抗直流影響的TMR電流傳感器的原理及其應(yīng)用

陸春光，任紅宇，宋磊，王學(xué)偉，袁郭竣

(1.國網(wǎng)浙江省電力有限公司營銷服務(wù)中心，杭州 310014； 2.北京化工大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京100020； 3.寧波泰豐源電氣有限公司，浙江 寧波 315336)

0 引 言

近年來，隨著國家電網(wǎng)提出建設(shè)具有中國特色和國際領(lǐng)先的能源互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的戰(zhàn)略目標(biāo)，交直流輸電工程、新型用電技術(shù)以及相關(guān)電力設(shè)備得到了較快發(fā)展，直流輸電功率占全電網(wǎng)的比重，以及交直流電網(wǎng)互聯(lián)的程度逐年增加。在負(fù)荷側(cè)，隨著電力電子技術(shù)的普及應(yīng)用，電力系統(tǒng)中接入的非線性負(fù)荷數(shù)量不斷增加，如：鋼鐵、石化、陶瓷、軌道交通等領(lǐng)域，導(dǎo)致負(fù)荷電流產(chǎn)生了一定的直流分量；在電源側(cè)，光伏新能源發(fā)電中大量使用可控硅和變頻設(shè)備同樣會(huì)產(chǎn)生一定的直流分量。電能表作為電能使用者和供應(yīng)者之間貿(mào)易結(jié)算的重要依據(jù)，能否實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的電能計(jì)量直接關(guān)系到供用電雙方的經(jīng)濟(jì)利益[1]；電流互感器作為檢測電網(wǎng)中發(fā)電、用電過程中的傳感設(shè)備，會(huì)直接影響電能表的電能計(jì)量誤差，而傳統(tǒng)的電流互感器基于電磁感應(yīng)定律，不能測量直流，且具有體積大、價(jià)格高、帶寬有限與耗費(fèi)金屬資源大等缺點(diǎn)。為了滿足負(fù)荷存在直流分量時(shí)能夠準(zhǔn)確計(jì)量電能的要求，大多數(shù)表計(jì)生產(chǎn)廠家采用雙抗直流電流互感器設(shè)計(jì)直接接入式三相電能表，在功率因素為1.0L時(shí)，該類電能表可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的電能計(jì)量，但在功率因數(shù)為0.5L時(shí)，計(jì)量誤差將會(huì)達(dá)到10%以上。

近年來，針對TMR電流傳感器，國內(nèi)外學(xué)者開展了深入的研究。文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了隧道磁電阻與惠斯通電橋結(jié)構(gòu)的電流傳感器；文獻(xiàn)[3]分析了磁通調(diào)制對隧道磁阻傳感器噪聲特性的影響；文獻(xiàn)[4]采用TMR電流傳感器測量μA 到 mA 級別的電流；文獻(xiàn)[5]應(yīng)用新型的隧道磁阻傳感器構(gòu)建了電能計(jì)量裝置，有效地改進(jìn)了分流器長時(shí)間大電流充電時(shí)發(fā)熱對電能計(jì)量帶來的影響；文獻(xiàn)[6-7]理論上分析了電流互感器在直流偏磁下的角差與比差，并給出了影響因素；文獻(xiàn)[8]將TMR傳感器陣列和 Newton-Cotes 數(shù)值求積算法相結(jié)合，提出了一種新的電流測量算法；文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)了一種基于雙軸TMR電磁傳感器用于裂紋檢測；文獻(xiàn)[10]闡述了3種TMR電流互感器設(shè)計(jì)，分析了傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)。目前，已發(fā)表的TMR傳感器文獻(xiàn)，很少給出TMR電流傳感器抗直流分量影響的誤差特性。

鑒于TMR電流傳感器在變電站、配電側(cè)電流監(jiān)測、電氣設(shè)備在線監(jiān)測以及電能計(jì)量領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景和抗直流分量的優(yōu)勢，文中設(shè)計(jì)了一種TMR抗直流電流傳感器，用于直接接入式三相電能表。該TMR抗直流電流傳感器與傳統(tǒng)雙鐵芯傳感器相比，不僅在負(fù)荷電流含有直流分量時(shí)能夠精準(zhǔn)計(jì)量，還能在負(fù)荷電流在0.5 A～60 A的測量范圍內(nèi)具有良好的線性度。通過在半波電流，功率因數(shù)為0.5L條件下的誤差測試試驗(yàn)與數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，驗(yàn)證了TMR抗直流電流傳感器用于三相直接式電能表具有優(yōu)異的計(jì)量性能。

