面向电力领域直流电流测量的新型电量传感器

宁波中车时代传感技术有限公司，浙江宁波 315021

一、前言

在传统的电力领域，因为主要的电流形式为工频交流电流，对于电流、电压的检测、控制和对电能的计算方面，绝大部分采用的是常规的电流互感器和电压互感器。近些年来，我国正在越来越广泛地应用高压直流（HVDC）输电系统，具备更大的传送容量、更小的损耗、更远的传送距离，而且避免了交流输电的不稳定性。但是，当该系统处于双极电流不对称运行或者单极大地回线运行这两种情况下，在接地极会有巨大的直流电流注入大地，而从大地回流的直流又会通过变压器中性点接地线进一步侵入交流系统，并产生各种危害，尤其是对变压器造成明显的直流偏磁影响[1]。此时的变压器噪声、振动加大，电压波形变差，大量谐波产生，各种无功损耗如铜耗、铁耗等增加。严重时，变压器的内外相关部件（如拉板、压钉、轴向压板、地脚螺丝等）会松动，包括线圈也会磨损。日积月累，将大大降低变压器的绝缘、抗短路冲击能力。通过在线监测变压器中性点的直流电流大小及方向，可以有效监测变压器的直流偏磁程度及直流大地回流在电网内的分布状况[2]。

在线监测电网内变压器中性点的直流电流是一个新领域。国内缺少变压器中性点直流电流监测设备，也没有建立相关的标准。在具体实施过程中，还面对一些难点问题：

1、因为是对电网变压器的中性点进行在线监测，这就导致系统中用于电流测量的传感器，要能长期、稳定、可靠地运行在户外露天环境下；

2、因为电网系统中存在大量的强电场、强磁场，这就导致传感器和后续信号处理单元要有很强的抗电磁干扰能力。

本文针对电网、变电站等户外电力高压场所，在这种强电场、强磁场的工作环境下，如何稳定、可靠地进行直流电流传感测量开展了研究，通过理论分析、仿真计算、试验等多种手段，确定了直流电流传感器的最终技术方案，阻断了各种干扰的传输路径，确保了传感器工作的稳定性、可靠性。

二、电流传感器测量方案的理论分析

因为该方案中需要测量的是直流电流，所以在讨论电流测量方案时可以排除电力系统中常用的交流互感器以及罗氏线圈。目前主要的直流电流测量方案有：分流器原理、直流互感器原理、磁调制原理、光纤电流传感器原理、磁平衡式电流传感器原理和直接放大式电流传感器原理。

分流器的优点在于结构简单、测量准确、可靠性高，是一种无源器件，且不受外磁场干扰，但因为电阻自身热功率的影响，一般不用来测量10kA以上的电流。而分流器的劣势在于应用时要对一次回路进行开断，导致安装使用方面的不便，而且存在大电流通过时的插入损耗，带来了比较严重的自热问题。特别是针对本文讨论的情况，因为分流器的一次侧和二次侧没有电隔离，所以并不适合在电力系统内使用该测量方案。

直流互感器因为其结构简单，运用可靠，在早期测量系统中经常会被采用[3]。但由于互感器体积较大，隔离等级不高，再加上频带宽度较窄，测量精度较低，对于快速变化的信号响应速度慢，已经很少在现今的直流测量场合使用。

磁调制测量原理的优点是性能稳定，与分流器相比插入损耗小，并能承受较大的负载；而其劣势是内部电路和磁路复杂，信号噪声较大，小量程时的准确度低，不适合测量小电流。考虑到在变压器中性点测量场合，我们一般需要测量的是-80A～+80A的直流小电流，因此不适合采用该方案。

光纤电流传感器（OCT）主要分为两大类：辐射内调制型OCT（即Active OCT）和电光一磁光型传感器（即Passive OCT）。

光纤电流传感器具有电气绝缘性能高，耐腐蚀性好，频响快等优点，但现阶段也仍然存在成本高、光路制造复杂和输出信号幅值较小等缺点，从而限制了其推广应用[4]。至今该类电流传感器仍很少在实际工作场合中得到应用,而已应用产品的稳定性也仍需长期观察。考虑到我们的目标并不是单纯的实验室研究性质，而是需要研发一款可以投入变电站实际应用的测量装置。因此，采取光纤电流传感器的电流测量方案是不合适的。

