智能電網(wǎng)中電流傳感器的研究與應(yīng)用

智能電網(wǎng)中電流傳感器的研究與應(yīng)用

0智能電網(wǎng)的核心技術(shù)目前，智能能源能源是全球能源發(fā)展和改革的重要研究課題。雖然智能電網(wǎng)的概念尚無定論,但其基本思想是利用先進(jìn)的數(shù)字化信息網(wǎng)絡(luò)將發(fā)電、輸電、變電、配電和用電服務(wù)以及蓄能與能源終端用戶的各種電氣設(shè)備和其他用能設(shè)施連接在一起,通過智能化控制實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的管理,通過精確供能、對(duì)應(yīng)供能、互助供能和互補(bǔ)供能等方式,達(dá)到提高資源利用效率,提高供電質(zhì)量和可靠性的目標(biāo)。要實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo),智能電網(wǎng)必須依靠6個(gè)方面的技術(shù)支持:1)靈活的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?2)基于開放體系并高度集成的通信系統(tǒng);3)傳感和測量技術(shù);4)高級(jí)電力電子設(shè)備、超導(dǎo)和儲(chǔ)能技術(shù);5)先進(jìn)的系統(tǒng)監(jiān)控方法;6)高級(jí)的運(yùn)行人員決策輔助系統(tǒng)。其中傳感器和測量技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)監(jiān)測、控制、分析和決策的基礎(chǔ),也是智能電網(wǎng)發(fā)展的關(guān)鍵。目前的高級(jí)計(jì)量體系主要集中在電網(wǎng)需求側(cè),由安裝在用戶端的智能電表、位于電力公司的計(jì)量數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(meterdatamanagementsystem,MDMS)和通信系統(tǒng)組成。對(duì)于智能電網(wǎng)而言,線路側(cè)和網(wǎng)絡(luò)側(cè)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、優(yōu)化和調(diào)度也極為重要。只有采用先進(jìn)的傳感技術(shù),建設(shè)發(fā)達(dá)的傳感器網(wǎng)絡(luò),再配合發(fā)達(dá)的通信體系和仿真技術(shù),才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)電網(wǎng)智能化。電網(wǎng)中各級(jí)輸配電系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)智能化,核心技術(shù)是實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中整個(gè)輸配電網(wǎng)絡(luò)及所有電氣設(shè)備各種狀態(tài)特性(如電壓、電流、功率、頻率等)的實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)控。其中智能電網(wǎng)最需檢測的關(guān)鍵量是電網(wǎng)各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及所有設(shè)備的電壓和電流實(shí)時(shí)信息(通過監(jiān)測得到的電壓和電流也可以得到整個(gè)系統(tǒng)的功率信息),一方面實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)優(yōu)化和調(diào)度,另一方面通過監(jiān)測得到的電壓和電流實(shí)時(shí)信息可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除系統(tǒng)故障,防止事故擴(kuò)大而出現(xiàn)大系統(tǒng)的停電事故。