智能电网中电流传感器的研究与应用

智能电网中电流传感器的研究与应用

0智能电网的核心技术目前，智能能源能源是全球能源发展和改革的重要研究课题。虽然智能电网的概念尚无定论,但其基本思想是利用先进的数字化信息网络将发电、输电、变电、配电和用电服务以及蓄能与能源终端用户的各种电气设备和其他用能设施连接在一起,通过智能化控制实现对电能的管理,通过精确供能、对应供能、互助供能和互补供能等方式,达到提高资源利用效率,提高供电质量和可靠性的目标。要实现这样的目标,智能电网必须依靠6个方面的技术支持:1)灵活的网络拓扑;2)基于开放体系并高度集成的通信系统;3)传感和测量技术;4)高级电力电子设备、超导和储能技术;5)先进的系统监控方法;6)高级的运行人员决策辅助系统。其中传感器和测量技术是实现智能电网监测、控制、分析和决策的基础,也是智能电网发展的关键。目前的高级计量体系主要集中在电网需求侧,由安装在用户端的智能电表、位于电力公司的计量数据管理系统(meterdatamanagementsystem,MDMS)和通信系统组成。对于智能电网而言,线路侧和网络侧的实时监测、优化和调度也极为重要。只有采用先进的传感技术,建设发达的传感器网络,再配合发达的通信体系和仿真技术,才能实现整个电网智能化。电网中各级输配电系统要实现智能化,核心技术是实现电力系统中整个输配电网络及所有电气设备各种状态特性(如电压、电流、功率、频率等)的实时监测和调控。其中智能电网最需检测的关键量是电网各关键节点及所有设备的电压和电流实时信息(通过监测得到的电压和电流也可以得到整个系统的功率信息),一方面实现对电网的实时优化和调度,另一方面通过监测得到的电压和电流实时信息可以及时发现和消除系统故障,防止事故扩大而出现大系统的停电事故。本文主要讨论智能电网中电流的传感和量测技术发展的要求和新趋势。1电力能源规划技术1.1电流和电压监测目前,变电站内的电气设备布置集中、通信便利,因此变电设备的实时监控较为全面、先进;而输电、配电线路及设备分布较为广泛,绝大部分电气设备尚未实现有效的实时监控。这是因为在电网各级输配电系统中,包含的线路长度达到数百万km,电气设备种类繁多、数量巨大,而且在地理位置分布上非常广泛,要实现所有线路及电气设备状态的实时监控,难度很大。而实现输配电线路的全面监控对于网损测量、潮流控制以及故障的快速检测和定位均具有重要的意义。目前电网中最常用的电流信号监测传感器是基于线圈绕组式变压器原理的电流互感器(CT)。现有的传统电流互感器存在较大的局限性:1)体积较大,难以安装到空间有限的输、配电线路上;2)制备成本较高,耗费大量金属资源,大规模使用不够经济;3)功能单一,仅适用于工频交流信号,对于直流、暂态以及高次谐波等信号,均无法量测。随着半导体技术的发展,霍尔效应(Halleffect)传感器作为一类新型传感器在电力系统电流测量中已得到越来越广泛的应用。光纤的出现和技术的发展,使得光纤式电流传感器(opticalfibercurrenttransducer,OFCT)成为电流传感器发展的另一大趋势。近年来随着磁电子器件的快速发展,基于巨磁电阻(giantmagnetoresistive,GMR)效应的传感器则为智能电网的在线电流监测提供了一种新的选择。1.2电流传感器gmr几种常见传感器的性能比较如表1所示。其中传统的电流传感器有CT、罗氏线圈、Hall传感器等,新型的传感器有光纤和GMR传感器。由表1可知,对于输电线路或配电线路上的分布式测量而言,GMR电流传感器具有广阔的应用前景。其与传统电磁式电流互感器相比,具有能够测量直流到高频(MHz量级)的电流信号、测量范围宽、灵敏度高和体积小等优点,尤其是GMR能够测量直流电流,这对于直流输电系统中换流站中直流的监测极为有利;与Hall元件相比,其体积较小,灵敏度高,且具有更好的温度稳定性,能够适应电网环境温度的剧烈变化;与新型光纤电流传感器相比,其结构简单、制造简便且造价低廉,便于大规模推广使用。GMR电流传感器的以上优点,适合于智能电网的分布式测量和数据采集,分布监测全电网正常工作和事故状态下的电流,借助先进的通信手段,实现智能电网的分布式实时监测。在智能电网的应用中,利用GMR电流传感器替代传统的电磁式互感器,用于监测输电线路、变电站、配电网络和用电侧电流的分布式测量中。通过先进的通信技术将信号采集到监控中心并作出相应的反馈,可以实现全电网电流的实时监测和调度。