基于磁电层合材料的电流传感器研究及应用

摘要

“泛在电力物联网”背景下，需要对电网状态评估、故障定位和调度等方面进行大量优化。在新形势下，基于现有电流测量手段的局限性，亟需一种新型的非侵入式自供电无线电流传感技术，用以获取电网的电流信息及对其状态在线监测，保证电网的安全运行。具有无源、结构简单、室温下拥有较高磁电系数的磁电层合材料是制备新型电流传感器的理想敏感元件。虽然之前的研究已通过对材料性能、结构方式和外部约束方式等优化，使磁电传感器的性能获得了一定的提升，但目前磁电式电流传感器仍然存在灵敏度不高、依赖偏置磁场、谐振频率和偏置磁场不可调等问题。　　鉴于此，本文提出了一种自偏置小电流传感器和一种偏置可调小电流传感器，并通过理论和实验的方法分析了其性能。最后，基于不同磁芯的仿真结果，研制了一种磁电式大电流传感器，并搭建了无线电流测量系统，将其进行实际应用。本文的主要成果和结论如下：　　1.提出了一种基于SrFe12O19/FeCuNbSiB/PZT的自偏置磁电小电流传感器，具有大矫顽磁场的SrFe12O19带向FeCuNbSiB磁致伸缩材料提供偏置磁场，用以增强其磁矩重定向能力，提高了传感器灵敏度。根据实验数据，提出的传感器在50Hz电流下的灵敏度为198.91mV/A，并且具有良好的线性度，其分辨率小至0.01A。　　2.基于FeCuNbSiB/PZT磁电材料，提出了一种具有偏置可调磁汇聚器的小电流传感器。磁汇聚器提供的直流偏置磁场可在一定范围内调节，用以向磁电材料提供最优偏置，并且该新型磁汇聚器降低了整个磁路的磁阻，提升了灵敏度。另外，传感器的谐振频率可以调节，以实现测量不同电流频率均具有较大灵敏度。实验结果表明，提出的传感器在50Hz电流下的灵敏度约为246.71mV/A，线性度约为±0.98%(R2=0.9982)。　　3.根据COMSOL?中的仿真结果，并基于Terfenol-D/PZT/Terfenol-D磁电材料制备了磁电大电流传感器，相比传统电磁式互感器，其测量范围更宽(50–1000 A)，测量角差更小。并将其应用于搭建的具有自供电功能的无线电流测量系统。根据测试，在被测电流100-600A范围时，系统的测量误差不大于±1%，采样率小至1秒。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 研究现状与综述

1.2.1 非接触电流测量技术

1.2.2 磁电器件研究现状

1.2.3 磁电电流传感器研究现状

1.3 本文的研究内容及章节安排

第2章 磁电效应基础及磁电敏感元件的制备分析

2.1 磁电效应基础理论

2.1.1 磁电材料

2.1.2 磁电效应的分析方法

2.1.3 影响磁电层合材料性能的参数

2.2 Terfenol-D/PZT/Terfenol-D磁电敏感元件制备

2.3 磁电敏感元件测试系统

2.4 磁电层合材料的磁电性能测试

2.4.1 偏置磁场对输出的影响

2.4.2 交变磁场频率对输出的影响

2.4.3 偏置磁场对谐振频率的影响

2.4.4 零偏置下的探测性能

2.5 本章小结

第3章 不同结合面磁芯的仿真研究

3.1 COMSOL(R)简介

3.2 电磁场基础理论

3.2.1 麦克斯韦方程组

3.2.2 电磁理论中的势

3.2.3 边界及连续性条件

3.3 建模分析步骤

3.3.1 几何模型

3.3.2 材料及边界条件设置

3.3.3 网格划分

3.3.4 求解及后处理

3.4 结果分析

3.4.1 气隙距离的影响

3.4.2 导线位置偏移的影响

3.5 本章小结

第4章 基于层合磁电材料的小电流传感器

4.1 自偏置小电流传感器

4.1.1 传感器结构

4.1.2 工作原理

4.1.3 实验设置

4.1.4 实验结果分析

4.2 偏置可调的小电流传感器

4.2.1 传感器结构

4.2.2 磁汇聚结构理论分析

4.2.3 实验设置

4.2.4 实验结果分析

4.3 本章小结

第5章 磁电式大电流传感器及应用

5.1 磁电式大电流传感器

5.1.1 传感器结构及原理

5.1.2 传感器性能测试

5.2 无线电流测量系统

5.2.1 有效值保持模块

5.2.2 CT在线取能模块

5.2.3 4G RTU模块

5.2.4 系统实物及监测界面

5.3 无线电流测量系统测试分析

5.4 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果