本文主要討論智能電網(wǎng)中電流的傳感和量測技術(shù)發(fā)展的要求和新趨勢。1電力能源規(guī)劃技術(shù)1.1電流和電壓監(jiān)測目前,變電站內(nèi)的電氣設(shè)備布置集中、通信便利,因此變電設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控較為全面、先進(jìn);而輸電、配電線路及設(shè)備分布較為廣泛,絕大部分電氣設(shè)備尚未實(shí)現(xiàn)有效的實(shí)時(shí)監(jiān)控。這是因?yàn)樵陔娋W(wǎng)各級(jí)輸配電系統(tǒng)中,包含的線路長度達(dá)到數(shù)百萬km,電氣設(shè)備種類繁多、數(shù)量巨大,而且在地理位置分布上非常廣泛,要實(shí)現(xiàn)所有線路及電氣設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控,難度很大。而實(shí)現(xiàn)輸配電線路的全面監(jiān)控對(duì)于網(wǎng)損測量、潮流控制以及故障的快速檢測和定位均具有重要的意義。目前電網(wǎng)中最常用的電流信號(hào)監(jiān)測傳感器是基于線圈繞組式變壓器原理的電流互感器(CT)。現(xiàn)有的傳統(tǒng)電流互感器存在較大的局限性:1)體積較大,難以安裝到空間有限的輸、配電線路上;2)制備成本較高,耗費(fèi)大量金屬資源,大規(guī)模使用不夠經(jīng)濟(jì);3)功能單一,僅適用于工頻交流信號(hào),對(duì)于直流、暫態(tài)以及高次諧波等信號(hào),均無法量測。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展,霍爾效應(yīng)(Halleffect)傳感器作為一類新型傳感器在電力系統(tǒng)電流測量中已得到越來越廣泛的應(yīng)用。光纖的出現(xiàn)和技術(shù)的發(fā)展,使得光纖式電流傳感器(opticalfibercurrenttransducer,OFCT)成為電流傳感器發(fā)展的另一大趨勢。近年來隨著磁電子器件的快速發(fā)展,基于巨磁電阻(giantmagnetoresistive,GMR)效應(yīng)的傳感器則為智能電網(wǎng)的在線電流監(jiān)測提供了一種新的選擇。1.2電流傳感器gmr幾種常見傳感器的性能比較如表1所示。其中傳統(tǒng)的電流傳感器有CT、羅氏線圈、Hall傳感器等,新型的傳感器有光纖和GMR傳感器。由表1可知,對(duì)于輸電線路或配電線路上的分布式測量而言,GMR電流傳感器具有廣闊的應(yīng)用前景。其與傳統(tǒng)電磁式電流互感器相比,具有能夠測量直流到高頻(MHz量級(jí))的電流信號(hào)、測量范圍寬、靈敏度高和體積小等優(yōu)點(diǎn),尤其是GMR能夠測量直流電流,這對(duì)于直流輸電系統(tǒng)中換流站中直流的監(jiān)測極為有利;與Hall元件相比,其體積較小,靈敏度高,且具有更好的溫度穩(wěn)定性,能夠適應(yīng)電網(wǎng)環(huán)境溫度的劇烈變化;與新型光纖電流傳感器相比,其結(jié)構(gòu)簡單、制造簡便且造價(jià)低廉,便于大規(guī)模推廣使用。GMR電流傳感器的以上優(yōu)點(diǎn),適合于智能電網(wǎng)的分布式測量和數(shù)據(jù)采集,分布監(jiān)測全電網(wǎng)正常工作和事故狀態(tài)下的電流,借助先進(jìn)的通信手段,實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的分布式實(shí)時(shí)監(jiān)測。在智能電網(wǎng)的應(yīng)用中,利用GMR電流傳感器替代傳統(tǒng)的電磁式互感器,用于監(jiān)測輸電線路、變電站、配電網(wǎng)絡(luò)和用電側(cè)電流的分布式測量中。