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基于巨磁电阻传感器的微弱电流测量方法研究

基于巨磁电阻传感器的微弱电流测量方法

研究*

李忠晶1,鞠登峰1,周兴1,仇一凡1,李玉涛2,钱政2

(1.北京国网普瑞特高压输电技术有限公司,北京,102208)

(2.北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院,北京,100191)

摘要:高压直流套管微弱电流的在线检测对于及时准确反应其运行状况具有重要的指导作用。文中提出了一种基于巨磁电阻传感器的非接触式微弱电流测试方法,首先简要介绍了巨磁电阻传感器的工作原理及其测量微弱磁场的原理,之后经测试选定了适用的巨磁电阻传感器,并围绕该传感器设计出测试系统,实现了实验室测试,验证了方案的可行性,论文最后对目前存在的问题及改进方向进行了分析与介绍。

关键词:巨磁电阻传感器;高压直流套管;微弱电流;在线检测

中图分类号:TM937 文献标识码:B 文章编号:1001-1390(2015)00-0000-00

Research of weak current measuring method based on giant

magneto-resistance sensor

Li Zhongjing1, Ju Dengfeng1, Zhou Xing1, Qiu Yifan1, Li Yutao2, Qian Zheng2

(1. Beijing Puri High-voltage Transmission Technology Co., Ltd, Beijing102208, China. 2. School

of Instrument Science & Opto-electronics Engineering, Beijing 100191, China)

Abstract: It will provide powerful support for identifying the operating status of HVDC bushing by on-line measuring the weak current. A novel weak current measuring method based on giant magneto-resistance (GMR) sensor is presented in this paper. The principle of GMR and the GMR based weak current measuring principle are introduced at first, and then, the suitable GMR sensor is selected through test, and the test system is design, which is utilized to construct the test in laboratory, and the feasibility of the scheme is varified. The existing problem and the improving direction are discussed at last.

Keywords: GMR sensor, HVDC bushing, weak current, on-line monitoring

0.引言

高压直流套管是高压、超高压直流输电系统的关键设备之一,而套管故障约占变压器故障总数的30%,因此,研究高压直流套管故障的检测方法具有非常重要的现实意义[1]。特别是非接触式的在线检测方法,能够在不影响套管正常运行的情况下及时反映出套管绝缘状况,近年来越来越得到系统内研究人员的广泛关注,而高压直流套管局部放电和泄漏电流在线检测方法的研究则

是关注的焦点[2-3]。

目前高压直流套管的局部放电在线检测方法主要有超声波检测、紫外线检测和超

高频检测等。通过检测局部放电情况下引起的微弱电流的变化,则是具有前瞻性的一种检测方法。高压直流套管泄漏电流的在线检测因其对直流套管绝缘缺陷反应的灵敏度高,因而也成为研究人员关注的热点。两者的共性之处在于同为mA级电流检测,不同之处就在于频率不同,泄漏电流检测的是直流微弱电流,而局部放电下微弱电流的检测则是可以到MHz的高频微弱电流。

因此,文中提出一种基于巨磁电阻传感器的微弱电流测试方法,旨在实现0~1MHz mA级的微弱电流测量,能够为高压套管绝缘状况的在线检测提供有力支持。

1.巨磁电阻传感器的基本原理

所谓磁电阻是指导体在磁场中电阻的变化。人们最早于1856年发现了铁磁多晶体的各相异性磁电阻效应,但由于科学发展水平及技术条件的局限,数值不大的各向异性磁电阻效应并未引起人们太多关注。直到1988年,法国和德国科学家相继发现(Fe/Cr)多层膜的磁电阻效应比坡莫合金的各相异性磁电阻效应约大一个数量级,立即引起了全世界的轰动,该发现也使得他们获得了2007年的诺贝尔物理奖。

目前,对于磁性多层膜材料的巨磁阻效应,通常用二流体模型进行定性解释[4],其基本原理如图1所示。

(a) 反铁磁耦合时电阻处于高阻态的输运特性

(b) 外加磁场作用下电阻处于低阻态的输运特性

(图中:R b>R a >R c)

