基于组合通信的无磁芯电流互感器设计

陈夏南 林栩

摘 要：本文基于Biot Savart定律设计了一种0.2S级的无磁芯低功耗电流互感器，在设计中通过利用4个高灵敏度线性磁阻传感器组成圆形阵列的方式来获取电流产生的磁场信号，在电路中通过加法器将磁场信号进行叠加，并通过一种组合通信的方式在高电位实现了数字化，通过光纤将标准格式的信号传输至低压侧，本样机功耗仅为20mW。

关键词：无磁芯；低功耗；线性磁传感器

中图分类号：TM452 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）14-0100-02

在工业应用中，非接触电流测量是一种全新的解决方案被大家所关注，这是由于操作简单和系统的集成化[1]。这些方案主要依赖于不同的磁场传感技术，比如霍尔效应，磁阻效应，法拉第效应等。然而，在几乎所有种类电流传感器为了增加磁通密度，都使用大型磁芯，磁芯的使用限制了测量频带[2]。

随着智能电网的建设，传统的电流互感器的缺点逐渐被暴露出来，急需开发一种新型的电流测量方法。电子式电流互感器被认为是传统电磁式互感器的替代品。然而，这些传感器仍然含有铁芯，与传统的电压互感器相似，也存在相同的铁芯饱和问题。近年来，具有高灵敏度，线性，低功耗的磁阻传感器和磁通门传感器被开发出来，为电流测量方法提出了新思路[3-4]。

本文基于线性磁阻传感器开发了一种0.2S级的低功耗电流互感器，其技术路线是将4个传感器均匀分布在圆形印刷电路板上，并将感测到的磁场值利用加法电路进行叠加后在微功耗ADC中进行模数转换，利用单片机和可编程逻辑器件进行组合实现低功耗的数据传输，经过优化后，功耗仅为20mW左右。

1 基于组合通信的无磁芯电流互感器设计

本章首先分析磁场空间分布的原理，之后针对无磁芯的磁传感器提出了一种利用多个传感器求取平均值进行的测量的思路，并描述了硬件设计的思路。此外，本文使用了一种组合通信的方式，在满足电网要求的协议下，电流互感器功耗被大大降低。

1.1 均值法

磁性电阻传感器是近年以来的研究重点。在学者设计中将单个TMR磁传感器放置在圆形印刷电路上用于测量导体上流过的电流值。由于其结构上没有磁芯，磁传感器的体积很小，并可用于测量高频带，这拓展了电流互感器的测量范围。当待测电流流过的导体被认为是长直导线时，根据Biot-Savart定律可得，空間上产生的磁感应强度能够被表示为： （1）

其中，μ0为真空磁导率（4π×10-7A/m），r为传感器与载流导体的最短距离（m），I为载流导体上流过的电流值（A）。

虽然，有文献证实单个TMR磁传感器在对电流进行测量时具有良好表现。但在某些特殊情况下是有限制的。特别是在被用于三相电流测量时，每个磁传感器都不可避免地受到由其他两相产生的磁场的干扰。因此，本文提出了一种使用TMR的新的电流测量方法。在该方法中，使用四个无磁芯TMR磁传感器。

图1描述了4个无磁芯电流互感器被均匀安装于圆形印刷电路板上（传感器之间的夹角为90°）。因此，本文的传感器感测的磁感应强度的平均值能够被表示为：

（2）

通过仿真和测量结果表明，在利用4个TMR组成的圆形阵列的均值法可以消除三相电力系统中其他两相产生的磁场的环境干扰，从而实现精确的测量，并可以在一定程度上补偿因位置信息变化导致的测量误差。

1.2 采集电路硬件设计

由于TMR磁传感器采用惠斯通电桥设计，因此，本文设计了一种差分加法输入采集电路，如图2所示，电路模型的等效公式能被描述为：

（3）

此电路的主要目的是将圆形阵列上4个TMR的输出电压之和相加并去除高频率的噪声信号。电路主要包括4个TMR传感器，1个加法器，和1个滤波器。利用加法器将TMR的输出电压进行相加求和，从而得到电压总和。此外，在后端电路中增加了一个RC滤波器，以降低噪声的干扰，从而提高TMR的精度等级。

为了避免因采集电路硬件导致的测量误差，本文对每一通道都进行了校验，校验结果如表1所示。

1.3 数据传输系统设计

在实际应用过程中，与电网的接口中应采用曼特斯特编码，该编码中自带时钟，因此需要电光转换的驱动接口具有稳定的频率，因此，在传统的设计中可编程逻辑器件成为主要的选择。然而，可编程逻辑器件无法对信号进行处理和降噪，这限制了它的应用。

在本设计中通过单片机和可编程逻辑器件合成数据处理单元，来实现降低整体系统功耗的目标，通过选择微功耗单片机将其作为信号采集处理单元，对信号进行处理，并将可编程逻辑器件与电网的通信驱动接口，与低压侧进行通信，如图3所示。

在设计中利用了单片机的数据处理能力和程序移植上的优点来代替一些设计中的采用可编程逻辑器件进行计算，相比其数据传输系统正常工作下能够减少30%的功耗。同时，将可编程逻辑器件作为唤醒控制器，以固定频率唤醒单片机，单片机完成电压信号转换后又进入休眠状态，理论上，本文设计工作模式的功耗仅为长时间工作模式的功耗的23%。

2 实验测试

实验测试如图4所示，TMR传感器阵列，信号处理单元置于设备绝缘子顶部，导电杆穿过线圈。大电流发生器提供的电流通过电缆接入导电杆。将原理样机（额定电流300A）输出的标准FT3信号和一次侧电流信号接入电子式互感器校验仪进行校验，分析其比差和角差。

2.1 准确度测试

为了验证无磁芯电流互感器用于计量和保护的稳定性，对样机进行线性度测试。将一次侧电流设定为5-120%额定电流内循环进行校验，校验时间为24小时，实验数据如表2所示。

2.2 功耗测试

将系统样机的供电改为可调恒压源接入，利用功率分析仪对样机的功耗进行测试，并将一次侧电流设定为额定电流300A，功耗结果如图5所示，仅为20mW。

3 結语

本文提出了一种无磁芯的电流互感器设计，该设计可被用于测量直流和交流。在设计中，该传感单元由4个TMR磁传感器和一个集成电路组成。通过磁传感器的圆环设计可以有效的减少来自外界干扰源的影响。通过基于组合通信的集成电路设计可以使得MCU间歇性休眠从而降低整体的系统功耗，从而更好的满足于电力应用中。此外，该设计的测量精度为0.2S级，能够满足一般电力测量的需求。

参考文献

[1]Bazzocchi R， Rienzo L D. Interference rejection algorithm for current measurement using magnetic sensor arrays[J].Sensors & Actuators A Physical，2000，85（1）：38-41.

[2]Ripka P， Kejik P， Kaspar P， et al. Precise DC current sensors[C]// Instrumentation and Measurement Technology Conference， 1996. IMTC-96. Conference Proceedings. 'Quality Measurements： The Indispensable Bridge between Theory and Reality'. IEEE. IEEE Xplore，1996：1479-1483 vol.2.

[3]Ziegler S， Woodward R C， Iu H C， et al. Current Sensing Techniques： A Review[J]. IEEE Sensors Journal，2009，9（4）：354-376.

[4]Jedlicska I， Weiss R， Weigel R. Increasing the measurement accuracy of GMR current sensors through hysteresis modeling[C]// IEEE International Symposium on Industrial Electronics. IEEE，2008：884-889.