陈玲君，徐少华
（绍兴职业技术学院，浙江 绍兴 312000）
近年来，随着新的发电方式和储能方式的推广使用，如新能源大量使用可控硅、整流和变频设备等，交流电网的直流分量呈上升趋势。在直流分量作用下，电磁式电流互感器的主磁通为直流磁通与交流磁通的叠加，直流分量全部用来励磁。由于铁芯励磁特性的非线性，直流分量的增加，使得励磁电流呈现正负半周不对称的形状，产生大量谐波。这些都将直接影响电力系统中采用电磁感应原理工作的设备。一旦发生测量失误，将导致电力部门或用电部门亏损。
随着隧道磁阻传感器的快速发展，国内外学者对基于隧道磁阻效应的电子式电流传感器开展了深入研究。天津大学陈晓芳[1]研究了隧穿磁阻（Tunneling Magnetoresistance，TMR）电流传感器复杂电磁环境抗干扰技术，重庆理工大学马绍波[2]研究设计了基于隧穿磁阻效应电流传感器的绝缘子泄漏电流检测系统，南京理工大学史轮[3]仿真分析了闭环隧道磁电阻电流传感器在直流电源配电网中的适用性，天津大学刘卿[4]研究了隧穿磁阻电流传感器失调与噪声消除技术，电子科技大学陈亚锋[5]研究了基于TMR传感器的大电流测量技术，东南大学单婷婷[6]研究了基于机器学习及隧穿磁阻传感器测量技术的空间电荷分布，兰州大学芮胜骏[7]研究了基于TMR的开环数字式电流传感器的动态范围和精度。由上述分析可见，尽管众多学者已经在隧道磁阻效应的电子式电流传感器上面做了许多尝试，但几乎没有具体给出抗直流分量和偶次谐波影响的误差特性。
本文设计的隧道磁阻效应电流传感器，使用TMR磁场传感器放置于圆形铁芯的一个缺口处，用来测量铁芯内的磁通量，并通过运算放大器将补偿线圈的一端电压改变，从而测量另一端测量电阻上的输出电压，通过改变端点电压的方式抵消感应磁场产生的感应电压，从而可大大提高测量的灵敏度，能有效实现直流和偶次谐波在功率因数0.5 L下误差影响量不超过1.0%（功率因素0.5 L表示负载呈感性功率因素为0.5）。
在直流分量作用下，电磁式电流互感器的主磁通为直流磁通与交流磁通的叠加，直流分量全部用来励磁。由于铁芯励磁特性的非线性，直流分量的增加，使得励磁电流呈现正负半周不对称的形状，产生大量谐波。传统的电流互感器的传变特性变差，最终使铁芯饱和，导致误差增大，使电能计量的准确性受到影响。对正弦半波波形进行分析，直流含量为基波含量的60%以上，是最为严重的直流偏磁状态[8]。
参照国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）制定的IEC 62053-21标准，国内提出了《电测量设备（交流） 特殊要求 第21部分：静止式有功电能表 (A级、B级、C级、D级和E级)》（GB/T 17215.321—2021）标准，三相直接式电能表在直流和偶次谐波条件下的影响量试验，在功率因素0.5L的情况下，电能表误差要小于3%[9]。
为确保交直流分量下电流互感器的误差测量性能，现有的电磁感应式抗直流分量电流互感器一般采用双铁芯或特殊材料单铁芯作为铁芯材料。功率因数1.0时，测量误差不高于3%，满足标准要求。其波形如图1所示。
图1 功率因数1.0时的波形
功率因数0.5L时，由于铁芯励磁的非线性，再受功率因数影响，角差测量存在偏差，测量误差在+10%以上，不能满足标准要求。如采用软件补偿，无法精准捕捉测量点角差，精准补偿有难度[10]。
2.1 结构设计
隧道磁阻效应电流传感器结构受霍尔电流传感器的启发，运用隧道磁阻（TMR）技术利用磁性多层膜材料磁电阻效应[11]，以感应磁场强度来准确测量电流、位置、方向等物理参数，主要分为开环式和闭环式两种。采用闭环式，如图2所示，隧道磁阻效应电流传感器主要包括TMR磁场传感器、磁芯、补偿线圈、运算放大器及测量电阻等。补偿线圈围绕在磁芯上，磁芯旋转在电线周围且保持同心并具有一个缺口，TMR磁场传感器位于铁芯缺口中心位置且保持水平，用于检测从铁芯处产生的磁场，如图3所示，单个TMR磁场传感器由4个TMR按电桥方式连接并输出相对应的电压信号。当电流稳定时，铁芯内磁通量稳定，上下两侧TMR线性磁场传感器输出电压幅值相等；
当电流增大时，铁芯内磁通量增大，上侧TMR线性磁场传感器输出电压大于下侧；
当电流减小时，铁芯内磁通量减小，上侧TMR线性磁场传感器输出电压小于下侧。因此，可以通过检测两侧TMR传感器的压差实现电流测量[12]。