1 傳統(tǒng)抗直流電流互感器電能表在直流分量下的超差原因分析與誤差試驗(yàn)

1.1 直流偏置磁通量對傳統(tǒng)電流互感器傳變特性的影響分析

電流互感器(CT)等效電路模型如圖1(a)所示，根據(jù)Jiles-Atherton理論模型，采用改進(jìn)的郎之萬函數(shù)表示電流互感器模型的勵(lì)磁特性曲線(B-H曲線)，如圖1(b)所示。Jiles-Atherton理論模型反映了電流互感器鐵芯中磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度之間的函數(shù)關(guān)系。

圖1 CT等效電路和勵(lì)磁特性曲線

當(dāng)直流分量存在于交流系統(tǒng)中時(shí)，CT的一次側(cè)電流可以表示：

(1)

式中Idc為直流分量；I1為一次側(cè)交流電路有效值。受電路中直流分量和CT鐵芯非線性特性的影響，CT二次側(cè)電流包含有基波分量和典型諧波分量：

(2)

式中m為諧波次數(shù)，βm為m次諧波的初相角。根據(jù)圖1(a)CT等效電路和式(2)可推導(dǎo)二次側(cè)勵(lì)磁電流諧波級數(shù)表達(dá)式為：

(3)

其中Km=N2/N1為m次諧波下二次繞組與一次繞組的比值。根據(jù)圖1(b)所示的勵(lì)磁特性曲線有[11]：

(4)

式中HS為最大磁場強(qiáng)度；BS為最大磁感應(yīng)強(qiáng)度；HC為矯頑磁場強(qiáng)度，且當(dāng)dB/dt>0時(shí)，δ=1，dB/dt<0時(shí)，δ=-1。

根據(jù)圖1(a)CT等效電路，二次電路總阻抗Zb=Z2+ZL，Zb的電感和電阻分別為Lb和Rb，根據(jù)歐姆定理和式(3)可以推導(dǎo)出勵(lì)磁磁感應(yīng)強(qiáng)度為[12]：

(5)

ie=Hl/N2=xB+yδ(1-zB2)

(6)

將式(5)代入式(6)中，當(dāng)B=Bdc時(shí)，展開麥克勞林級數(shù)并分別取其常數(shù)項(xiàng)和基波可得：

(7)

(8)

式中I21為CT二次側(cè)基波分量有效值，通過式(7)求解Bdc后將結(jié)果代入式(8)可求得角差為：

(9)

(10)

(11)

式中γ1為二次側(cè)的負(fù)載阻抗角；Bdc為直流偏磁磁感應(yīng)強(qiáng)度；S為鐵芯的橫截面積。在直流偏磁條件下，鐵芯內(nèi)直流磁通與直流分量為非線性關(guān)系，直流磁通隨著直流分量的增大而增大[13]。由式(9)～式(11)可以看出，隨著直流磁通增加，Bdc、X的值相應(yīng)會(huì)增大，將引起電流互感器角差和比差的變化，其中角差的值向正方向增大，比差的值向負(fù)方向增大，且電流互感器的角差和比差與直流分量為非線性關(guān)系。

1.2 直流偏置電流量對傳統(tǒng)電流互感器誤差特性影響的測試

眾所周知，半波整流負(fù)載用電時(shí)，負(fù)載電流會(huì)產(chǎn)生較大的直流分量，隨著半波電流的增大，波形中直流分量的幅值也隨之增大。直流分量幅值的增大會(huì)導(dǎo)致電能表內(nèi)置抗直流互感器的直流勵(lì)磁磁通增大，從而導(dǎo)致互感器比差與角差的增大。本節(jié)研究針對傳統(tǒng)的抗直流電流互感器，在半波負(fù)載電流與功率因數(shù)0.5L條件下，測試電能表內(nèi)置抗直流互感器的誤差，電流互感器的指標(biāo)為：一次電流Imax=100 A，誤差等級為0.1級。測試裝置為深圳星龍XL-3610T6微型電流互感器校驗(yàn)系統(tǒng)，互感器的誤差測試結(jié)果如表1所示。