21mr电流传感器2.1r-100mr电流传感器2.1.1巨磁电阻gmr效应GMR传感器基于巨磁电阻效应,即在外磁场的作用下传感器电阻会发生巨大的变化,如图1所示,当磁场为零时,GMR材料的电阻最大;在磁场正向或者负向增大时,GMR材料的电阻均减小,且不同结构材料电阻下降的百分比不同。从1988年发现GMR效应以来,巨磁电阻GMR效应的应用已处于开发及实用化阶段,GMR传感器首先在硬盘磁头上成功实现了商品化。除直接测量磁场以外,GMR传感器在电流、位移、线速度、角度、角速度和加速度等物理量的测量和生物检测上也得到应用[9,10,11,12,13,14,15,16]。2.1.2闭环式gmr电流传感器的测量原理GMR电流传感器是一类利用GMR效应测量电流的装置。按照测量原理,GMR电流传感器可分为开环传感器和闭环传感器。开环式GMR电流传感器通过直接测量长直导线上电流产生的磁场来测量电流。如图2所示,电流方向与传感器的敏感轴方向正交,电流产生的磁场方向与敏感轴方向平行。假设流经导线的电流为I,传感器距离导线的距离为d。当电流变化时,磁场随之变化,GMR的电阻也发生变化,利用电桥结构将电阻的变化输出为一个电压信号。由于GMR电阻和磁场之间具有线性变化规律,输出的电压正比于被测电流,从而实现电流信号的测量功能。相比于开环式传感器,闭环式GMR电流传感器多了一个由运放和反馈线圈组成的反馈回路,如图3所示。其工作原理为:GMR元件放置在环形铁心的空隙中,让被测电流I所产生的磁通Φ集中穿过GMR元件,由于GMR效应在GMR元件的电压端上产生电压U,此电压再经放大输送到磁芯的补偿线圈,在补偿线圈中即产生磁通Φ0,当磁通Φ0完全补偿被测电流产生的磁通Φ时,电流I0就能通过取样电阻R上的电压Uout反映出,而待测电流I也可以通过Uout测出。运用该磁场反馈方法可改善传感器的线性度,并增宽动态测量范围。然而,集成反馈线圈的方法会使器件能耗大量增加,并使器件工艺更加复杂。此外,由开环式GMR电流传感器的测量原理可知,其输出电压信号正比于被测电流,同时正比于流经GMR传感器的电流。一般情况下,GMR电桥的输入电阻可视为恒定,输出信号正比于被测电流与电桥输入电压的乘积。输入电压恒定时,GMR传感器为电流传感器;当输入电压为被测元件的电压时,GMR传感器可作为功率传感器使用,如图4所示。2.2r-mor电流传感器的材料系统和电桥结构2.2.1gmr磁电阻体系现阶段GMR电流传感器的研究主要集中在材料设计、电桥结构设计以及性能研究上[16,17,19,20,21,22,23,24,25,26]。如图5所示,GMR的磁电阻体系主要包括多层膜结构、自旋阀结构、磁隧道结多层结构(magnetictunneljunction,MTJ)和颗粒膜结构。各种GMR磁电阻体系的性能指标如表2所示,不同体系的GMR性能差别很大,饱和磁场和灵敏度相差巨大。即使是同一种材料,微结构的不同也会导致性能的巨大差异。在实际应用中应根据所测量电流信号的量程范围来合理选择材料体系。2.2.2材料体系的选择GMR电流传感器一般采用电桥结构,其典型结构如图6所示。单电桥的灵敏度最低,一般为提高GMR的灵敏度,多用2个单电桥组成半电桥结构。半电桥结构利用软磁材料将R2和R3进行磁屏蔽,只有R1和R4会随着外磁场变化,同时软磁材料起到放大R1和R4处磁场的作用,其适用于各种材料体系。全电桥结构的放大倍数最大,但只能用于存在双极性输出的材料体系,如自旋阀(SV)和磁隧穿结(MTJ)材料等。对于只有单极性输出的材料(如多层膜(ML)材料),只有通过增加偏置磁场才能使之应用于双极性输出的测量,不过这样就会使得其线性范围缩小为原来的1/2。因此电桥结构的选择是与所选用的材料体系紧密相关的。值得注意的是,理论上只有采用恒流源给电桥供电时,输出电压与电阻变化才呈线性关系。实际应用中多采用电压源供电,对于单电桥和半电桥而言,输出电压只能近似视为与电阻的变化呈线性关系。3r-kg通信性能研究3.1gmr传感器的时域响应主要研究直流和工频电流激励下不同体系GMR传感器的线性范围、线性度、灵敏度和磁滞等。测量大电流时,可以选用ML结构;而测量小电流时,用SV和MTJ结构即可。图7为ML结构GMR在直流磁场作用下的传感特性曲线。可以看出,ML的传感曲线呈轴对称,在每个半轴上都存在线性区和饱和区,其中线性区是可以用作模拟量测量的区域。