非侵入式雙芯線電流傳感器的研制

張俊　彭偉　涂景懷　程杰　楊鵬　吳瀚　趙雪琳

摘要：采用需求響應電力監(jiān)控系統(tǒng)管理終端用電量，可提高智能電網(wǎng)運行效率。電流傳感器是監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵組成之一，但傳統(tǒng)的單芯線電流傳感器不適用于終端設備雙芯線電流的非侵入式檢測。該文提出一種非侵入式雙芯線電流傳感器，采用環(huán)電線的開氣隙磁芯控制電流產(chǎn)生的磁場分布，通過4個磁阻傳感器分別測量4處氣隙磁場，共同求解雙芯線電流以及雙芯線繞中軸旋轉角度。使用時傳感器扣合在被監(jiān)測雙芯線外包層，無需任何對準過程，可實現(xiàn)任意輪廓雙芯線電流的非侵入式檢測。實驗表明：該傳感器在0-20 A量程內(nèi)的非線性度為±1.5%，電流測量誤差不超過±1.8%。

關鍵詞：非侵入式電流傳感器；雙芯線；開氣隙磁芯；磁阻傳感器

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2018）05-0071-06

0引言

采用需求響應電力監(jiān)控系統(tǒng)管理終端用電量，可提高智能電網(wǎng)運行效率，電線電流傳感器是監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵組成之一。測量電流產(chǎn)生的磁場是電流檢測的常用手段，然而家用或商用終端設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、無磁芯霍爾傳感器陣列、法拉第磁光效應電流傳感器等，均不適用于雙芯線電流的非侵入式檢測。由于雙芯線磁場分布不均勻，Leland等設計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法感應，因此傳感器需要復雜的對準過程，測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。

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

1傳感器結構

非侵入式雙芯線電流傳感器由開氣隙磁芯和磁芯氣隙中的4個磁阻傳感器組成，結構如圖1所示。磁芯與磁阻傳感器繞磁芯通孔中軸旋轉90°對稱，限位圓筒使雙芯線與磁芯通孔盡量同軸。當雙芯線與磁芯通孔同軸時，相互垂直氣隙中的磁場分別與雙芯線繞中軸旋轉角度的正弦值及余弦值相關，可共同求解雙芯線電流及雙芯線繞中軸旋轉角度：當雙芯線中軸偏離磁芯通孔中軸時，相互對稱氣隙中的磁場以幾乎相反的趨勢變化，可近似求解雙芯線與磁芯通孔同軸時的氣隙磁場。

2傳感原理

傳感器以雙芯線與磁芯通孔同軸時的氣隙磁場作為被測量，采用對稱的磁芯結構消除雙芯線中軸位置偏移引起的測量誤差，通過磁阻傳感器的4路輸出信號共同求解雙芯線電流以及雙芯線繞中軸旋轉角度。

2.1雙芯線與磁芯通孔同軸時的氣隙磁場

磁芯與電線雙芯的尺寸如圖2（a）所示，坐標原點位于通孔中心，雙芯線中心坐標為（△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軸的上側與下側分別為氣隙1與氣隙3，Y軸的右側與左側分別為氣隙2與氣隙4，將磁芯磁場按其經(jīng)過的氣隙進行分解，路徑如圖2（b）所示。

設雙芯線與磁芯通孔同軸，（△x，△y）=（0，0）時，氣隙n中心位置的磁感應強度幅值為B_sn。根據(jù)磁芯旋轉90°對稱性，有B_s1=B_s3、B_s2=B_s4。

首先分析B_s1，假設電荷在銅芯截面均勻分布，將銅芯截面視為半徑無窮小的點。由于磁芯繞通孔中軸旋轉90°對稱，因此氣隙1與氣隙2的磁場分量在通孔中的方向相互垂直，求解B_s1時可將銅芯截面投影到Y軸上，使磁場沿X軸對稱。設氣隙磁場均勻分布，通孔中Y軸上的磁感應強度幅值為B_y（y），忽略氣隙漏磁，有：