表1 直流偏置量下傳統(tǒng)抗直流電流互感器誤差特性

測試結(jié)果表明：在負(fù)載點(diǎn)0.707Imax～1.0Imax的范圍內(nèi)，比差與角差均不滿足0.1級電流互感器的誤差等級指標(biāo)，證明了隨著表內(nèi)置互感器勵(lì)磁直流分量幅值的增大，引起互感器比差與角差的顯著超差；這是電能表計(jì)量超差的重要原因之一。

1.3 電流含有直流分量時(shí)采用傳統(tǒng)抗直流電流互感器的電能表誤差試驗(yàn)

為了進(jìn)一步分析負(fù)載電流的直流分量對電能表誤差的影響，選取采用傳統(tǒng)抗直流電流互感器的電能表，技術(shù)指標(biāo)為：電壓3×220/380 V，電流3×5(60)A，有功準(zhǔn)確度1級。根據(jù)國網(wǎng)新一代智能電能表技術(shù)規(guī)范的的規(guī)定，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(yàn)，在功率因數(shù)0.5L的情況下，電能表的誤差要小于3%；設(shè)定測試條件：功率因數(shù)0.5L，電流測試點(diǎn)在0.1Ib～1.0Imax的范圍內(nèi)。測試裝置采用0.05級三相電能表檢定裝置，上述測試條件下，電能表的誤差測試結(jié)果如表2所示。

表2 直流偏置量下傳統(tǒng)抗直流電流互感器的電能表計(jì)量誤差

測試結(jié)果表明：采用傳統(tǒng)抗直流電流互感器電能表，在直流和偶次諧波，功率因數(shù)為0.5L的測試條件下，誤差值達(dá)到國網(wǎng)新一代智能電能表技術(shù)要求的6倍以上。其誤差超差的主要原因是在直流偏磁條件下，鐵芯內(nèi)的直流磁通隨直流分量增大而增大，從而引起互感器比差與角差的增大。由于互感器電流信號的采樣失真，導(dǎo)致電能表誤差的顯著超差。

2 隧道磁電阻效應(yīng)傳感器的工作原理與抗直流分量影響的試驗(yàn)

2.1 TMR電流傳感器的機(jī)理與橋式傳感電路

隧道磁電阻(TMR：Tunnel Magneto Resistance)是近些年開始工業(yè)應(yīng)用的新型磁電阻效應(yīng)傳感器，利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應(yīng)對磁場進(jìn)行感應(yīng)，較其他磁敏元件具有更大的電阻變化率[14]。通常也用磁隧道結(jié)(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)來代指TMR元件，與傳統(tǒng)的霍爾元件相比，TMR元件具有溫度更穩(wěn)定，靈敏度更高，功耗更低的特點(diǎn)[15]，同時(shí)線性度更佳，工作范圍更大，磁滯更小，性能更穩(wěn)定。

如圖2所示，MTJ磁電阻由三層結(jié)構(gòu)組成，分別為釘扎層(Pinning Layer)、隧道勢壘層(Tunnel Barrier)以及自由層(Free Layer)[16]。其中釘扎層由鐵磁層(被釘扎層，Pinned Layer)和反鐵磁層(AFM Layer)構(gòu)成，被釘扎層和反鐵磁層之間的交換耦合作用決定了鐵磁層的磁矩方向；其中隧道勢壘層一般由MgO或Al2O3構(gòu)成且位于被釘扎層上方，被釘扎層則位于反鐵磁層的上部。圖中箭頭方向分別表示自由層和被釘扎層的磁矩方向。

圖2 隧道磁電阻結(jié)構(gòu)圖

一般而言，自由層磁化方向與系統(tǒng)的最小能量有關(guān)，其影響因素主要包括：被測磁場、偏置磁場以及退磁磁場等，如圖3所示，被釘扎層磁矩Hd在一定大小磁場的作用下是相對固定的，自由層磁矩M與被釘扎層磁矩Hd是存在一定角度且可旋轉(zhuǎn)的[17]，同時(shí)隨著外部磁場的變化，磁矩間角度也隨之變化。

