基于隧道磁阻效應的電流傳感器設計

陳玲君，徐少華

（紹興職業技術學院，浙江 紹興 312000）

0 引 言

近年來，隨著新的發電方式和儲能方式的推廣使用，如新能源大量使用可控硅、整流和變頻設備等，交流電網的直流分量呈上升趨勢。在直流分量作用下，電磁式電流互感器的主磁通為直流磁通與交流磁通的疊加，直流分量全部用來勵磁。由于鐵芯勵磁特性的非線性，直流分量的增加，使得勵磁電流呈現正負半周不對稱的形狀，產生大量諧波。這些都將直接影響電力系統中采用電磁感應原理工作的設備。一旦發生測量失誤，將導致電力部門或用電部門虧損。

隨著隧道磁阻傳感器的快速發展，國內外學者對基于隧道磁阻效應的電子式電流傳感器開展了深入研究。天津大學陳曉芳[1]研究了隧穿磁阻（Tunneling Magnetoresistance，TMR）電流傳感器復雜電磁環境抗干擾技術，重慶理工大學馬紹波[2]研究設計了基于隧穿磁阻效應電流傳感器的絕緣子泄漏電流檢測系統，南京理工大學史輪[3]仿真分析了閉環隧道磁電阻電流傳感器在直流電源配電網中的適用性，天津大學劉卿[4]研究了隧穿磁阻電流傳感器失調與噪聲消除技術，電子科技大學陳亞鋒[5]研究了基于TMR傳感器的大電流測量技術，東南大學單婷婷[6]研究了基于機器學習及隧穿磁阻傳感器測量技術的空間電荷分布，蘭州大學芮勝駿[7]研究了基于TMR的開環數字式電流傳感器的動態范圍和精度。由上述分析可見，盡管眾多學者已經在隧道磁阻效應的電子式電流傳感器上面做了許多嘗試，但幾乎沒有具體給出抗直流分量和偶次諧波影響的誤差特性。

本文設計的隧道磁阻效應電流傳感器，使用TMR磁場傳感器放置于圓形鐵芯的一個缺口處，用來測量鐵芯內的磁通量，并通過運算放大器將補償線圈的一端電壓改變，從而測量另一端測量電阻上的輸出電壓，通過改變端點電壓的方式抵消感應磁場產生的感應電壓，從而可大大提高測量的靈敏度，能有效實現直流和偶次諧波在功率因數0.5 L下誤差影響量不超過1.0%（功率因素0.5 L表示負載呈感性功率因素為0.5）。

1 電磁式電流互感器在直流分量下的超差分析

在直流分量作用下，電磁式電流互感器的主磁通為直流磁通與交流磁通的疊加，直流分量全部用來勵磁。由于鐵芯勵磁特性的非線性，直流分量的增加，使得勵磁電流呈現正負半周不對稱的形狀，產生大量諧波。傳統的電流互感器的傳變特性變差，最終使鐵芯飽和，導致誤差增大，使電能計量的準確性受到影響。對正弦半波波形進行分析，直流含量為基波含量的60%以上，是最為嚴重的直流偏磁狀態[8]。

參照國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，IEC）制定的IEC 62053-21標準，國內提出了《電測量設備（交流） 特殊要求 第21部分：靜止式有功電能表 (A級、B級、C級、D級和E級)》（GB/T 17215.321—2021）標準，三相直接式電能表在直流和偶次諧波條件下的影響量試驗，在功率因素0.5L的情況下，電能表誤差要小于3%[9]。

為確保交直流分量下電流互感器的誤差測量性能，現有的電磁感應式抗直流分量電流互感器一般采用雙鐵芯或特殊材料單鐵芯作為鐵芯材料。功率因數1.0時，測量誤差不高于3%，滿足標準要求。其波形如圖1所示。

圖1 功率因數1.0時的波形

功率因數0.5L時，由于鐵芯勵磁的非線性，再受功率因數影響，角差測量存在偏差，測量誤差在+10%以上，不能滿足標準要求。如采用軟件補償，無法精準捕捉測量點角差，精準補償有難度[10]。

2 隧道磁阻效應電流傳感器的原理和方法

2.1 結構設計

隧道磁阻效應電流傳感器結構受霍爾電流傳感器的啟發，運用隧道磁阻（TMR）技術利用磁性多層膜材料磁電阻效應[11]，以感應磁場強度來準確測量電流、位置、方向等物理參數，主要分為開環式和閉環式兩種。采用閉環式，如圖2所示，隧道磁阻效應電流傳感器主要包括TMR磁場傳感器、磁芯、補償線圈、運算放大器及測量電阻等。補償線圈圍繞在磁芯上，磁芯旋轉在電線周圍且保持同心并具有一個缺口，TMR磁場傳感器位于鐵芯缺口中心位置且保持水平，用于檢測從鐵芯處產生的磁場，如圖3所示，單個TMR磁場傳感器由4個TMR按電橋方式連接并輸出相對應的電壓信號。當電流穩定時，鐵芯內磁通量穩定，上下兩側TMR線性磁場傳感器輸出電壓幅值相等；當電流增大時，鐵芯內磁通量增大，上側TMR線性磁場傳感器輸出電壓大于下側；當電流減小時，鐵芯內磁通量減小，上側TMR線性磁場傳感器輸出電壓小于下側。因此，可以通過檢測兩側TMR傳感器的壓差實現電流測量[12]。

