非接触式柔性自偏置磁电电流传感器设计与应用

王伟杰，何星躲，雍明超，王胜辉，郭 旭

（许继集团有限公司，河南 许昌 461000）

0 引言

电网电流的检测是智能电网的关键环节之一，电力系统及设备的健康运行和安全保护都需要根据采集的电流信息来进行分析决策，因此电流的检测技术对电力系统的发展具有举足轻重的意义［1，2］。目前电网中最常见的两种传感器是互感器和霍尔电流传感器，然而在实际运用中它们存在着一些缺点［3～6］：互感器必须事先接入电路，当需要临时测量工作中的主电路时，必须先断开主电路，不利于安装和维护；霍尔电流传感器工作时要求外电源为其提供恒定的直流电流，仅适用于工频交流信号，且易磁芯饱和，体积大，响应带宽窄，制备成本较高，不能实现智能电网中大规模电流检测的应用。

基于磁电复合材料的磁场传感器在无需外加电源的情况下能将磁信号转变为电信号，具有较大的动态范围，响应频带宽，可以实现非接触式测量，在无源非接触式电流检测应用方面具有广阔的前景［7～11］。文献［12］设计并实现了一种用于电流检测的长方形磁电层合材料，具有0.401 mV／mA的灵敏度，具有毫安（mA）级别的电流检测范围。文献［13］和文献［14］设计并实现了一种由压电陶瓷（PZT）、Terfenol-D磁致伸缩材料和与之配合的铁氧体磁环组成的电流传感器，其灵敏度可达50 mV／A 以上。文献［15］采用铁／镓（FeGa）／PZT复合磁电材料设计了一种体积小、结构简单、稳定性高的差分电流传感器标签，与弹性的U型夹具配合可应用于不同直径载流导线的电流测量。文献［16］基于磁电层合材料SrFe12O19／FeCuNbSiB／PZT 磁—机—电耦合效应研制了电流传感器，具有较大的输出电压和无需直流偏置磁场的优点。此外，文献［17］提出了一种频率可调的磁电式电流传感器，该传感器谐振频率可调制至工频50 Hz，从而增强了其电流灵敏度。研究表明，现有的磁场传感器对直流偏置磁场具有很大的依赖性［18，19］。在制备传感器时通常需要钕铁硼（NdFeB）来满足偏置磁场的需求。Nd-FeB等磁体的安装明显增加了传感器的体积，产生的偏置磁场可能对载流电线和邻近的传感器造成干扰，进而限制了其在工程实际中的应用。

因此，针对现有磁电传感器对直流偏置磁电过分依赖、体积过大和灵敏度不高等问题，设计了一种可用于电流检测的柔性自偏置磁电传感器，并验证了其在自偏置状态下的磁电性能和电流检测的性能，以支撑电网电流检测的实际应用。

1 柔性自偏置磁电传感器原理与性能分析

1.1 磁电传感器设计

柔性自偏置磁电传感器基本结构如图1 所示，磁电层合材料参数如表1所示。

表1 磁电层合材料的主要参数

图1 磁电传感器结构

其中压电材料为聚偏氟乙烯共聚物P（VDF-TrFE），沿厚度方向极化，厚度为30 μm。磁致伸缩材料为纳米晶软磁材料FeCuNbSiB，沿长度方向磁化，厚度为50 μm。将P（VDF-TrFE）和软磁材料裁剪成不同尺寸的长方形，保持宽度为12 mm。使用环氧树脂将磁致伸缩材料和压电材料进行粘合并用液压机挤压保证磁电传感器最大程度粘合完好，使环氧树脂层厚度最小。

根据等效电路法可得，叠层复合结构的磁电传感器在低频和谐振时的磁电电压系数分别可表示为式（1）、式（2）

式中 tp和n分别为材料厚度和磁致伸缩材相在磁电叠层复合材料中的厚度占比，d33，m和分别为磁致伸缩相的压磁系数和弹性柔顺系数，k31和d31，p分别为压电相机电耦合系数和压电系数分别为压电材料介电常数和弹性柔顺系数。

谐振频率如式（3）所示

1.2 磁电特性的测试与分析

利用实验室搭建的测试系统对磁电传感器的磁电性能进行测试，该系统主要由正弦波信号发生器、示波器、永磁体和激励线圈等组成。其中，永磁体NdFeB 为磁电传感器提供直流偏置磁场。

首先测试了不同尺寸的磁电传感器在不同直流偏置磁场下的磁电电压系数，测试中固定交流磁场的大小为1Oe，测试结果如图2所示。

图2 不同尺寸磁电传感器的磁电电压系数

由图2测试结果表明，磁电电压系数随着传感器长度（长宽比N）的增大而增大。当长度一定时，磁电电压系数随着偏置磁场的增大呈现先增大后减小的趋势，在最佳偏置磁场处取得最大值。在长度为36 mm（N ＝3）时，磁电传感器在3Oe 偏置磁场处测得最大的磁电电压系数，为235.6 V／（cm·Oe）。

随后选择磁电性能最好的长度为36 mm（N ＝3）的磁电传感器测试了其自偏置特性，测试结果如图3所示。

图3 零偏置状态下传感器的磁电性能

在零偏置磁场状态下，磁电传感器依旧具有优异的磁电性能。在交变磁场频率达到谐振频率51.52 kHz时，电压输出为52.95 mV，磁电电压系数达到17.65 V／（cm·Oe）。实验表明磁电传感器具备优异的自偏置传感特性。

