抗直流影響的TMR電流傳感器的原理及其應用

陸春光，任紅宇，宋磊，王學偉，袁郭竣

(1.國網浙江省電力有限公司營銷服務中心，杭州 310014； 2.北京化工大學 信息科學與技術學院，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，隨著國家電網提出建設具有中國特色和國際領先的能源互聯網企業的戰略目標，交直流輸電工程、新型用電技術以及相關電力設備得到了較快發展，直流輸電功率占全電網的比重，以及交直流電網互聯的程度逐年增加。在負荷側，隨著電力電子技術的普及應用，電力系統中接入的非線性負荷數量不斷增加，如：鋼鐵、石化、陶瓷、軌道交通等領域，導致負荷電流產生了一定的直流分量；在電源側，光伏新能源發電中大量使用可控硅和變頻設備同樣會產生一定的直流分量。電能表作為電能使用者和供應者之間貿易結算的重要依據，能否實現精準的電能計量直接關系到供用電雙方的經濟利益[1]；電流互感器作為檢測電網中發電、用電過程中的傳感設備，會直接影響電能表的電能計量誤差，而傳統的電流互感器基于電磁感應定律，不能測量直流，且具有體積大、價格高、帶寬有限與耗費金屬資源大等缺點。為了滿足負荷存在直流分量時能夠準確計量電能的要求，大多數表計生產廠家采用雙抗直流電流互感器設計直接接入式三相電能表，在功率因素為1.0L時，該類電能表可以實現準確的電能計量，但在功率因數為0.5L時，計量誤差將會達到10%以上。

近年來，針對TMR電流傳感器，國內外學者開展了深入的研究。文獻[2]設計了隧道磁電阻與惠斯通電橋結構的電流傳感器；文獻[3]分析了磁通調制對隧道磁阻傳感器噪聲特性的影響；文獻[4]采用TMR電流傳感器測量μA 到 mA 級別的電流；文獻[5]應用新型的隧道磁阻傳感器構建了電能計量裝置，有效地改進了分流器長時間大電流充電時發熱對電能計量帶來的影響；文獻[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[8]將TMR傳感器陣列和 Newton-Cotes 數值求積算法相結合，提出了一種新的電流測量算法；文獻[9]設計了一種基于雙軸TMR電磁傳感器用于裂紋檢測；文獻[10]闡述了3種TMR電流互感器設計，分析了傳感器的優缺點。目前，已發表的TMR傳感器文獻，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、配電側電流監測、電氣設備在線監測以及電能計量領域中有著廣闊的應用前景和抗直流分量的優勢，文中設計了一種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雙鐵芯傳感器相比，不僅在負荷電流含有直流分量時能夠精準計量，還能在負荷電流在0.5 A～60 A的測量范圍內具有良好的線性度。通過在半波電流，功率因數為0.5L條件下的誤差測試試驗與數據進行比對，驗證了TMR抗直流電流傳感器用于三相直接式電能表具有優異的計量性能。

1 傳統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

1.1 直流偏置磁通量對傳統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Jiles-Atherton理論模型，采用改進的郎之萬函數表示電流互感器模型的勵磁特性曲線(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強度和磁場強度之間的函數關系。

圖1 CT等效電路和勵磁特性曲線

當直流分量存在于交流系統中時，CT的一次側電流可以表示：

(1)

式中Idc為直流分量；I1為一次側交流電路有效值。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，βm為m次諧波的初相角。根據圖1(a)CT等效電路和式(2)可推導二次側勵磁電流諧波級數表達式為：

(3)

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

(4)

式中HS為最大磁場強度；BS為最大磁感應強度；HC為矯頑磁場強度，且當dB/dt>0時，δ=1，dB/dt<0時，δ=-1。

根據圖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，根據歐姆定理和式(3)可以推導出勵磁磁感應強度為[12]：

(5)

ie=Hl/N2=xB+yδ(1-zB2)

(6)

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

(7)

(8)

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

(9)

(10)

(11)

式中γ1為二次側的負載阻抗角；Bdc為直流偏磁磁感應強度；S為鐵芯的橫截面積。在直流偏磁條件下，鐵芯內直流磁通與直流分量為非線性關系，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的值相應會增大，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系。

1.2 直流偏置電流量對傳統電流互感器誤差特性影響的測試

眾所周知，半波整流負載用電時，負載電流會產生較大的直流分量，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導致電能表內置抗直流互感器的直流勵磁磁通增大，從而導致互感器比差與角差的增大。本節研究針對傳統的抗直流電流互感器，在半波負載電流與功率因數0.5L條件下，測試電能表內置抗直流互感器的誤差，電流互感器的指標為：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系統，互感器的誤差測試結果如表1所示。

表1 直流偏置量下傳統抗直流電流互感器誤差特性

測試結果表明：在負載點0.707Imax～1.0Imax的范圍內，比差與角差均不滿足0.1級電流互感器的誤差等級指標，證明了隨著表內置互感器勵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；這是電能表計量超差的重要原因之一。

1.3 電流含有直流分量時采用傳統抗直流電流互感器的電能表誤差試驗

為了進一步分析負載電流的直流分量對電能表誤差的影響，選取采用傳統抗直流電流互感器的電能表，技術指標為：電壓3×220/380 V，電流3×5(60)A，有功準確度1級。根據國網新一代智能電能表技術規范的的規定，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，在功率因數0.5L的情況下，電能表的誤差要小于3%；設定測試條件：功率因數0.5L，電流測試點在0.1Ib～1.0Imax的范圍內。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果如表2所示。