磁平衡式电流传感器准确度较高，温漂小，频带范围宽，响应时间快[5]。但是它的成本较高，体积较大，特别是它的抗过载能力较差，在大电流工作状态下，线圈和功率管发热较大容易损坏，因此不适合长期在电网的过电流环境下使用。还有很重要的一点，磁平衡式电流传感器输出的是电流信号，自身电流消耗较大，在野外工作环境下，电流传感器要求功耗一定要小。因此，本文中的测量装置也不宜采取磁平衡式原理。

直接放大式电流传感器由原边电流导体、磁路（包括霍尔器件）以及电子电路组成，它们被密封安装在由阻燃自熄的塑料压注成形的外壳之中。磁路中开有气隙，霍尔器件安放其中。这种传感器与磁平衡式电流传感器相比，减少了一组次边线圈，因此体积小、成本低、功耗小，而且耐压等级高，性能稳定，但因为缺少次边线圈来进行闭环反馈控制，其精度受到温度变化的一定影响，且动态响应特性不如磁平衡式电流传感器。

直接放大式电流传感器的工作原理是当原边导体上流过电流时，所产生的磁场由作为磁路的铁芯聚集，进而使放置在铁芯气隙中的线性霍尔器件感应出一个霍尔电势，并通过次级电路中的信号处理电路放大后输出电压信号[6]。

具体来说，当被测电流IP流过原边回路的导线时，根据安培环路定律，一个强的磁场HP将分布在导线周围，传感器中的磁路部分会对该磁场产生聚集作用，铁芯气隙中的霍尔器件感应到磁场，基于霍尔效应会输出霍尔电势Uh。信号处理电路上的运放会对霍尔电势进行多级电压放大，最终输出电压信号Vs，该信号正比于原边被测电流值，即Vs∝Uh∝HP∝IP。

综上所述，这种传感器原理电路简单、成本低、过载能力强，在变电站的过电流环境下不易损坏、可靠性较高，特别是功耗低，适合野外环境使用。因此，最后确定采用直接放大式电流传感器。

三、电流传感器总体设计

电流传感器总体方案如图2所示。系统包括传感器壳体、聚磁铁芯、磁场采集单元、霍尔激励单元、低频滤波单元、放大调零单元和CPU等。

1、电流传感器功能

（1）传感器磁回路设置2个开口气隙，各自放置一个霍尔器件。两个霍尔器件通过独立的模拟电路，输入到传感器中CPU的ADC模块中。这样就实现了两通道差分数据，当测量正向电流时，通道1信号为正，通道2信号为负，否则反之；

（2）通过两个差分模拟通道，抵消大部分模拟电路的温度漂移及电流母排安装位置引起的影响；

（3）硬件低频滤波，滤波能力20dB；

（4）软件低频滤波，滤波能力40dB。ADC采集频率1kHz，原始数据滑动滤波，再加滤波常数为0.98的一阶数字滤波；

（5）最大测量直流电流峰值：150A。

2、电流传感器设计要点：

（1）低功耗设计，总功耗＜250mW；

（2）通讯接口和协议；

（3）温度补偿设计；

（4）滤波特性设计，＞ 30dB@50Hz；

（5）信号完整性设计，防止交流信号过大时阻塞信号处理通道。

四、 具体硬件设计

电流传感器总体电路设计包括霍尔激励电路、磁场采集电路、无源滤波电路、差分放大及零点调整电路、CPU控制电路、电源电路等组成，如图3所示。

1、磁场信号采集单元分析

该单元由在两段铁芯组成的双气隙磁回路中的霍尔器件构成，如图4所示。根据现场维护需要设计成可分离式结构，利用自然形成安装接缝处构成磁场测量面，为具有抵消温度漂移、降低远场磁场干扰等作用的差分测量模式。

霍尔器件遵循霍尔效应原理，其公式为：

其中，KH—霍尔系数，它与半导体材料的厚度和电子浓度等有关。

可以看出，霍尔电势差正比于电流强度和磁场强度。在电流恒定时，霍尔电势差与磁场强度成正比。磁场改变方向时，霍尔电势差也改变符号。因此，霍尔器件可以作为测量磁场的大小和方向的传感器。

