析

1.1 磁電傳感器設計

柔性自偏置磁電傳感器基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示，磁電層合材料參數(shù)如表1所示。

表1 磁電層合材料的主要參數(shù)

圖1 磁電傳感器結(jié)構(gòu)

其中壓電材料為聚偏氟乙烯共聚物P（VDF-TrFE），沿厚度方向極化，厚度為30 μm。磁致伸縮材料為納米晶軟磁材料FeCuNbSiB，沿長度方向磁化，厚度為50 μm。將P（VDF-TrFE）和軟磁材料裁剪成不同尺寸的長方形，保持寬度為12 mm。使用環(huán)氧樹脂將磁致伸縮材料和壓電材料進行粘合并用液壓機擠壓保證磁電傳感器最大程度粘合完好，使環(huán)氧樹脂層厚度最小。

根據(jù)等效電路法可得，疊層復合結(jié)構(gòu)的磁電傳感器在低頻和諧振時的磁電電壓系數(shù)分別可表示為式（1）、式（2）

式中 tp和n分別為材料厚度和磁致伸縮材相在磁電疊層復合材料中的厚度占比，d33，m和分別為磁致伸縮相的壓磁系數(shù)和彈性柔順系數(shù)，k31和d31，p分別為壓電相機電耦合系數(shù)和壓電系數(shù)分別為壓電材料介電常數(shù)和彈性柔順系數(shù)。

諧振頻率如式（3）所示

1.2 磁電特性的測試與分析

利用實驗室搭建的測試系統(tǒng)對磁電傳感器的磁電性能進行測試，該系統(tǒng)主要由正弦波信號發(fā)生器、示波器、永磁體和激勵線圈等組成。其中，永磁體NdFeB 為磁電傳感器提供直流偏置磁場。

首先測試了不同尺寸的磁電傳感器在不同直流偏置磁場下的磁電電壓系數(shù)，測試中固定交流磁場的大小為1Oe，測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同尺寸磁電傳感器的磁電電壓系數(shù)

由圖2測試結(jié)果表明，磁電電壓系數(shù)隨著傳感器長度（長寬比N）的增大而增大。當長度一定時，磁電電壓系數(shù)隨著偏置磁場的增大呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，在最佳偏置磁場處取得最大值。在長度為36 mm（N ＝3）時，磁電傳感器在3Oe 偏置磁場處測得最大的磁電電壓系數(shù)，為235.6 V／（cm·Oe）。

隨后選擇磁電性能最好的長度為36 mm（N ＝3）的磁電傳感器測試了其自偏置特性，測試結(jié)果如圖3所示。

圖3 零偏置狀態(tài)下傳感器的磁電性能

在零偏置磁場狀態(tài)下，磁電傳感器依舊具有優(yōu)異的磁電性能。在交變磁場頻率達到諧振頻率51.52 kHz時，電壓輸出為52.95 mV，磁電電壓系數(shù)達到17.65 V／（cm·Oe）。實驗表明磁電傳感器具備優(yōu)異的自偏置傳感特性。

1.3 電流檢測性能測試分析

根據(jù)畢奧—薩伐爾定律，通電導線周圍會產(chǎn)生一個環(huán)形磁場，磁電傳感器通過檢測磁場實現(xiàn)對導線中電流的測量。電流檢測系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

圖4 傳感器電流檢測測試系統(tǒng)原理框圖

信號發(fā)生器產(chǎn)生的交流電壓信號輸入到功率放大器的輸入端，功率放大器輸出端與1個5 Ω的陶瓷電阻和1根單芯導線串聯(lián)。使用示波器監(jiān)測陶瓷電阻兩端的電壓值，保證整個回路正常工作。通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器信號幅值和頻率控制單芯導線中電流的幅值和頻率。自偏置磁電傳感器感應載流電線周圍的磁場，由于磁電效應輸出電壓，輸出電壓大小可由鎖相放大器測量。其中，信號發(fā)生器型號為Tektronix AFG3021B，功率放大器型號為SR560，放大倍數(shù)為15.2，示波器型號為Tektronix TDS2012B，鎖相放大器型號為Signal Recovery 7280鎖相放大器。

由于磁電復合材料在諧振頻率附近的輸出要高于非諧振態(tài)的輸出，首先測量了零偏置磁場下磁電電流傳感器對諧振頻率附近51.52 kHz的交流電的感應能力。自偏置磁電傳感器的輸出電壓隨電流變化關(guān)系如圖5（a）所示。從圖可以看出，隨著電流I逐漸增加，輸出電壓Vout逐漸增加，線性度較好，可以響應0.1 A的小電流，電流傳感器的感應靈敏度為492.5 mV／A。