通過先進(jìn)的通信技術(shù)將信號(hào)采集到監(jiān)控中心并作出相應(yīng)的反饋,可以實(shí)現(xiàn)全電網(wǎng)電流的實(shí)時(shí)監(jiān)測和調(diào)度。21mr電流傳感器2.1r-100mr電流傳感器2.1.1巨磁電阻gmr效應(yīng)GMR傳感器基于巨磁電阻效應(yīng),即在外磁場的作用下傳感器電阻會(huì)發(fā)生巨大的變化,如圖1所示,當(dāng)磁場為零時(shí),GMR材料的電阻最大;在磁場正向或者負(fù)向增大時(shí),GMR材料的電阻均減小,且不同結(jié)構(gòu)材料電阻下降的百分比不同。從1988年發(fā)現(xiàn)GMR效應(yīng)以來,巨磁電阻GMR效應(yīng)的應(yīng)用已處于開發(fā)及實(shí)用化階段,GMR傳感器首先在硬盤磁頭上成功實(shí)現(xiàn)了商品化。除直接測量磁場以外,GMR傳感器在電流、位移、線速度、角度、角速度和加速度等物理量的測量和生物檢測上也得到應(yīng)用[9,10,11,12,13,14,15,16]。2.1.2閉環(huán)式gmr電流傳感器的測量原理GMR電流傳感器是一類利用GMR效應(yīng)測量電流的裝置。按照測量原理,GMR電流傳感器可分為開環(huán)傳感器和閉環(huán)傳感器。開環(huán)式GMR電流傳感器通過直接測量長直導(dǎo)線上電流產(chǎn)生的磁場來測量電流。如圖2所示,電流方向與傳感器的敏感軸方向正交,電流產(chǎn)生的磁場方向與敏感軸方向平行。假設(shè)流經(jīng)導(dǎo)線的電流為I,傳感器距離導(dǎo)線的距離為d。當(dāng)電流變化時(shí),磁場隨之變化,GMR的電阻也發(fā)生變化,利用電橋結(jié)構(gòu)將電阻的變化輸出為一個(gè)電壓信號(hào)。由于GMR電阻和磁場之間具有線性變化規(guī)律,輸出的電壓正比于被測電流,從而實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的測量功能。相比于開環(huán)式傳感器,閉環(huán)式GMR電流傳感器多了一個(gè)由運(yùn)放和反饋線圈組成的反饋回路,如圖3所示。其工作原理為:GMR元件放置在環(huán)形鐵心的空隙中,讓被測電流I所產(chǎn)生的磁通Φ集中穿過GMR元件,由于GMR效應(yīng)在GMR元件的電壓端上產(chǎn)生電壓U,此電壓再經(jīng)放大輸送到磁芯的補(bǔ)償線圈,在補(bǔ)償線圈中即產(chǎn)生磁通Φ0,當(dāng)磁通Φ0完全補(bǔ)償被測電流產(chǎn)生的磁通Φ時(shí),電流I0就能通過取樣電阻R上的電壓Uout反映出,而待測電流I也可以通過Uout測出。運(yùn)用該磁場反饋方法可改善傳感器的線性度,并增寬動(dòng)態(tài)測量范圍。然而,集成反饋線圈的方法會(huì)使器件能耗大量增加,并使器件工藝更加復(fù)雜。此外,由開環(huán)式GMR電流傳感器的測量原理可知,其輸出電壓信號(hào)正比于被測電流,同時(shí)正比于流經(jīng)GMR傳感器的電流。一般情況下,GMR電橋的輸入電阻可視為恒定,輸出信號(hào)正比于被測電流與電橋輸入電壓的乘積。輸入電壓恒定時(shí),GMR傳感器為電流傳感器;當(dāng)輸入電壓為被測元件的電壓時(shí),GMR傳感器可作為功率傳感器使用,如圖4所示。2.2r-mor電流傳感器的材料系統(tǒng)和電橋結(jié)構(gòu)2.2.1gmr磁電阻體系現(xiàn)階段GMR電流傳感器的研究主要集中在材料設(shè)計(jì)、電橋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及性能研究上[16,17,19,20,21,22,23,24,25,26]。如圖5所示,GMR的磁電阻體系主要包括多層膜結(jié)構(gòu)、自旋閥結(jié)構(gòu)、磁隧道結(jié)多層結(jié)構(gòu)(magnetictunneljunction,MTJ)和顆粒膜結(jié)構(gòu)。