具体到本传感器中，当电流通过变压器中性线时，在中性线周围将产生一磁场，这一磁场的大小与流过中性线的电流成正比, 它可以通过磁芯聚集感应到霍尔器件上并使其有霍尔信号输出。后续电路再对该信号进行滤波、数字化。

2、铁芯磁路分析

铁芯磁路如图5所示。

（1）工作点计算

计算方法1：根据磁路安培环路定律，忽略环路漏磁，得：

其中，L—单个铁芯中线长度（m），L=0.109m；

H—铁芯内磁场强度（A/m）；

R—空气磁阻（1/H），R=1.47×107/H ；

I—测量电流（A）；

Φ—磁通量（Wb）；

S—面积（m2），S=13mm×12.5mm=1.625×10-4m2；

B—磁感应强度（T）。

把长度、面积、空气磁导率等数据代入公式，得磁负载方程：

查阅相关软磁材料镍基铁芯u曲线如图6所示。

曲线横坐标：H，1.5Oe =120A/M

曲线纵坐标：B，15000Gs=1.5T

如设计要求I最大为80A+交流40A的峰-峰值，最大瞬时电流140A，得图6下方所示的负载直线，可见，磁路工作点非常低，线性度最佳的区域，实际在铁芯中的B=0.03T@140A。

计算方法2：因气隙磁阻远大于铁芯磁阻，可以认为被测电流产生的磁势降在空气中。

其中，S=1.625×10-4m2，R=1.47×107H ，同样可以得到B=0.0293T。

（2）最大电流冲击造成的剩磁计算

由图6可知，最大B=0.757T，根据公式（5），得最大可测电流3616A，小于在应用场景中最大的10000A冲击影响，应按照最大剩磁Br来计算。

由此得：采用镍基合金的软磁铁芯的传感器，可能引起的最大零点误差不超过2.24×10-4/0.0293= 0.76%。

3、霍尔激励单元分析

运放反馈恒流输出，设计电流2mA～5mA。根据霍尔的温度特性，设置温度补偿二极管。两个通道单独设置激励电路。 见图3。

图3中，由N17B、R30、R31、R32组成恒流电路。设Vref= 2.5V；V11管压降Vd，则有霍尔电流I为：

由于电源电压较低，为保证电平摆动范围，选择运放型号为轨至轨输出的LMH6643。根据该运放的技术规格书，其输入偏置电流IB的典型值一般为-1.70μA，而选择R31、R32时要考虑降低运放输入偏置电流IB的影响，设计流过R32的电流应大于100IB。

设计选型如下：

R31=2.7kΩ，R32=1.2kΩ，R30=180Ω，V11：MMBD7000，Vd≈ 0.55V@0.5mA，25℃；

霍尔内阻范围：450Ω ～ 900Ω，从而得到：

I=3.33mA；

霍尔B3（B4）脚3电压：0.6V；

霍尔B3（B4）脚1电压：0.6+0.9I=3.6V；

霍尔输出共模电压=2.1V；

符合LMH6643输出“40mV from rails”和输入“1V from V+”范围。

4、温度漂移特性分析

依据二极管MMBD7000的技术规格书，V11的压降-温度特性曲线如图7所示。

依据霍尔器件的技术规格书，B3的输出VH-温度特性参数为：-0.06%/℃；

Vref-温度特性参数：+100ppm/℃，Vref额定输出2500mV；

电阻温度特性参数：±100ppm/℃。

设计选型如下：

R32、R31为同类特性电阻，其温度特性可以在除法运算时抵消；

R30为精密电阻，温漂系数25ppm，其温度影响在全温度范围内小于0.2%，可以不予考虑。

根据式（6）和式（1），有霍尔输出为：

其中，KH—霍尔系数，它与半导体材料的厚度和电子浓度等有关。

根据霍尔温度特性，两者综合温度系数为：1.0011×0.9994-1=0.055%/℃，得最大工作温度 -10℃～70℃区间内最大温度漂移±2.2%，即最大测量误差为±1.76A@满量程时。

