TMR电流传感器复杂电磁环境抗干扰技术研究

陈晓芳，刘崇伟，王 崇，李 蓓，赵俊杰，侯昱丞，杨 挺

(1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300000；2.天津大学电气自动化与信息工程学院，天津 300072)

0 引言

电流检测装置是电力系统进行电能计量，为调控保护提供电流信号的重要设备，其对于故障的快速检测和定位、潮流控制以及网损计量都有重要的意义。传统的电流检测装置，如罗氏线圈等由于使用铁心，存在无法测量直流电流、在大故障电流下易饱和、体积大、质量大等缺点，难以满足新一代电力系统在线检测、高精度故障诊断等发展新需求[1]。

与传统电流检测装置相比，电子式电流互感器，如光电式电流传感器和基于磁电阻效应的电流传感器取消了铁芯，因此可实现小体积、轻量化，并且具有线性度好、动态范围大等优点。其中，与高价格的光电式电流传感器相比，磁电阻传感器更具有工程适用性。具体分析几种常用的磁传感器[2]：

(1)基于霍尔效应的电流传感器：采用霍尔元件作为传感器单元的电流传感器，通过被测电流产生的磁场大小来实现对电流的测量。霍尔元件由于灵敏度低，通常采用铁磁材料的聚磁效应来提高精度，但铁磁材料存在磁带和损耗，当被测电流在较大范围内变化时，气隙间的磁感应强度与电流之间会失去线性关系，特别是测量小电流时，这种偏差尤为明显。

(2)基于各向异性磁电阻(anisotropic magnetoresistance，AMR)效应的电流传感器：灵敏度高于霍尔元件，但是线性范围窄。以AMR为敏感元件的磁传感器工作时需要设置线圈对其进行预设/复位操作，制造工艺复杂，同时也增加了体积和功耗[3]。

(3)基于巨磁阻(giant magnetoresistance，GMR)效应的电流传感器：与AMR类似，其受巨磁阻元件的线性范围小的约束，测量范围窄，并不适用于电网的宽量程、多场景应用需求。

(4)基于隧穿磁阻(tunnel magnetoresistance，TMR)效应的电流传感器：TMR是近年研究出的新型磁电阻效应传感器元件，相比于已有传感器，TMR电流传感器具备极高的灵敏度和分辨率、优异的温度稳定性、小体积低功耗以及宽动态范围等优点，是固态传感器技术的发展新趋势。

但在电网工程应用中，电磁环境复杂，干扰源多，将严重影响电流检测精度。因此本文重点分析TMR电流传感器潜在电磁干扰源，并提出复杂电磁环境下抗干扰技术。

1 TMR电流传感器工作原理分析

1.1 TMR元件结构

TMR元件为3层膜结构，上下2片强磁性体层被称为自由层和固定层，夹住1～2 nm的薄绝缘体的势垒层[4]。当待测电流垂直于TMR元件膜面流过时，由于固定层的磁矩方向固定，而自由层的磁化方向根据外部磁场方向而变，因此两层磁矩间出现夹角，其决定了磁隧道结的磁电阻R，阻值随待测电流强弱变化。当通过电流所产生的被测磁场为Ha时，自由层的磁矩M稳定在θ角，如图1所示，则可计算出磁电阻R：

(1)

式中：c1和c2为与TMR薄膜有关的定常数，为元器件固有参数。

图1 自由层磁矩方向的决定因素

TMR隧道结中的自由层磁化方向取决于外加磁场的磁场方向。当自由层与固定层的磁化方向平行时，R阻值最小，势垒层流过大电流。随着自由层磁化方向的改变，θ角变大，电阻变大。当磁化方向为反向平行时，电阻极端地变大，势垒层几乎没有电流流过，如图2所示。

图2 TMR隧道结电阻率变化原理图

1.2 TMR传感器特性

利用TMR元器件的磁矩夹角和阻值间的线性关系，将4个灵敏方向不同的TMR磁阻元件连接成桥式电路，构成TMR电流传感器，如图3所示，其中R1和R4的灵敏方向一致，且反平行于R2和R3，当有外加磁场时，易得差分输出信号ΔU的曲线。

图3 全桥结构以及其输出曲线

1.3 TMR传感器测量电流原理

电网中50 Hz的工频电流会产生以母排为中心的旋转磁场。由于其波长远大于测量系统的量级，可看成是一个静态磁场，磁场频率与电流频率相等，两者的幅值和相位成线性关系。母排周围某点的磁场强度大小与该点到母排的垂直距离成反比，与母排上流过的电流成正比，TMR传感器所在点的磁场强度为

B=k1·(I/d)

(2)

式中：k1为常系数；I为母排上通过的电流；d为TMR传感器到母排的垂直距离。

在线性测量范围内，其输出电压值与输入磁场强度大小成线性关系，所以，输出电压满足

u=k2·B

(3)

式中：k2为常系数，其大小可由实验测得；u为磁传感器输出电压的峰峰值。

通过式(2)和式(3)，传感器输出电压与实际电流之间成线性关系：

u=c·(I/d)

(4)

式中c为该TMR电流传感器的常系数，c=k1×k2，由实验测得。

最后由输出电压值可得到被测电流值，实现电流传感器功能。

2 TMR电流传感器工作的复杂电磁环境干扰源分析

由上述TMR电流传感器结构和工作原理分析可知，其是基于磁电阻原理实现电流检测的，外界或内部磁场都将影响TMR电流传感器的测量灵敏度和工作稳定性[5-6]。因此必须了解影响TMR电流传感器的复杂电磁环境，分析干扰源特性，从而采取合理的方法加以避免，实现抗干扰。基于TMR电流传感器实际电网应用场景分析，本文重点研究2类干扰：地环路干扰和辐射干扰问题。