图8为在工频电流激励下,GMR传感器输出电压对电流的时域响应。此时GMR处于线性区,输出电压与输入电流呈线性关系,由于其传感曲线的轴对称特性,无法辨识交流电流的方向。3.2磁场激励下输出电压主要研究不同角度的磁场激励下GMR传感器的响应特性。GMR的电阻随着2个磁层之间磁矩方向的夹角发生正弦变化,在夹角为0°时电阻最小,夹角为180°时电阻最大。在同一磁场激励下,不同角度导致输出电压的变化。利用这个原理可以测量磁场的角度。3.3gmr响应特性研究不同频率的电流激励下GMR传感器的响应特性。实验表明,在直流到MHz量级的频率范围内,GMR具有良好的响应,这是由于GMR效应是基于磁场的旋转和移动,其响应时间非常短(ns级),能够测量从直流到极高频的电流信号。3.4高频电磁干扰研究电网电磁环境对于传感器性能的影响以及电磁屏蔽的方法。在实际电网中,暂态过程如雷电、操作和短路电流均会产生很强的电磁干扰,高频信号容易通过分布电感和电容耦合进电路,从而对测量产生影响。因此在研究GMR传感器时应特别考虑电磁兼容的问题。3.5化及温度补偿策略主要研究温度变化时GMR传感器性能的变化及温度补偿策略。GMR具有负的电压温度系数,在电网应用中要使得其能够适用于不同的环境温度,必须采用相应的温度补偿策略。4100mr电流传感器广泛应用于智能电网4.1正常电流、故障及暂态电流一个完整的电网体系可分为发电、输变电、配电和用电几部分,不同部分中电流值大小不同。按照智能电网中监测电流的大小,可将测量对象分为正常工作电流、故障及暂态电流和中小电流3类。正常电流包括直流和交流线路及设备的正常工作电流,该类电流的特点是持续时间长,频率为直流或工频,幅值适中,如表3所示;故障及暂态电流包括短路电流、雷电/操作/工频过电流等,其特点是幅值大、时间短、频率高(几百kHz),如表4所示;中小电流则包括系统高次谐波、电气设备(如避雷器、绝缘子等)的泄漏电流等,该类电流持续时间长,幅值较小,如表5所示。4.2100mr电流传感器广泛应用于智能电网1放电冲击电流输电线路、变电站及换流站的电流监测对象主要包括正常直流、工频工作电流、谐波电流、工频过电流、短路电流、操作冲击电流和雷电冲击电流等。正常工作电流的幅值通常在几个kA,各类过电流的幅值更大,通常在几十kA甚至上百kA,且持续时间很短,需要量程和响应速度均能满足要求的传感器进行量测。GMR电流传感器的磁电阻体系中,多层膜和颗粒膜体系的线性范围均能满足大幅值电流测量的要求,并且其频率响应可达到几MHz甚至更高,能够满足测量暂态电流的要求。2安塞避雷器泄漏电流绝缘监测的对象主要包括线路和变电站内的避雷器和绝缘子的泄漏电流,通过监测这些电气量来表征限制故障电流和防御过电压的电器的性能。在正常工作条件下,氧化锌避雷器总泄漏电流只有几百µA到几个mA;在湿度较低及污秽程度较轻的情况下,绝缘子泄漏电流幅值较小,一般不超过1mA。而在线路过电压状态下,泄漏电流变化较为激烈,其幅值将超过10mA,绝缘子泄漏电流的报警值大约为几十mA到几百mA。此类电流的特性是幅值很小,且一直存在。对于mA级小电流的量测,利用自旋阀和TMR体系可以保证其精度的要求;但是对于µA级的泄漏电流,目前的GMR传感器无法直接测量,需要将电流放大至mA级才能满足其测量精度。3智能电阻中的功率监测在配电和用电侧,GMR功率传感器也可用于监测功率的智能电表中。采用自旋阀和TMR等精度较高的传感器替代目前使用的电磁式电表,将大大提高电表的灵敏度。4换装置的应用GMR传感器虽然是电流传感器,但可通过转换装置使得其也能应用于电压测量。例如利用电压/电流转换电路将电压信号转换为电流信号,从而实现GMR传感器对于电压的监测。4.3gmr传感器的测量实验在实际电网环境的应用中GMR电流传感器依然存在着一些限制其推广应用的问题,其中电磁兼容和温度补偿的问题最为突出。1)由于GMR传感器的输入和输出均为电学信号,电磁兼容的问题不可避免,需要采取绝缘、屏蔽和滤波多种手段减小干扰信号。2)受到架空输电导线温度和气候条件的影响,GMR传感器需要在很宽的温度范围内工作,其温度稳定性至关重要。目前GMR的电压温度系数的典型值为(-0.1~-0.4)%/℃,该系数不足以满足实际电网的要求,需要采取软件或者硬件的方式进行温度补偿,进一步减小其温度系数。有文献报道经过补偿后GMR的