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标题

微型化智能电流传感器在配网系统的可行性研究

范文

李智斌

摘? 要：研究基于磁电阻原理的电流测试方法，提出基于單芯片、双轴、多轴磁阻、磁阻阵列等架构的电流测量系统。并有针对性地开展模块设计，并完成了基于磁阻效应的电流传感器硬件电路研发和测试形成一套完整的微型智能传感器设计方案，将大大提升将来各类微型智能传感器的研发效率。实现电网中电流、电压、温湿度等环境量的测量，为智能电网运行提供更全面、实时的信息支撑，进而为开展快速的电力系统故障辨识和定位、实现网络化的继电保护以及实时动态安全分析、智能电网运行提供更全面、实时的信息支撑，为智能电网的透明化奠定基础。

关键词：智能? 微型? 电流传感器? 配网系统

Abstract： Research on current measurement methods based on the principle of magnetoresistance， and propose a current measurement system based on single-chip， dual-axis， multi-axis magnetoresistance， and magnetoresistance array architecture. And targeted the module design and completed the current sensor hardware circuit development and testing based on the magnetoresistance effect to form a complete micro smart sensor design plan， which will greatly improve the research and development efficiency of various micro smart sensors in the future. Realize the measurement of environmental variables such as current， voltage， temperature and humidity in the power grid， provide more comprehensive and real-time information support for the operation of the smart grid， and then develop rapid power system fault identification and location， realize networked relay protection and real-time dynamics， provide more comprehensive and real-time information support for security analysis and smart grid operation， laying the foundation for the transparency of smart grid.

Key Words： Smart; Micro; Current sensor; Distribution network system

智能电网发展至今已有十余年，国内外智能电网的研究与实践表明先进的传感测量技术是智能电网必不可少的要素。发展智能电网有助于提高供电质量构建灵活、稳定、安全、节能的能源网络。南方电网李立浧院士团队提出了智能电网的升级版—— 透明电网。透明电网的概念将传感测量技术作为支撑技术，并认为广泛部署在电力系统各个环节的各种传感器是透明电网的感知层和神经末梢，是实现电网透明化的物理基础和先决条件。

构建覆盖电网关键节点的电网“神经系统”（感知系统）是发展智能电网，进一步实现智能电网透明化的基础，感知关键节点的电流值作为构建电网“神经系统”的关键;目前在传统电网的电流量采集上主要采用电流互感器监测电流，但传统的电流互感器功能单一，只能测量工频电压、电流信号，且体积笨重，大电流时必须防止铁芯饱和，且无法测量高频电流、不适合更广范围应用;而且现有配网对电流，电压等数据采集还没有达到实时采样频率，并且基于传统设备的特性，采样节点的关键、必要、广泛分布还存在较大实施难度。在人民对用电的质量要求越来越高的需求下，现有电网节点分布广，小电源上网量大，而现有配网自动化因保护配置限制和实际地形安装难度等原因，目前尚无传感器对线路及其设备进行全面的实时监控;线路中的故障定位系统，功能单一，无法实现定量测量。由于现有电压、电流和非电量量测手段已经难以满足智能电网全面、实时感知信息的基本需求，亟须研制新型的微型智能传感器。

1? 磁阻电流传感器测量原理

近年来，随着基于磁阻效应的磁电阻传感器技术的逐渐成熟，基于磁电阻效应的电流传感器已成功应用于印刷电路板的电流测量、电力电子器件的涡流测量、小电流测量等领域，具有体积小、灵敏度高、低功耗、低成本、温度稳定性好、不受交流/直流限制、适用范围广、易维护、多参数量测等优点，有望得到普遍应用，实现配用网关键节点电流信息的感知，构建电网“神经系统”。

采用磁阻芯片设计电流传感模块，磁阻芯片利用的是磁性多层膜材料的磁电阻效应对磁场进行感应，具有较大的电阻变化率。磁阻芯片具有良好的温度稳定性，高灵敏度，低功耗，良好的线性度，更宽的测量范围，不需要额外的聚磁环结构。