取Y正半軸上y₀點的微元dy₀，對經(jīng)過dy₀且截面寬度趨于零的磁路進行分析，由于磁場總是傾向于從磁阻最小的路徑通過，因此假設該磁路在通孔和氣隙1中的路徑是經(jīng)過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中的長度L_y（y₀）約為

假設該磁路在通孔和氣隙1中的平均磁感應強度為B_y（y₀），磁芯相對磁導率μ_r>1，根據(jù)磁路定理可知：

上式說明測量B_s1（或者B_s3）與B_s2（或者B_s4）可實現(xiàn)電流檢測，因此傳感器以B_sn作為氣隙磁場被測量。但實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的氣隙磁場。

2.2雙芯線中軸位置偏移時的氣隙磁場

設雙芯線與磁芯通孔不同軸，即（△x，△y）≠（0，0）時，氣隙n中心位置的磁感應強度幅值為B_n。B_n由磁阻傳感器測得，是B_sn的測量值。由于磁芯具有旋轉90°對稱性，下面以B₁、B₃為例進行分析。

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

將式（13）、式（14）計算出的B₁₃、B₂₄測量值代入式（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構的任意電流傳感器。由于實際的氣隙磁場分布不均勻，為了避免磁阻傳感器安裝位置偏移帶來的測量誤差，需要為每一個電流傳感器單獨標定β₁₃與β₂₄。

4實驗與討論

實驗選取江蘇多維科技有限公司生產(chǎn)的隧道磁阻傳感器TMR501，其磁場感應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。為進一步確定磁阻傳感器靈敏度，將0.1 mT精度的高斯計與磁阻傳感器共同放置于水磁體產(chǎn)生的均勻磁場中，標定出磁阻傳感器在±10 mT量程內(nèi)的靈敏度結果如表1所示。傳感器磁芯采用相對磁導率μ_r=5 000的鐵基非晶材料，設磁芯沿電流方向的長度為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電壓信號經(jīng)差分放大電路200倍放大后，輸入示波器進行測量。

擬合實驗中傳感器角度固定、雙芯線繞中軸旋轉，電流有效值/1=19.8 A。將雙芯線按同一方向旋轉360°，每隔2°記錄一次U_n，共得到180組B₁₃、B₂₄測量值，其中每4組測量值對直于同一個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測量值，結果如圖9所示。

擬合實驗中任意θ下B₁₃或B₂₄的4個測量值相對于圖9中平均測量值的偏差在±0.3%以內(nèi)。以圖中的平均測量值作為曰。真值，得到△B_sn/B_sn變化范圍見表2，B₁₃、B₂₄的測量誤差相比B_sn降低了一個數(shù)量級。

B₁₃、B₂₄的測量值擬合曲線如圖9所示，實驗測得β₁₃=1.124 mT，盧24=1.161 mT，正弦擬合系數(shù)為

為評估傳感器的測量誤差，分別在10個不同θ（θ=0°，10°，20°，30°，40°，50°，60°，70°，80°，90°）條件下測量0～20A范圍內(nèi)的電流，由于磁芯繞通孔中軸旋轉90°對稱，因此僅在圖2（a）所示的一個象限內(nèi)進行測試。實驗測得200B組B₁₃²、B₂₄²測量值，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的測量值代入式（16）求解I_p，得到傳感器測量誤差如圖11所示。傳感器在0～20A量程內(nèi)的測量誤差不超過±1.8%，滿量程非線性度為±1.5%。

5結束語

非侵入式雙芯線電流傳感器采用環(huán)電線的開氣隙磁芯控制磁場分布，通過磁阻傳感器測量4處氣隙磁場，共同求解雙芯線電流以及雙芯線繞軸旋轉角度，同時顯著減小雙芯線與磁芯通孔不同軸引起的測量誤差。使用時傳感器扣合在雙芯線外包層，無需對準或固定傳感器位置，即可實現(xiàn)任意輪廓雙芯線電流的非侵入式檢測。實驗表明該傳感器在0～20A量程內(nèi)的非線性度為±1.5%，測量誤差不超過±1.8%。傳感器體積小巧、安裝方便，可監(jiān)測每一個終端設備的用電量，為智能電網(wǎng)需求側管理提供有效的技術支撐。

（編輯：徐柳）