圖5 電流檢測結(jié)果

通電導線輸入不同幅值的50 Hz交變電流，在0～2 A范圍內(nèi)，測得輸出電壓數(shù)據(jù)曲線如圖5（b）所示。由圖可知，隨著電流I的增加，輸出電壓Vout近似線性增加。對測量數(shù)據(jù)采用最小二乘法擬合，得到的輸出電壓與電流理論擬合數(shù)據(jù)及曲線與測量值較好吻合，該柔性自偏置磁傳感器對交變磁場的靈敏度為33.07 mV／A。

2 磁電電流傳感器研制

2.1 磁電電流傳感器結(jié)構(gòu)設計

磁電電流傳感器包括磁電傳感元件和調(diào)理電路，調(diào)理電路對傳感元件感知信號進行了放大、過濾等信號處理。研制的磁電電流傳感器采用±12 V 電壓供電，量程為0～200 A，輸出為0～10 V。結(jié)合輸電線路電力電纜護層環(huán)流監(jiān)測應用場景，采用方形開合式結(jié)構(gòu)，便于安裝和固定在電纜接地箱銅排上，具備IP55 以上防護等級，滿足現(xiàn)場應用環(huán)境。

2.2 磁電電流傳感器性能測試

搭建實驗系統(tǒng)對研制的磁電電流傳感器檢測精度進行驗證，測試系統(tǒng)如圖6 所示。實驗中采用智能設備測試儀PM805A給傳感器加載測試電流，用智能設備測試儀RTS—100DG給傳感器加載直流干擾，利用示波器DS09404、萬用表FLUKE 17B對輸出進行測量。

圖6 磁電電流傳感器測試系統(tǒng)

首先在不添加直流分量狀態(tài)下，對50 Hz頻率下不同幅值電流進行了測試，1～50 A交流電流，測得結(jié)果如圖7（a）所示?？芍弘S著電流I 的增加，輸出電壓Vout近似線性增加，測量值與擬合曲線較好吻合。

圖7 傳感器性能測試結(jié)果

然后在施加1 A的直流干擾信號狀態(tài)下對50 Hz 頻率下的1～50 A幅值的交流I進行測試，結(jié)果如圖7（b）所示。結(jié)果表明：與不添加直流干擾情況對比，擬合直線截距稍微增加，直線斜率沒有變化。

隨后將直流干擾分量分別加到5，10 A 進行測試，將3次輸出結(jié)果與不加直流干擾的結(jié)果進行誤差分析，依據(jù)式（4）進行誤差計算，誤差均小于0.5%，滿足電流采集應用要求

式中 Vout.n（i）為直流分量為n 時，輸入電流為i 時的輸出電壓。

分別將傳感器放到－25 ℃和＋55 ℃的恒溫箱內(nèi)穩(wěn)定2 h，施加1～50 A交流電流信號，測試結(jié)果如表2所示。

表2 高低溫下電流測量結(jié)果

以常溫下Vout為基準根據(jù)式（4）計算的最大測量誤差為0.48%，能夠滿足電流采集應用需要。根據(jù)以上測試表明柔性自偏置磁電電流傳感器具有較好的線性度、檢測靈敏度、高低溫特性和抗干擾能力，具有良好的應用價值。

3 磁電電流傳感器應用

基于某110 kV電力電纜工程采用柔性自偏置磁電電流傳感器替換電磁式電流傳感器進行工程應用，其工程方案如圖8（a）所示。在電力電纜接地箱內(nèi)安裝柔性自偏置磁電電流傳感器，電流監(jiān)測單元就地采集護層電流，將采集的數(shù)據(jù)及就地評估結(jié)果通過無線4 G公網(wǎng)上送至位于檢修工區(qū)內(nèi)的監(jiān)測子站。

圖8 磁電電流傳感器工程應用

工程投運后，設備運行穩(wěn)定可靠，相對于電磁式電流互感器，柔性自偏置磁電電流傳感器具有響應速度快、無磁飽和、開合結(jié)構(gòu)無漏磁，結(jié)構(gòu)柔性化便于安裝應用等優(yōu)勢，同時避免了傳統(tǒng)互感器笨重、安裝困難及二次開路風險等問題。

4 結(jié)論

采用FeCuNbSiB／P（VDF-TrFE）磁電疊層復合材料提出了一種柔性自偏置磁電傳感器并進行了測試，試驗結(jié)果表明在零偏置狀態(tài)下具有優(yōu)異的磁電性能?；谌嵝宰云么烹妭鞲性兄屏舜烹婋娏鱾鞲衅?，進行測試并在電力電纜護層環(huán)流監(jiān)測上進行了試點應用，表明傳感器具有良好的線性度，檢測靈敏度較高。