以上分析结论：如需继续提高温度稳定性，应采用CPU进行温度补偿计算或提高Vref电压。而对于零点温度特性，因两个通道的电路完全一样，同在后续计算中相互抵消。

5、信号调理电路的分析

电路由无源滤波电路、差分放大及零点调整电路等组成。如图3所示。

（1）放大、调零单元

通过仪表放大器实现放大功能，并由CPU编程辅助调节零点，增益微调通过CPU计算实现。下面确定放大倍数：

额定测量下，霍尔输出曲线见图8。由B=0.03T@140A（含交流40A的峰值），Ic=3.3mA。

可得：VH（max）=80mV/3×3.3mA/5mA=17.6mV。其中，交流分量7.6mV，直流分量10mV。

假设交流分量在后续的RC滤波中得以大幅度消除，差分放大后的输出幅度在1.25V±1.15V，则放大倍数设定为：1.15/0.01=115倍。

根据差分放大器AD8821参数，放大倍数=1+49.4/R，得，R=0.4kΩ。

如最大直流量程为120A，同理可得放大倍数=115*80/120=76倍，R=0.65kΩ。

（2）低频滤波单元

RC一阶无源滤波，设计滤波能力：30dB@50Hz，下面确定滤波常数：

由R23、R24、C28、C42、C43组成了无源低频滤波，设计要求无源滤波特征频率可从芯片说明书得到。

设计要求滤波特性设计，＞30dB@50Hz，设R23=R24=R=22kΩ，C28=Cd=2.2μF，C42=C43=Cc=0.22μF，则差分频率为：

由一阶滤波理论可得：50Hz下滤波能力为20*log(50/1.5)+3=33dB，可以满足以上放大倍数计算的“假设交流分量在后续的RC滤波中得以大幅度消除”的要求。

6 、CPU单元介绍

CPU选型：采用ADUC812BS，自带2.5V基准、温度传感器、12位ADC、12位DAC、SPI、I2C接口、支持在线编程等功能。CPU担当以下计算任务：

（1）测量通道1、2的模拟量，转换为双精度浮点数；

（2）两通道相减后进行数字滤波计算；

（3）根据调试单元的命令，设置不同模式。对两个通道可单独修改零点和增益；

（4）保留温度补偿措施。

数字滤波采用算术平均滤波法，滤波长度32次，采集频率1kHz。

一阶滤波法：取a=0.96，本次滤波结果=(1-a)*本次采样值+a*上次滤波结果。

运用MATLAB等计算工具可知，-3dB处的时间常数为992ms，即1Hz。折算到50Hz处滤波能力=37dB。

综合无源滤波部分，则传感器对50Hz交流的抑制比为70dB，完全可以满足实际使用。

五、前景及可行性

随着高压直流输电系统的不断投运，直流输电系统的设备故障、常规的预防性检修，换流站建设初期的单极投运、调试等日益频繁，使得直流输电系统单极大地回线方式或双极不平衡方式的运行几率大大提高，变压器直流偏磁现象频繁发生，并且地磁暴也会导致变压器出现直流偏磁现象。变压器长时间处于直流偏磁状态对变压器本身及电力系统将造成严重的危害。

为解决电力部门面临的变压器直流偏磁现象，开展变压器中性点直流电流在线监测在电力系统的实际生产中具有很好的前景及可行性：

（1）通过监测流过变压器中性点直流电流的大小，结合变压器容量、铁芯结构及饱和曲线可判断变压器直流偏磁程度，通过采取相应措施，避免设备事故发生；

（2）通过监测一定范围内的变压器中性点直流电流，能够基本掌握直流电流在交流电网内的分布规律，为更有效地实施抑制措施打下基础；

（3）长期直流监测数据的统计分析结果对指导开展变压器等设备检修具有重要的参考价值。

六、结论

本文针对电网、变电站等户外电力高压场所强电场、强磁场的工作环境下，如何采用稳定、可靠的直流电流在线测量技术进行了研究，分析了各种直流电流测量方法的优劣及可行性，采用了特殊结构设计及智能调试的直接放大式原理，在方便拆卸、维护的同时，加强了对传感器内部核心元件的保护。

为降低一次侧流过大电流后的剩磁影响，该传感器在传感头设计上摒弃了传统上使用的硅基铁芯，采用了镍基铁芯，实际证明，镍基铁芯大大降低了电流过流后的剩磁情况。

为提高直流测量精度，消除交流信号影响，在测量方面，传感器内部实现了闭环控制，提高了测量的精度，在信号处理方面，采用无源滤波与数字滤波相结合的方式，提高了滤波能力，并设计了温度补偿电路，可有效减小由于温度变化造成的测量误差。