圖2 電子式電流傳感器結構原理圖

圖3 TMR磁場傳感器全橋結構

2.2 電子式電流傳感器原理

電子式電流傳感器的電學模型如圖4所示。

圖4 電磁互感原理圖

當電線中存在電流時，補償線圈中存在的磁感應強度[8]為

式中：B為磁感應強度，μ0為鐵芯的磁導率。通過線圈的磁通量為

式中：S為補償線圈截面積。可得到線圈輸出的電壓為

式中：kB為靈敏度系數，N為線圈的匝數。

TMR線性磁場傳感器當外加敏感方向磁場強度-8～8 mT時，TMR線性磁場傳感器輸出電壓與磁場強度成正比，靈敏度可達kB=31 mV/（V·mT）。

由于電線中存在著不穩定電流，將使補償線圈內存在感應電勢、內阻、電容，通過如圖5所示的電學模型對感應電流進行分析，可得測量電阻電壓為[13]：

圖5 等效電路

對式（6）消去i′(t)后，進行拉氏變換并化簡，得到：

從式（6）、式（7）、式（8）和式（9）可以看到，為了達到精確靈敏度，必須使得傳遞函數的幅值較小[14]。

3 試驗測試與分析

為進一步獲得直流和偶次諧波電流激勵下測量數值與各相關要素之間的關系，搭建如圖6所示的測試原理圖，測試三相電能表校驗檢測。根據以上測試原理進行實物測試，試驗樣機及測試系統如圖7、圖8所示。試驗樣機由5只樣表組成，分別是雙磁芯抗直流分量互感器采樣（以下簡稱電磁感應式電流互感器）的三相表、隧道磁阻效應電流傳感器采樣（以下簡稱電子式電流傳感器）的三相表和三只錳銅采樣的單相表（A相、B相、C相）。主要試驗儀器包括三相電能表校驗測試儀（輸出交流電壓為220 V，最大電流20 A）及MSO6014A型混合型號示波器等。三只單相表都采用錳銅分流器進行電流采樣，在半波試驗中不會受到直流和偶次諧波的影響，所以雙磁芯抗直流分量互感器和電子式電流傳感器分別采樣的三相表，通過跟三只單相表的用電量總和比較就可以算出在半波試驗中的誤差。

圖6 測試原理圖

圖7 電流傳感器實物圖

圖8 試驗樣機及測試系統

表1 電表初始誤差

在測試電壓3×220 V，電流20 A，功率因數0.5L的半波測試條件下，測試5小時，結果如表2所示。可以看出，常用的雙磁芯抗直流分量互感器采樣三相表所采集的用電量為21.39 kWh，遠遠大于單相表A、單相表B、單相表C的用電量之和17.56 kWh，超出實際多計量21.8%；電子式電流傳感器采樣的三相表用電量為17.57 kWh，基本與三只單相表的用電總和相等，超出實際多計量0.057%。

表2 直流（半波）測試條件一的測試結果

在測試電壓3×220 V，電流20 A，功率因數1.0的半波測試條件下，測試9小時，結果如表3所示。可以看出，常用的雙磁芯抗直流分量互感器采樣三相表所采集的用電量為55.51 kWh，遠遠小于單相表A、單相表B、單相表C的用電量之和56.02 kWh，超出實際少計量0.9%；電子式電流傳感器采樣的三相表用電量為56.01 kWh，基本與三只單相表的用電總和相等，超出實際少計量0.018%。

表3 直流（半波）測試條件二的測試結果

在測試電壓3×220 V，電流20 A，功率因數0.8C的半波測試條件下，測試8小時，結果如表4所示。可以看出，常用的雙磁芯抗直流分量互感器采樣三相表所采集的用電量為42.29 kWh，遠遠小于單相表A、單相表B、單相表C的用電量之和45.71 kWh，超出實際少計量7.5%；電子式電流傳感器采樣的三相表用電量為45.72 kWh，基本與三只單相表的用電總和相等，超出實際少計量0.022%。

表4 直流（半波）測試條件三的測試結果

試驗結果表明，用電子式電流傳感器采樣的電表用電量基本與錳銅采樣的電表用電量接近，誤差基本為零；而用電磁感應式電流互感器采樣的電表在不同功率因數下計量都不準確，其在測試電壓3×220 V，電流20 A下的誤差如表5所示。

表5 電磁感應式電流互感器電表誤差測試結果

4 結 語

在直流（半波）條件下測試，基于隧道磁阻效應的電流傳感器采樣的電表用電量基本與錳銅采樣的電表用電量接近，誤差基本為零，而電磁式電流互感器采樣的電表在不同功率因數下計量都不準確。因此，電子式電流傳感器能有效實現在直流和偶次諧波影響下的高精度電流采樣，直接替換微型電磁式電流互感器。由此，基于隧道磁阻效應的電流傳感器能夠廣泛應用于智能電網、新能源和廣播電視設備領域的電流測量。