图1 二流体模型示意图

Fig.1 Schematic diagram of two-fluid model 二流体模型中,铁磁金属中的电流由自旋向上和向下的电子分别传输,自旋磁矩方向与区域磁化方向平行的传导电子所受的散射小,因而电阻率低。当磁性多层膜相邻磁层的磁矩反铁磁耦合时,自旋向上、向下的传导电子在传输过程中分别接受周期性的强、弱散射,因而均表现为高阻态R a;当多层膜中的相邻磁层在外加磁场作用下趋于平行时,自旋向上的传导电子受到较弱的散射作用,构成了低阻通道R c,而自旋向下的传导电子则因受到强烈的散射作用形成高阻通道R b,因一半电子处于低阻通道,所以此时的磁性多层膜表现为低阻状态。这就是磁性多层膜巨磁电阻效应的起因。

而典型的巨磁电阻传感器由四个阻值相同的电阻构成惠斯通电桥结构[5],如图2所示。R1和R3由高导磁率的材料(坡莫合金层)覆盖屏蔽,对外磁场无响应,电阻R2和R4则受外部磁场变化影响。

图2 典型的巨磁电阻传感器结构示意图

Fig.2 Configuration of typical GMR sensor

采用电桥结构的目的是能够更加灵敏地反映出电阻的变化,也就能够更加灵敏地反引出磁场的变化。

2. 巨磁电阻传感器微弱磁场测量原理

当导线内通以电流时,在其周围将产生磁场,因而可利用巨磁电阻传感器对磁场进行检测[6],进而得到电流的大小。

如图3所示,一段长为的直导线在点产生的是各个电流元I 在该处产生的的矢量叠加。

P

I

L

q

q 1

q 2

O

a

l

r

图3 直导线产生磁场示意图

Fig.3 Magnetic field of straight current wire 则P 点产生的磁感应强度为:

02

d sin d 4πL

L

I l B B r

μq

==

??

(1)

式中,μ0为真空磁导率。

进而可得:

012(cos cos )4πI

B a

μq q =

- (2)

假设导线无线长,则可进一步简化[7]:

02πI

B a

μ=

(3)

假定导线中通以1mA 电流,由式(3)可计算出在距离导线1cm 处产生的磁场强度为20nT ,而现有巨磁电阻传感器可实现的磁场最大分辨率为22nT 。因此,采用巨磁电阻传感器是有可能实现mA 级微弱电流

所产生的磁场检测的。

但是由于地磁场(磁场强度约为0.05mT )的存在,以及自然环境中各种干扰磁场的影响,无疑将会影响到nT 级磁场的检测,因此,在传感器后续测试电路中需采用差分的方法将弱磁信号提取出来。基于巨磁电阻传感器的测试系统设计如图4所示。

待测电流

巨磁电阻传感器1

巨磁电阻传感器1

差分放大

及滤波

数据采集及处理(DSP )

显示模块

通信模块

图4 测试系统设计方案

Fig.4 Design scheme of GMR based

measuring system 可见,为了消除地磁及各种磁场干扰的影响,采用了利用一个巨磁阻传感器测量待

测电流,而利用另一个巨磁阻传感器测量地

磁及各种干扰的布置方式,利用差分电路将干扰信号滤除,然后进行后续的采集和分析

处理工作。

3. 巨磁电阻微弱电流测试系统的测试

通过对国内外巨磁电阻传感器厂家的产品进行测试,决定采用美国NVE 公司的AA002-02巨磁电阻传感器为敏感元件,来

实现对高压直流套管微弱电流的在线测试系统研制[8]。

测试系统研制完成,在实验室内进行了模拟测试。测试方法是将波形发生器的输出

接20欧电阻后接长导线,将长导线缠绕多次以输出mA 级的待测电流,然后将巨磁电阻传感器放置于待测电流附近,传感器输出接入测试系统,测试过程如图5所示。

(a)信号源输出信号

(b)示波器显示信号

(c)测试系统联合调试

图5 测试系统实验室测试过程Fig.5 Lab test process of measuring system 图中,示波器中上面的黄色波形是待测电流波形,下面的蓝色波形是原理样机的输出波形,原理样机基本实现了预定功能。图6给出了示波器测量36.4mA和166.4mA电流时的测量结果。