圖3 隧道磁電阻阻值與磁場關(guān)系圖

當(dāng)存在被測磁場Ha時(shí)，自由層磁矩M穩(wěn)定在某一角度θ，則自由層磁矩M與被釘扎層磁矩Hd存在磁矩夾角φ=90°-θ，則TMR元件電阻R滿足：

(12)

式中C1和C2為TMR元件薄膜參數(shù)。

由式(12)和圖3可知，被測磁場磁矩方向固定時(shí)，當(dāng)自由層磁矩M與被釘扎層磁矩Hd方向相同φ=0°時(shí)，磁電阻呈現(xiàn)低阻態(tài)RL；當(dāng)自由層磁矩M與被釘扎層磁矩Hd方向相反φ=180°時(shí)，磁電阻呈現(xiàn)高阻態(tài)RH；當(dāng)自由層磁矩M與被釘扎層磁矩Hd垂直φ=90°附近時(shí)，磁電阻處于低阻態(tài)和高阻態(tài)之間的區(qū)域，該區(qū)域是TMR傳感器的近似線性區(qū)域[18]。

采用兩個(gè)MTJ1電阻和兩個(gè)MTJ2電阻構(gòu)成TMR電流傳感器全橋電路，如圖4所示。

圖4 TMR電流傳感器隧道磁電阻橋式電路

推導(dǎo)輸出電壓與隧道磁電阻變化量之間的關(guān)系如下：

根據(jù)TMR電流傳感器的機(jī)理和式(12)可知，隨著磁場增加，在MTJ自身偏置作用下，自由層磁矩與被釘扎層磁矩的夾角φ會(huì)隨之變化，當(dāng)夾角φ=0°時(shí)，MTJ電阻達(dá)到最小值；當(dāng)夾角φ=180°時(shí)，MTJ電阻達(dá)到最大值；MTJ電阻隨著兩個(gè)磁矩夾角的變化呈單調(diào)變化的關(guān)系[19]。因此，假設(shè)隧道磁電阻變化量為ΔR，則圖4中電阻可以表示為：

(13)

(14)

2.2 TMR抗直流電流傳感器的工作原理

TMR抗直流電流傳感器結(jié)構(gòu)受霍爾電流傳感器結(jié)構(gòu)啟發(fā)，圖5為霍爾電流傳感器原理圖，當(dāng)被測電流Ip通過磁芯時(shí)，則在霍爾元件的法線方向會(huì)產(chǎn)生磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場，在霍爾元件通入控制電流Ic的情況下，根據(jù)霍爾效應(yīng)，則會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的輸出電壓VH，具體表示如下：

圖5 霍爾電流傳感器基本原理圖

VH=KHIcB

(15)

式中VH為輸出電壓；KH為霍爾芯片的靈敏度系數(shù)；Ic為霍爾元件的控制電流；B為磁芯開口處的磁感應(yīng)強(qiáng)度。

根據(jù)上述原理開發(fā)的TMR抗直流電流傳感器閉環(huán)反饋原理圖如圖6所示。待測原邊電流Ip周圍產(chǎn)生磁場，磁場經(jīng)鐵芯匯聚后作用于置于鐵芯開口處的TMR元件，TMR元件檢測鐵芯開口處磁場后經(jīng)B/V轉(zhuǎn)換輸出電壓信號為VH，電壓信號VH經(jīng)調(diào)理芯片放大處理后驅(qū)動(dòng)后端三極管輸出副邊電流Is，副邊電流Is流經(jīng)繞制在鐵芯上的線圈輸出到地(0 V)。

圖6 TMR抗直流電流傳感器閉環(huán)反饋原理圖

TMR閉環(huán)電流傳感器具有自反饋補(bǔ)償功能，其工作在一個(gè)動(dòng)態(tài)糾偏的過程中，當(dāng)待測原邊電流發(fā)生變化時(shí)，TMR芯片會(huì)產(chǎn)生輸出電壓VH，經(jīng)放大器放大后產(chǎn)生相應(yīng)的副邊線圈電流Is，受Is影響，鐵芯會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs，且與待測原邊電流Ip在鐵芯中產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度Bp方向相反，實(shí)現(xiàn)磁場的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，從而使TMR處于近乎零磁通狀態(tài)，TMR動(dòng)態(tài)檢測原副邊電流在鐵芯開口處的等效磁感應(yīng)強(qiáng)度的差值為ΔB=BS-BP，根據(jù)霍爾效應(yīng)，當(dāng)TMR元件中通過控制電流Ic時(shí)，根據(jù)式(15)可得TMR輸出電壓VH=KHIcΔB。