图2 电子式电流传感器结构原理图
图3 TMR磁场传感器全桥结构
2.2 电子式电流传感器原理
电子式电流传感器的电学模型如图4所示。
图4 电磁互感原理图
当电线中存在电流时，补偿线圈中存在的磁感应强度[8]为
式中：B为磁感应强度，μ0为铁芯的磁导率。通过线圈的磁通量为
式中：S为补偿线圈截面积。可得到线圈输出的电压为
式中：kB为灵敏度系数，N为线圈的匝数。
TMR线性磁场传感器当外加敏感方向磁场强度-8～8 mT时，TMR线性磁场传感器输出电压与磁场强度成正比，灵敏度可达kB=31 mV/（V·mT）。
由于电线中存在着不稳定电流，将使补偿线圈内存在感应电势、内阻、电容，通过如图5所示的电学模型对感应电流进行分析，可得测量电阻电压为[13]：
图5 等效电路
对式（6）消去i′(t)后，进行拉氏变换并化简，得到：
从式（6）、式（7）、式（8）和式（9）可以看到，为了达到精确灵敏度，必须使得传递函数的幅值较小[14]。
为进一步获得直流和偶次谐波电流激励下测量数值与各相关要素之间的关系，搭建如图6所示的测试原理图，测试三相电能表校验检测。根据以上测试原理进行实物测试，试验样机及测试系统如图7、图8所示。试验样机由5只样表组成，分别是双磁芯抗直流分量互感器采样（以下简称电磁感应式电流互感器）的三相表、隧道磁阻效应电流传感器采样（以下简称电子式电流传感器）的三相表和三只锰铜采样的单相表（A相、B相、C相）。主要试验仪器包括三相电能表校验测试仪（输出交流电压为220 V，最大电流20 A）及MSO6014A型混合型号示波器等。三只单相表都采用锰铜分流器进行电流采样，在半波试验中不会受到直流和偶次谐波的影响，所以双磁芯抗直流分量互感器和电子式电流传感器分别采样的三相表，通过跟三只单相表的用电量总和比较就可以算出在半波试验中的误差。
图6 测试原理图
图7 电流传感器实物图
图8 试验样机及测试系统
表1 电表初始误差
在测试电压3×220 V，电流20 A，功率因数0.5L的半波测试条件下，测试5小时，结果如表2所示。可以看出，常用的双磁芯抗直流分量互感器采样三相表所采集的用电量为21.39 kWh，远远大于单相表A、单相表B、单相表C的用电量之和17.56 kWh，超出实际多计量21.8%；
电子式电流传感器采样的三相表用电量为17.57 kWh，基本与三只单相表的用电总和相等，超出实际多计量0.057%。
表2 直流（半波）测试条件一的测试结果
在测试电压3×220 V，电流20 A，功率因数1.0的半波测试条件下，测试9小时，结果如表3所示。可以看出，常用的双磁芯抗直流分量互感器采样三相表所采集的用电量为55.51 kWh，远远小于单相表A、单相表B、单相表C的用电量之和56.02 kWh，超出实际少计量0.9%；
电子式电流传感器采样的三相表用电量为56.01 kWh，基本与三只单相表的用电总和相等，超出实际少计量0.018%。
表3 直流（半波）测试条件二的测试结果
在测试电压3×220 V，电流20 A，功率因数0.8C的半波测试条件下，测试8小时，结果如表4所示。可以看出，常用的双磁芯抗直流分量互感器采样三相表所采集的用电量为42.29 kWh，远远小于单相表A、单相表B、单相表C的用电量之和45.71 kWh，超出实际少计量7.5%；
电子式电流传感器采样的三相表用电量为45.72 kWh，基本与三只单相表的用电总和相等，超出实际少计量0.022%。
表4 直流（半波）测试条件三的测试结果
试验结果表明，用电子式电流传感器采样的电表用电量基本与锰铜采样的电表用电量接近，误差基本为零；
而用电磁感应式电流互感器采样的电表在不同功率因数下计量都不准确，其在测试电压3×220 V，电流20 A下的误差如表5所示。
表5 电磁感应式电流互感器电表误差测试结果
在直流（半波）条件下测试，基于隧道磁阻效应的电流传感器采样的电表用电量基本与锰铜采样的电表用电量接近，误差基本为零，而电磁式电流互感器采样的电表在不同功率因数下计量都不准确。因此，电子式电流传感器能有效实现在直流和偶次谐波影响下的高精度电流采样，直接替换微型电磁式电流互感器。由此，基于隧道磁阻效应的电流传感器能够广泛应用于智能电网、新能源和广播电视设备领域的电流测量。
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