1.3 电流检测性能测试分析

根据毕奥—萨伐尔定律，通电导线周围会产生一个环形磁场，磁电传感器通过检测磁场实现对导线中电流的测量。电流检测系统原理框图如图4所示。

图4 传感器电流检测测试系统原理框图

信号发生器产生的交流电压信号输入到功率放大器的输入端，功率放大器输出端与1个5 Ω的陶瓷电阻和1根单芯导线串联。使用示波器监测陶瓷电阻两端的电压值，保证整个回路正常工作。通过调节信号发生器信号幅值和频率控制单芯导线中电流的幅值和频率。自偏置磁电传感器感应载流电线周围的磁场，由于磁电效应输出电压，输出电压大小可由锁相放大器测量。其中，信号发生器型号为Tektronix AFG3021B，功率放大器型号为SR560，放大倍数为15.2，示波器型号为Tektronix TDS2012B，锁相放大器型号为Signal Recovery 7280锁相放大器。

由于磁电复合材料在谐振频率附近的输出要高于非谐振态的输出，首先测量了零偏置磁场下磁电电流传感器对谐振频率附近51.52 kHz的交流电的感应能力。自偏置磁电传感器的输出电压随电流变化关系如图5（a）所示。从图可以看出，随着电流I逐渐增加，输出电压Vout逐渐增加，线性度较好，可以响应0.1 A的小电流，电流传感器的感应灵敏度为492.5 mV／A。

图5 电流检测结果

通电导线输入不同幅值的50 Hz交变电流，在0～2 A范围内，测得输出电压数据曲线如图5（b）所示。由图可知，随着电流I的增加，输出电压Vout近似线性增加。对测量数据采用最小二乘法拟合，得到的输出电压与电流理论拟合数据及曲线与测量值较好吻合，该柔性自偏置磁传感器对交变磁场的灵敏度为33.07 mV／A。

2 磁电电流传感器研制

2.1 磁电电流传感器结构设计

磁电电流传感器包括磁电传感元件和调理电路，调理电路对传感元件感知信号进行了放大、过滤等信号处理。研制的磁电电流传感器采用±12 V 电压供电，量程为0～200 A，输出为0～10 V。结合输电线路电力电缆护层环流监测应用场景，采用方形开合式结构，便于安装和固定在电缆接地箱铜排上，具备IP55 以上防护等级，满足现场应用环境。

2.2 磁电电流传感器性能测试

搭建实验系统对研制的磁电电流传感器检测精度进行验证，测试系统如图6 所示。实验中采用智能设备测试仪PM805A给传感器加载测试电流，用智能设备测试仪RTS—100DG给传感器加载直流干扰，利用示波器DS09404、万用表FLUKE 17B对输出进行测量。

图6 磁电电流传感器测试系统

首先在不添加直流分量状态下，对50 Hz频率下不同幅值电流进行了测试，1～50 A交流电流，测得结果如图7（a）所示。可知：随着电流I 的增加，输出电压Vout近似线性增加，测量值与拟合曲线较好吻合。

图7 传感器性能测试结果

然后在施加1 A的直流干扰信号状态下对50 Hz 频率下的1～50 A幅值的交流I进行测试，结果如图7（b）所示。结果表明：与不添加直流干扰情况对比，拟合直线截距稍微增加，直线斜率没有变化。

随后将直流干扰分量分别加到5，10 A 进行测试，将3次输出结果与不加直流干扰的结果进行误差分析，依据式（4）进行误差计算，误差均小于0.5%，满足电流采集应用要求

式中 Vout.n（i）为直流分量为n 时，输入电流为i 时的输出电压。

分别将传感器放到－25 ℃和＋55 ℃的恒温箱内稳定2 h，施加1～50 A交流电流信号，测试结果如表2所示。

表2 高低温下电流测量结果

以常温下Vout为基准根据式（4）计算的最大测量误差为0.48%，能够满足电流采集应用需要。根据以上测试表明柔性自偏置磁电电流传感器具有较好的线性度、检测灵敏度、高低温特性和抗干扰能力，具有良好的应用价值。

3 磁电电流传感器应用

基于某110 kV电力电缆工程采用柔性自偏置磁电电流传感器替换电磁式电流传感器进行工程应用，其工程方案如图8（a）所示。在电力电缆接地箱内安装柔性自偏置磁电电流传感器，电流监测单元就地采集护层电流，将采集的数据及就地评估结果通过无线4 G公网上送至位于检修工区内的监测子站。

图8 磁电电流传感器工程应用

工程投运后，设备运行稳定可靠，相对于电磁式电流互感器，柔性自偏置磁电电流传感器具有响应速度快、无磁饱和、开合结构无漏磁，结构柔性化便于安装应用等优势，同时避免了传统互感器笨重、安装困难及二次开路风险等问题。

4 结论

采用FeCuNbSiB／P（VDF-TrFE）磁电叠层复合材料提出了一种柔性自偏置磁电传感器并进行了测试，试验结果表明在零偏置状态下具有优异的磁电性能。基于柔性自偏置磁电传感元件研制了磁电电流传感器，进行测试并在电力电缆护层环流监测上进行了试点应用，表明传感器具有良好的线性度，检测灵敏度较高。