表2 直流偏置量下傳統抗直流電流互感器的電能表計量誤差

測試結果表明：采用傳統抗直流電流互感器電能表，在直流和偶次諧波，功率因數為0.5L的測試條件下，誤差值達到國網新一代智能電能表技術要求的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，導致電能表誤差的顯著超差。

2 隧道磁電阻效應傳感器的工作原理與抗直流分量影響的試驗

2.1 TMR電流傳感器的機理與橋式傳感電路

隧道磁電阻(TMR：Tunnel Magneto Resistance)是近些年開始工業應用的新型磁電阻效應傳感器，利用磁性多層膜材料的隧道磁電阻效應對磁場進行感應，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(Magnetic Tunnel Junction，MTJ)來代指TMR元件，與傳統的霍爾元件相比，TMR元件具有溫度更穩定，靈敏度更高，功耗更低的特點[15]，同時線性度更佳，工作范圍更大，磁滯更小，性能更穩定。

如圖2所示，MTJ磁電阻由三層結構組成，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 隧道磁電阻結構圖

一般而言，自由層磁化方向與系統的最小能量有關，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的[17]，同時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系圖

當存在被測磁場Ha時，自由層磁矩M穩定在某一角度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。

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

采用兩個MTJ1電阻和兩個MTJ2電阻構成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

推導輸出電壓與隧道磁電阻變化量之間的關系如下：

根據TMR電流傳感器的機理和式(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會隨之變化，當夾角φ=0°時，MTJ電阻達到最小值；當夾角φ=180°時，MTJ電阻達到最大值；MTJ電阻隨著兩個磁矩夾角的變化呈單調變化的關系[19]。因此，假設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構受霍爾電流傳感器結構啟發，圖5為霍爾電流傳感器原理圖，當被測電流Ip通過磁芯時，則在霍爾元件的法線方向會產生磁感應強度為B的磁場，在霍爾元件通入控制電流Ic的情況下，根據霍爾效應，則會產生相應的輸出電壓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；Ic為霍爾元件的控制電流；B為磁芯開口處的磁感應強度。

根據上述原理開發的TMR抗直流電流傳感器閉環反饋原理圖如圖6所示。待測原邊電流Ip周圍產生磁場，磁場經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B/V轉換輸出電壓信號為VH，電壓信號VH經調理芯片放大處理后驅動后端三極管輸出副邊電流Is，副邊電流Is流經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反饋原理圖

TMR閉環電流傳感器具有自反饋補償功能，其工作在一個動態糾偏的過程中，當待測原邊電流發生變化時，TMR芯片會產生輸出電壓VH，經放大器放大后產生相應的副邊線圈電流Is，受Is影響，鐵芯會產生相應磁感應強度Bs，且與待測原邊電流Ip在鐵芯中產生的磁感應強度Bp方向相反，實現磁場的動態補償，從而使TMR處于近乎零磁通狀態，TMR動態檢測原副邊電流在鐵芯開口處的等效磁感應強度的差值為ΔB=BS-BP，根據霍爾效應，當TMR元件中通過控制電流Ic時，根據式(15)可得TMR輸出電壓VH=KHIcΔB。

Ns和Np分別為副邊線圈匝數和原邊線圈匝數，且KN=Ns/Np，根據磁鏈守恒原理，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-電的動態變化過程中實現對待測信號的實時性和跟隨性測量，根據鏈式守恒原理推導Ip=Is×KN=Is×(Ns/Np)，因此可通過監測副邊電流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特性。

2.3 TMR抗直流電流傳感器在直流分量下的誤差試驗

本研究在半波負載電流與功率因數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系統對其進行誤差測試，測試點與采用傳統抗直流電流互感器的測試點相同，測試結果如表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

測試結果表明：在負載點0.707Imax～1.0Imax的范圍內，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。

為了進一步驗證TMR抗直流電流傳感器的性能，將TMR抗直流電流傳感器應用于三相直接接入式電能表，電能表的規格型號及準確度等級與采用傳統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行誤差測試，測試結果如表4所示。

表4 基于TMR抗直流電流傳感器的電能表計量誤差

測試結果表明：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，功率因數為0.5L的測試條件下，電能表的誤差數據均能夠很好地滿足國網新一代智能電能表的技術要求。

3 結束語

文中分析了傳統互感器的傳變特性與直流偏置量之間的關系，推導了影響互感器角差和比差的公式；針對傳統抗直流電流互感器，在半波電流與功率因數為0.5L條件下測試其比差和角差，分析了超差的原因；同時，在直流和偶次諧波，功率因數為0.5L的測試條件下，測試了采用傳統抗直流電流互感器的三相直接接入式電能表的計量誤差，誤差值達到國網新一代智能電能表技術要求的6倍以上。設計了一種TMR抗直流電流傳感器，分析了該TMR傳感器的閉環反饋工作原理，在半波電流與功率因數為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用于三相直接接入式電能表，在直流和偶次諧波，功率因數為0.5L條件下測試了該電能表的誤差數據，測試結果表明： TMR抗直流電流傳感器用于三相直接接入式電能表，其電能計量誤差為-1.77%，為采用傳統抗直流電流互感器的三相直接接入式電能表計量誤差的9.4%，滿足國網對新一代智能電能表的技術要求。