各種GMR磁電阻體系的性能指標(biāo)如表2所示,不同體系的GMR性能差別很大,飽和磁場和靈敏度相差巨大。即使是同一種材料,微結(jié)構(gòu)的不同也會(huì)導(dǎo)致性能的巨大差異。在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)所測量電流信號(hào)的量程范圍來合理選擇材料體系。2.2.2材料體系的選擇GMR電流傳感器一般采用電橋結(jié)構(gòu),其典型結(jié)構(gòu)如圖6所示。單電橋的靈敏度最低,一般為提高GMR的靈敏度,多用2個(gè)單電橋組成半電橋結(jié)構(gòu)。半電橋結(jié)構(gòu)利用軟磁材料將R2和R3進(jìn)行磁屏蔽,只有R1和R4會(huì)隨著外磁場變化,同時(shí)軟磁材料起到放大R1和R4處磁場的作用,其適用于各種材料體系。全電橋結(jié)構(gòu)的放大倍數(shù)最大,但只能用于存在雙極性輸出的材料體系,如自旋閥(SV)和磁隧穿結(jié)(MTJ)材料等。對(duì)于只有單極性輸出的材料(如多層膜(ML)材料),只有通過增加偏置磁場才能使之應(yīng)用于雙極性輸出的測量,不過這樣就會(huì)使得其線性范圍縮小為原來的1/2。因此電橋結(jié)構(gòu)的選擇是與所選用的材料體系緊密相關(guān)的。值得注意的是,理論上只有采用恒流源給電橋供電時(shí),輸出電壓與電阻變化才呈線性關(guān)系。實(shí)際應(yīng)用中多采用電壓源供電,對(duì)于單電橋和半電橋而言,輸出電壓只能近似視為與電阻的變化呈線性關(guān)系。3r-kg通信性能研究3.1gmr傳感器的時(shí)域響應(yīng)主要研究直流和工頻電流激勵(lì)下不同體系GMR傳感器的線性范圍、線性度、靈敏度和磁滯等。測量大電流時(shí),可以選用ML結(jié)構(gòu);而測量小電流時(shí),用SV和MTJ結(jié)構(gòu)即可。圖7為ML結(jié)構(gòu)GMR在直流磁場作用下的傳感特性曲線。可以看出,ML的傳感曲線呈軸對(duì)稱,在每個(gè)半軸上都存在線性區(qū)和飽和區(qū),其中線性區(qū)是可以用作模擬量測量的區(qū)域。圖8為在工頻電流激勵(lì)下,GMR傳感器輸出電壓對(duì)電流的時(shí)域響應(yīng)。此時(shí)GMR處于線性區(qū),輸出電壓與輸入電流呈線性關(guān)系,由于其傳感曲線的軸對(duì)稱特性,無法辨識(shí)交流電流的方向。3.2磁場激勵(lì)下輸出電壓主要研究不同角度的磁場激勵(lì)下GMR傳感器的響應(yīng)特性。GMR的電阻隨著2個(gè)磁層之間磁矩方向的夾角發(fā)生正弦變化,在夾角為0°時(shí)電阻最小,夾角為180°時(shí)電阻最大。在同一磁場激勵(lì)下,不同角度導(dǎo)致輸出電壓的變化。利用這個(gè)原理可以測量磁場的角度。3.3gmr響應(yīng)特性研究不同頻率的電流激勵(lì)下GMR傳感器的響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)表明,在直流到MHz量級(jí)的頻率范圍內(nèi),GMR具有良好的響應(yīng),這是由于GMR效應(yīng)是基于磁場的旋轉(zhuǎn)和移動(dòng),其響應(yīng)時(shí)間非常短(ns級(jí)),能夠測量從直流到極高頻的電流信號(hào)。3.4高頻電磁干擾研究電網(wǎng)電磁環(huán)境對(duì)于傳感器性能的影響以及電磁屏蔽的方法。在實(shí)際電網(wǎng)中,暫態(tài)過程如雷電、操作和短路電流均會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾,高頻信號(hào)容易通過分布電感和電容耦合進(jìn)電路,從而對(duì)測量產(chǎn)生影響。因此在研究GMR傳感器時(shí)應(yīng)特別考慮電磁兼容的問題。3.5化及溫度補(bǔ)償策略主要研究溫度變化時(shí)GMR傳感器性能的變化及溫度補(bǔ)償策略。GMR具有負(fù)的電壓溫度系數(shù),在電網(wǎng)應(yīng)用中要使得其能夠適用于不同的環(huán)境溫度,必須采用相應(yīng)的溫度補(bǔ)償策略。