Ns和Np分別為副邊線圈匝數(shù)和原邊線圈匝數(shù)，且KN=Ns/Np，根據(jù)磁鏈?zhǔn)睾阍?，副邊電流Is和待測原邊電流Ip可表示為：Is×Ns=Ip×Np。電流傳感器在電-磁-電的動(dòng)態(tài)變化過程中實(shí)現(xiàn)對待測信號的實(shí)時(shí)性和跟隨性測量，根據(jù)鏈?zhǔn)绞睾阍硗茖?dǎo)Ip=Is×KN=Is×(Ns/Np)，因此可通過監(jiān)測副邊電流Is的幅值、頻率、相位等信息等效換算出待測原邊電流的相關(guān)特性。

2.3 TMR抗直流電流傳感器在直流分量下的誤差試驗(yàn)

本研究在半波負(fù)載電流與功率因數(shù)0.5L條件，測試了TMR抗直流電流傳感器在半波電流下的誤差特性，用深圳星龍微型電流互感器校驗(yàn)系統(tǒng)對其進(jìn)行誤差測試，測試點(diǎn)與采用傳統(tǒng)抗直流電流互感器的測試點(diǎn)相同，測試結(jié)果如表3所示。

表3 TMR抗直流電流傳感器在半波電流下的誤差特性

測試結(jié)果表明：在負(fù)載點(diǎn)0.707Imax～1.0Imax的范圍內(nèi)，采用TMR抗直流電流傳感器，隨著半波電流以及波形中直流分量幅值的增大。比差和角差均保持較低的誤差，擁有較好的測量性能，比較適合用于三相直接式電能表的電流采樣。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證TMR抗直流電流傳感器的性能，將TMR抗直流電流傳感器應(yīng)用于三相直接接入式電能表，電能表的規(guī)格型號及準(zhǔn)確度等級與采用傳統(tǒng)抗直流電流互感器的電能表相同，用相同的三相電能表檢定裝置進(jìn)行誤差測試，測試結(jié)果如表4所示。

表4 基于TMR抗直流電流傳感器的電能表計(jì)量誤差

測試結(jié)果表明：基于TMR抗直流電流傳感器的三相直接接入式電能表，在直流和偶次諧波，功率因數(shù)為0.5L的測試條件下，電能表的誤差數(shù)據(jù)均能夠很好地滿足國網(wǎng)新一代智能電能表的技術(shù)要求。

3 結(jié)束語

文中分析了傳統(tǒng)互感器的傳變特性與直流偏置量之間的關(guān)系，推導(dǎo)了影響互感器角差和比差的公式；針對傳統(tǒng)抗直流電流互感器，在半波電流與功率因數(shù)為0.5L條件下測試其比差和角差，分析了超差的原因；同時(shí)，在直流和偶次諧波，功率因數(shù)為0.5L的測試條件下，測試了采用傳統(tǒng)抗直流電流互感器的三相直接接入式電能表的計(jì)量誤差，誤差值達(dá)到國網(wǎng)新一代智能電能表技術(shù)要求的6倍以上。設(shè)計(jì)了一種TMR抗直流電流傳感器，分析了該TMR傳感器的閉環(huán)反饋工作原理，在半波電流與功率因數(shù)為0.5L條件下測試了該傳感器的誤差特性，其最大比差為-0.232%、最大角差為+4.92′，分別為傳統(tǒng)抗直流電流傳感器的4%和0.62%。最后將TMR抗直流電流傳感器應(yīng)用于三相直接接入式電能表，在直流和偶次諧波，功率因數(shù)為0.5L條件下測試了該電能表的誤差數(shù)據(jù)，測試結(jié)果表明： TMR抗直流電流傳感器用于三相直接接入式電能表，其電能計(jì)量誤差為-1.77%，為采用傳統(tǒng)抗直流電流互感器的三相直接接入式電能表計(jì)量誤差的9.4%，滿足國網(wǎng)對新一代智能電能表的技術(shù)要求。