2.1 地环路干扰

TMR电流传感器在实际使用时需要通过信号线将检测信息上传或与其他传感器相连进行交互。因此地线作为直流供电电源的馈线之一，将在传感器中与电源线构成回路；与此同时，地线也与信号线构成环路；地线本身也可能构成环路。当交变磁场与这些环路交连时，环路中产生的感应电势就有可能叠加到传输信号上形成干扰。

图4为TMR传感器与信号接收电路连接示意图，E为直流电源，V+与V-为传感器的输出电压信号。由图4可知，电源的正极馈线与地线在传感器和信号接收电路间构成一个环路，V+和V-信号线与地线在传感器和信号接收电路间又构成另一个环路。当交变磁场穿过这些环路时，环路中产生的感应电势可计算为

(5)

式中：Ei为环路中的感应电势，V；S为环路在磁场垂直方向上的投影面积，m2；B为穿过环路的磁通密度， T。

图4 地环路干扰示意图

感应电动势Ei会产生干扰电流，其叠加到信号电流上进入到下一级信号接收电路中，形成地环路干扰。

2.2 辐射干扰

TMR传感器是通过感应待测电流所产生的磁场大小，等效测量电流值。因此如果存在外界辐射磁场，则很容易影响到待测磁场，造成测量不准确。分析TMR电流传感器的工作环境，表1给出了可能的辐射干扰源和频谱特征。

表1 常见辐射干扰源的频谱特征

3 抗干扰技术

由上一章分析可知，TMR电流传感器在工作时将受到自身地环路干扰和外部辐射干扰。为了保证TMR电流传感器的正常工作，提升其测量精度，就需要针对复杂的电磁干扰提出有效的抗干扰技术。

3.1 基于纵向扼流圈传输信号的抗地环路干扰技术

针对地环路对TMR传感器的干扰，本文设计纵向扼流圈电路以消除干扰信号，结构如图5(a)所示。其中，两个绕组的绕向与匝数相同，称为双线并绕，如图5(b)所示。当扼流圈串联接入TMR电流传感器和信号接收电路之间时，传感器输出电压V+-V-产生的信号电流在两个绕组流过，产生的磁场恰好抵消，因此可以几乎无损耗地传输信号。而地线等效干扰电压Ei所引起的干扰电流流经扼流圈两绕组时，产生的磁场则同相叠加，等效为扼流圈对干扰电流呈现大感抗，如图5(c)所示，阻隔干扰电流，抑制地线干扰。

分析纵向扼流圈等效电路：ΔV=V+-V-表示需传输的信号电压，RC1、RC2为连接线电阻，RL为信号接收电路的等效负载。对纵向扼流圈而言，L1=L2=M。分别计算信号电压ΔV和干扰电压在Ei在电路负载上的响应，可理论推导出纵向扼流圈的抑制能力。

运用叠加定理，令Ei=0，设此时流过RL的电流为IS，流过地线的电流为Ie，则有：

(a)纵向扼流圈在电路中的连接

图5 基于纵向扼流圈传输信号的抗地环路干扰电路

(6)

整理得：

(7)

当感抗L2较大时，可认为Ie→0，地线视为断路，互感线圈L1与L2对ΔV的作用相互抵消，RL远大于RC1与RC2，则有(RL·Is)/ΔV≈1，表明负载上的信号电压近似于信号源电压，即纵向扼流圈对于信号几乎是无损传输[7]，再令ΔV=0，设Ei在负载RL上的响应为Un，经分析同样可得：

(8)

式中：fC为纵向扼流圈截止频率，fC=RC2/(2πL)。

当f>5fC时，地线中的干扰在负载上所反映的电压仅为20%，即纵向扼流圈对地线干扰起到有效抑制作用。

3.2 电磁屏蔽抗辐射干扰技术

采用电磁屏蔽技术以抑制电磁噪声空间传播，即切断辐射电磁噪声的传输途径，是一种针对外部多样复杂辐射干扰的有效方法[8]。采用金属材质Faraday笼包围屏蔽区域，使屏蔽体内外磁场相互隔离[9]。当电磁波传播到达屏蔽材料表面时，3种不同机理对电磁辐射进行衰减，在入射表面由阻抗突变引起的电磁波反射衰减，未被反射而进入屏蔽体的电磁波被材料吸收的衰减，在屏蔽体内部的多次反射衰减。屏蔽材料的屏蔽性能由屏蔽效能SE来计算[10]，如式(9):

(9)

式中：E0，E1分别为有、无屏蔽体时电场强度；H0，H1分别为有、无屏蔽体时磁场强度。

本文针对TMR电流传感器设计了一种磁屏蔽结构，如图6所示。TMR元件和电路板安装在空心绝缘环上层，绝缘环内部空腔供待测电流导线穿过，因此通过绝缘环使得电流导线与TMR传感器之间电绝缘。在整个核心模块外部封闭一磁屏蔽笼。磁屏蔽环采用高磁导率和高电导率的铜质金属材料制成，有效抑制周围环境的外磁场对TMR电流传感器的影响，提高TMR电流传感器的测量精度。

图6 TMR电流传感器屏蔽结构

4 结束语

电网实际应用环境中的复杂电磁干扰是影响TMR磁性电流传感器工程应用的最大问题。本文针对该问题，研究了TMR电流传感器受到的2类典型电磁干扰，并针对不同干扰提出了有效的抗干扰技术，为高精度TMR电流传感器在电力系统中应用提供了必要的技术支撑。