(a) 166.4mA电流测试结果

(b) 36.4mA电流测试结果

图6 两种不同电流情况下的测试结果

Fig.6 Testing results under two different

current conditions

图中,下面的紫色波形是20欧电阻上

的电压波形,上面的黄色波形是测试系统的输出波形,可见,当待测电流较大时,测试系统能够较好的反映待测电流变化情况,而当待测电流较小时,干扰对测量结果的影响比较严重

在实验室也对不同幅度下1MHz的电流进行了测量,结果如表1所示。

表1不同幅度情况下1MHz电流测量结果

Tab.1 1MHz current measuring result under different amplitude conditions

电阻

电压

/mV

取样

电阻

/

线圈

/匝

待测

电流

/mA

输出

电压

/mV 288 20 13 187.2 10

256 20 13 166.4 9.2

232 20 13 150.8 8.8

200 20 13 130 7.6

172 20 13 111.8 6.8

144 20 13 93.6 6

114 20 13 74.1 5.4

84 20 13 54.6 5

56 20 13 36.4 4.2

可以看出,输出电压伴随着待测电流的减小而减小,图7给出了两者之间的线性拟合关系。

图7 测试系统输出输入的线性拟合结果Fig.7 Input and output linear fitting results of

measuring system

图中,纵坐标是测试系统输出电压,

坐标是待测微弱电流,两者之间的线性拟合关系为:

(4)

输出电压和待测电流间的线性相关系数r可通过下式计算:

(5)

式中:y—输出,x—输入,n—测量点数。

计算结果为:r=0.9953,输出电压与待测电流间的线性关系显著,从而说明样机性能达到了设计要求。

4.分析和讨论

实验结果表明微弱电流测试系统能够实现几十mA级的电流测试,带宽能够达到MHz的要求,原理上证明了巨磁电阻传感器实现微弱电流非接触式测量的可行性,但是在测试过程中也发现了新的问题:

(1)在<10mA级电流的测量过程中,环境干扰严重影响了有效信号的测量,经过初步的分析和讨论,认为是滤波及放大电路的设计存在不足,因此在后续系统的改进过程中应当重点针对滤波及放大电路进行相应的改进。

(2)目前的干扰抑制方法主要是从硬件上加以实现的,差分加上滤波的手段可以大幅度抑制环境及共模干扰的影响,但是对随机干扰的抑制有限。因此,在后续工作中考虑深入分析和讨论一些随机干扰的特点,研究针对性的处理方法,并嵌入到DSP中以进一步抑制这些干扰的影响。软件和硬件相结合能够更加有效地滤除干扰,从而力争实现mA级电流的检测。

5.结束语

针对高压直流套管微弱电流在线检测的迫切需求,文中提出了利用巨磁电阻传感器加以实现的方案。通过对巨磁电阻传感器原理的介绍及其应用于微弱电流测试可行性的分析,文中搭建了巨磁电阻微弱电流测试系统,并在实验室内进行了测试,实验结果表明,测试系统能够测试几十mA级的电流,频带可以达到1MHz,能够满足测试需求。论文最后对系统将来的改进方向进行了简要分析和讨论。

致谢

感谢:国家电网公司2013年纵向科技项目“超、特高压变压器现场工厂化检修及故障诊断技术研究”(编号:52467J300001)对论文的支持。

参考文献

[1]刘振亚. 特高压直流输电技术研究成果专辑[M].北京:

中国电力出版社, 2006

[2]Nathan Jacob, William McDermid, Behzad Kordi. Online

Partial Discharge Measurement of a High- voltage Direct Current Converter Wall-bushing. 高电压技术, 2011, 37(11): 2636-2642

[3]刘晓亮, 文维娟, 任捷等. 高压直流套管电压监测器的研

究[J]. 电磁避雷器, 2013, (1): 21-24

[4]张海峰, 刘晓为, 王喜莲等. 磁电阻效应的原理及其应用

[J]. 哈尔滨工业大学学报,2008, 40(3): 362-366

[5]方庆清. 磁电阻传感器的应用及其若干问题[J]. 磁性材料

及器件, 2012, 43(2): 10-12

[6]李伟, 杨峰. 基于自旋阀巨磁电阻传感器的直流电流测量

[J]. 电子测量技术, 2014, 37(6): 104-107

[7]王少杰, 顾牡, 吴天刚. 新编基础物理学(第二版)[M]. 北

京: 科学出版社, 2015

[8]谭宁, 钱政. 巨磁电阻传感器综合特性测试装置的研制[J].

电测与仪表, 2014, 51(24): 56-60

作者简介:

李忠晶(1976—),女,硕士,高级工程师,主要从事输变电设备状态监测、状态检修等方面的研究工作,Email:lizhongjing@https://www.wendangku.net/doc/ab4708732.html,

收稿日期:2015-09-06;修回日期:2015-12-18

(刘爽编发)

钱政(1973—),男,教授,博导,主要从事现代电气检测技

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