一种基于隧道磁阻元件的弧后电流测量方法

摘要

本发明属于弧后电流测量技术领域，涉及一种基于隧道磁阻元件的弧后电流测量方法。本发明采用TMR元件测量弧后电流，响应速度达到μs级、灵敏度达到mV/Oe，适合高频微电流的检测。且TMR元件提供差分电压输出，可消除温度对电流测量的影响。本发明实现了非接触式测量，提高了测量的安全性。且将待测的电流量转化为磁场量测量，不改变断路器装置原有结构。

说明书

技术领域

本发明属于弧后电流测量技术领域，涉及一种基于隧道磁阻元件的弧后电流测量方法。

背景技术

真空断路器以其优异的熄弧性能在中低压领域得到了广泛应用。测量真空断路器开断后的弧后电流，可以研究和优化真空断路器的开断特性。

真空断路器在开断大电流时，电流过零后弧隙间存在残余等离子体，在暂态恢复电压(Transient Recovery Voltage，TRV)的作用下，弧后各种粒子的迁移输运特性构成弧后特性，其具体表征为存在弧后电流。弧后电流是真空断路器开断性能的重要参量。断路器的弧前电流(电弧电流)一般为kA量级，而弧后电流较小，一般为mA量级，弧前电流和弧后电流相差较大(达10

目前，弧后电流的测量方法主要有以下几种：(1)同轴分流器、机械开关和保护间隙并联构成的电流转移测量方法。传统的方法依靠精确控制机械开关在电流过零前分闸，机械开关弧阻远大于同轴分流器阻值，主电流瞬间由机械开关向同轴分流器转移完成，同轴分流器负责测量转移完成后的主电流和弧后电流。该方法对机械开关分闸精度要求高，且同轴分流器测量存在对地干扰信号，影响测量精度。(2)在合成试验回路中，直接通过测量电压源回路电流获得弧后电流。由于电压源回路叠加电流源峰值远小于主电流，且频率在1kHz左右，使用高精度的电流传感器测量电压源回路电流及弧后电流对同轴分流器热容量要求低，但电压源回路参数及对地干扰信号的存在会影响其精度，且该方法无法实现直接开断试验的测量需求。

发明内容

本发明的目的在于针对现有的弧后电流测量方法涉及装置结构复杂、对地干扰信号的存在影响测量精度等不足，设计一种基于隧道磁阻元件的弧后电流测量方法，实现了弧后电流的精确测量。测量装置采取差分输出，可有效消除对地信号和温度变化对测量结果的干扰。

本发明的技术方案：

隧道磁阻元件(TMR)传感器的测量原理如下：

TMR传感器输出的感应电压U

U

U

其中，k

对于通电直导线，磁感应强度和电流遵循如下关系：

其中，μ

对于通电线圈，轴线上的磁感应强度与电流遵循如下关系：

其中，n为线圈匝数。β

一种基于隧道磁阻元件的弧后电流测量方法，步骤如下：

步骤一：按图1所示搭建弧后电流测量装置。电压探头测量断路器电压并传输至示波器。TMR测量装置输出的电压U

步骤二：断路器处于闭合状态。电压探头测得的断路器电压极性为正。在无磁场作用下，TMR测量装置输出的电压U

步骤三：断路器开断。开断断路器时，电压探头测得的断路器电压极性将由正变为负。根据断路器电压极性翻转的时刻，可区分弧前电流和弧后电流。电压极性为正时，电流为弧前电流；电压极性为负时，电流为弧后电流。断路器开断瞬间产生的电流会产生磁场，在磁场作用下，TMR测量装置输出的电压U

步骤四：若电流流经直导线，根据导线与TMR元件的相对位置测量得到元件到电流的距离a、电流始端和终端与元件的夹角θ

所述基于TMR的弧后电流测量装置方框图如图1所示，包括如下装置：断路器、TMR测量装置、示波器；所述断路器一端与电压探头相连；另一端与TMR测量装置相连；所述TMR测量装置一端与断路器相连，测量由断路器电流产生的磁场场强大小；另一端与示波器相连；所述电压探头一端与断路器相连，测量断路器断口的电压；另一端与示波器相连；所述示波器一端与断路器相连，记录断路器开断前后的电压变化；另一端与TMR测量装置相连，记录TMR测量装置的输出电压。

所述TMR测量装置电路图如图2所示，包括如下装置：稳压电路、TMR测量电路；所述稳压电路包括电容C1、C2、C3、C4，起到稳定电压和滤除杂波的作用，稳压芯片U

TMR传感器差分输出的感应电压U

ΔU＝|U

根据所述示波器接收到的断路器开断电压变化，可判断出断路器开断的时间节点，进而保留开断电流中的弧后电流I部分作为研究。

综上所述，电压差值ΔU与弧后电流I存在如下关系：

当采用通电直导线方式测量时，有：

当采用通电线圈方式测量时，有：

电流计算流程如图4所示。

本发明具备的有益效果：

1.本发明采用TMR元件测量弧后电流，响应速度达到μs级、灵敏度达到mV/Oe，适合高频微电流的检测。且TMR元件提供差分电压输出，可消除温度对电流测量的影响。

2.本发明实现了非接触式测量，提高了测量的安全性。且将待测的电流量转化为磁场量测量，不改变断路器装置原有结构。

附图说明

图1是弧后电流测量装置方框图。

图2是TMR测量装置电路图。

图3是TMR测量装置结构主视图。

图4是电流计算流程图。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

一种基于隧道磁阻元件的弧后电流测量方法，其特征在于，步骤如下：

步骤一：搭建TMR的弧后电流测量装置，电压探头测量断路器电压并传输至示波器；TMR测量装置输出的电压U

步骤二：断路器处于闭合状态；电压探头测得的断路器电压极性为正；在无磁场作用下，TMR测量装置输出的电压U

步骤三：断路器开断；开断断路器时，电压探头测得的断路器电压极性将由正变为负；根据断路器电压极性翻转的时刻，可区分弧前电流和弧后电流；电压极性为正时，电流为弧前电流；电压极性为负时，电流为弧后电流；断路器开断瞬间产生的电流会产生磁场，在磁场作用下，TMR测量装置输出的电压U

步骤四：若电流流经直导线，根据导线与TMR元件的相对位置测量得到元件到电流的距离a、电流始端和终端与元件的夹角θ

当采用通电直导线方式测量时，有：

当采用通电线圈方式测量时，有：

所述基于TMR的弧后电流测量装置包括：断路器、TMR测量装置和示波器；所述断路器一端与电压探头相连；另一端与TMR测量装置相连；所述TMR测量装置一端与断路器相连，测量由断路器电流产生的磁场场强大小；另一端与示波器相连；所述电压探头一端与断路器相连，测量断路器断口的电压；另一端与示波器相连；所述示波器一端与断路器相连，记录断路器开断前后的电压变化；另一端与TMR测量装置相连，记录TMR测量装置的输出电压。

具体的，电压探头测得的断路器电压传输至示波器，而断路器开断前后的电压极性相反，根据这一特征可判断出断路器开断的时间点，进而区分弧前电流和弧后电流。

示波器接收TMR测量装置输出的电压U

当测得的输出电压较小时，可选择带铁芯的通电线圈测量以增强磁场强度。

根据推导出的关系式