电流传感模块是电流测量的核心模块，通过对导线周围磁场信号的测量间接完成电流测量工作。

研究中主要针对1 000 A稳态大电流（交流额定电流0～1 kA RMS，直流-1～+1 kA）测量及20 kA级别异常电流（暂态电流）测量，同时要求传感器有较高的带宽（>1 MHz），因此需要选取宽磁场测量范围，高频响的磁阻芯片。

利用已选择磁阻芯片，对电流进行测量，测量图如图1所示。

当传感器需要满足多个量程测量或需要测量稳态和暂态电流时，可通过多个芯片实现不同量程的电流测量。在具体分析中，以稳态1 000 A，暂态20 kA电流进行设计分析。

如图1所示，传感器所在平面通过结构设计与导线垂直，母线电流I，A、B、C为3个磁场芯片位置，选取A、B传感器饱和磁场低，C芯片饱和磁场高。1 000 A量程稳态电流由A、B传感器联合测量，20 kA过电流由B、C传感器联合测量，其中A、C为单轴传感器，B为双轴传感器，磁场方向如图 1所示，传感器垂直间距d，传感器距离导线中心距离分别为r、l、l。

2? 粘贴式电流传感器

利用磁阻芯片设计电流传感模块制作的粘贴式电流传感器，主要器件包括AD器件、電源模块、无线处理模块（蓝牙）、数字处理芯片、单个器件功耗，粘贴式电流传感器和开合式电流传感器相比，省去了主控，将主控和无线传输功能集成，选用nRF52832。电阻电容器件精度建议在10%以内。

粘贴式结构，其优点是比较灵活，不受地形环境及安装位置限制，可带电安装，腔体内部为电流传感器系统，粘贴式结构同样采用非接触式设计，通过测量导线附近磁场完成电流测量，需通过结构与导线建立稳定位置关系，其外观平滑美观。

智能微传感器采用非接触式测量技术，外壳和导线接触处采用非金属接触，可以起到绝缘作用。针对微型电流传感器的实际应用场景，采用有限元分析方法对实际的外壳结构进行仿真分析。

粘贴式微型传感器电场分布特点与电势分布较相似，粘贴于10 kV电缆工作时的表面电场较大，电场最大点处于传感器两表面相交处，最大值为6×105 V/m，空气域最大耐击穿场强理论值为3×106 mV/mm，因此该外壳结构不会引起放电。远离电缆的表面和微型传感器内部电场分针对靠近电缆的表面和表面相交处等电场较大的区域，可通过选择介电性能优异的材料并加厚防护材料，加大表面接触处的弧度，从而降低电场值;同时在传感器内部加装金属防护罩，均匀内部电势分布，从而保护内部电路。

粘贴式电流传感器通信方向。近距离无线传输技术最主要的需求就是无线传输速率及低功耗。电流传感器嵌入式软件采用C语言开发，软件的核心是测量电流，并将电流数据传输至通信中继。为有效降低微型电流传感器功耗，在稳态工况下尽量减少数据量传送，故在传感器终端上将实现波形实时采集和有效值计算功能。波形采集通过A/D采集和快速存储实现，而常见的有效值测量方式有两种：（1）将信号整流滤波转换为直流信号，然后采集直流电压的值，通过公式等效为信号的有效值;（2）将采集信号完整的一个周期点采集记录下来每个点，然后通过平方累加和除以点的个数，再开平方及可得到信号的有效值，具体算法就不在这里详细分析。

3? 后续发展和展望

基于磁电阻效应的电流传感器具有体积小、灵敏度高、低功耗、低成本、温度稳定性好、不受交流/直流限制、适用范围广、易维护、多参数量测等优点，解决了微型电流传感器研发的关键问题，为后续项目的开展提供了有力保障。在实验和试点中，传感器仍存在较大改进空间，可进一步开展微型传感器功耗、精度优化和抗干扰技术研究，提高传感器的可靠性、测量精度和抗干扰能力。目前传感器室内应用主要采用CT供电，目前取电范围还有待进一步优化，提高传感器适用范围;另一外面，应深入开展能量收集技术研究，如无线供电等技术，为微型传感器提供更多样的供电解决方案。

参考文献

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