4100mr電流傳感器廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)4.1正常電流、故障及暫態(tài)電流一個(gè)完整的電網(wǎng)體系可分為發(fā)電、輸變電、配電和用電幾部分,不同部分中電流值大小不同。按照智能電網(wǎng)中監(jiān)測電流的大小,可將測量對(duì)象分為正常工作電流、故障及暫態(tài)電流和中小電流3類。正常電流包括直流和交流線路及設(shè)備的正常工作電流,該類電流的特點(diǎn)是持續(xù)時(shí)間長,頻率為直流或工頻,幅值適中,如表3所示;故障及暫態(tài)電流包括短路電流、雷電/操作/工頻過電流等,其特點(diǎn)是幅值大、時(shí)間短、頻率高(幾百kHz),如表4所示;中小電流則包括系統(tǒng)高次諧波、電氣設(shè)備(如避雷器、絕緣子等)的泄漏電流等,該類電流持續(xù)時(shí)間長,幅值較小,如表5所示。4.2100mr電流傳感器廣泛應(yīng)用于智能電網(wǎng)1放電沖擊電流輸電線路、變電站及換流站的電流監(jiān)測對(duì)象主要包括正常直流、工頻工作電流、諧波電流、工頻過電流、短路電流、操作沖擊電流和雷電沖擊電流等。正常工作電流的幅值通常在幾個(gè)kA,各類過電流的幅值更大,通常在幾十kA甚至上百kA,且持續(xù)時(shí)間很短,需要量程和響應(yīng)速度均能滿足要求的傳感器進(jìn)行量測。GMR電流傳感器的磁電阻體系中,多層膜和顆粒膜體系的線性范圍均能滿足大幅值電流測量的要求,并且其頻率響應(yīng)可達(dá)到幾MHz甚至更高,能夠滿足測量暫態(tài)電流的要求。2安塞避雷器泄漏電流絕緣監(jiān)測的對(duì)象主要包括線路和變電站內(nèi)的避雷器和絕緣子的泄漏電流,通過監(jiān)測這些電氣量來表征限制故障電流和防御過電壓的電器的性能。在正常工作條件下,氧化鋅避雷器總泄漏電流只有幾百μA到幾個(gè)mA;在濕度較低及污穢程度較輕的情況下,絕緣子泄漏電流幅值較小,一般不超過1mA。而在線路過電壓狀態(tài)下,泄漏電流變化較為激烈,其幅值將超過10mA,絕緣子泄漏電流的報(bào)警值大約為幾十mA到幾百mA。此類電流的特性是幅值很小,且一直存在。對(duì)于mA級(jí)小電流的量測,利用自旋閥和TMR體系可以保證其精度的要求;但是對(duì)于μA級(jí)的泄漏電流,目前的GMR傳感器無法直接測量,需要將電流放大至mA級(jí)才能滿足其測量精度。3智能電阻中的功率監(jiān)測在配電和用電側(cè),GMR功率傳感器也可用于監(jiān)測功率的智能電表中。采用自旋閥和TMR等精度較高的傳感器替代目前使用的電磁式電表,將大大提高電表的靈敏度。4換裝置的應(yīng)用GMR傳感器雖然是電流傳感器,但可通過轉(zhuǎn)換裝置使得其也能應(yīng)用于電壓測量。例如利用電壓/電流轉(zhuǎn)換電路將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)GMR傳感器對(duì)于電壓的監(jiān)測。4.3gmr傳感器的測量實(shí)驗(yàn)在實(shí)際電網(wǎng)環(huán)境的應(yīng)用中GMR電流傳感器依然存在著一些限制其推廣應(yīng)用的問題,其中電磁兼容和溫度補(bǔ)償?shù)膯栴}最為突出。1)由于GMR傳感器的輸入和輸出均為電學(xué)信號(hào),電磁兼容的問題不可避免,需要采取絕緣、屏蔽和濾波多種手段減小干擾信號(hào)。2)受到架空輸電導(dǎo)線溫度和氣候條件的影響,GMR傳感器需要在很寬的溫度范圍內(nèi)工作,其溫度穩(wěn)定性至關(guān)重要。目前GMR的電壓溫度系數(shù)的典型值為(-0.1~-0.4)%/℃,該系數(shù)不足以滿足實(shí)際電網(wǎng)的要求,需要采取軟件或者硬件的方式進(jìn)行溫度補(bǔ)償,進(jìn)一步減小其溫度系數(shù)。有文獻(xiàn)報(bào)道經(jīng)過補(bǔ)償后GMR的