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1、(10)申请公布号 CN 103412176 A (43)申请公布日 2013.11.27 CN 103412176 A *CN103412176A* (21)申请号 201310353581.2 (22)申请日 2013.08.14 G01R 19/00(2006.01) (71)申请人 清华大学 地址 100084 北京市海淀区清华园 1 号 申请人 南方电网科学研究院有限责任公司 (72)发明人 胡军 欧阳勇 丁泽俊 王善祥 袁智勇 何金良 傅闯 曾嵘 张波 余占清 (74)专利代理机构 北京清亦华知识产权代理事 务所 ( 普通合伙 ) 11201 代理人 罗文群 (54) 发明名称 一。
2、种基于磁电阻的交直流避雷器电流实时在 线监测传感器 (57) 摘要 本发明涉一种基于磁电阻的交直流避雷器电 流实时在线监测传感器， 属于电力系统量测和在 线监测技术领域。本监测传感器中， 包括上磁环、 下磁环、 消磁校准线圈、 第一隧穿磁阻效应器件、 第二隧穿磁阻效应器件和信号处理系统。上磁环 和下磁环相互重叠形成双磁环结构， 消磁校准线 圈成 8 字型均匀缠绕在相互重叠的上下两个磁环 上。第一、 第二隧穿磁阻效应器件置于上、 下磁环 气隙中。信号处理系统分别与第一隧穿磁阻效应 器件、 第二隧穿磁阻效应器件以及消磁校准线圈 相连。 本监测传感器， 可以实时分析和监测避雷器 的全泄漏电流、 阻性。
3、泄漏电流和容性泄漏电流， 而 且工作可靠， 测量精度高。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103412176 A CN 103412176 A *CN103412176A* 1/1 页 2 1. 一种基于磁电阻的交直流避雷器电流实时在线监测传感器， 其特征在于该传感器包 括上磁环、 下磁环、 消磁校准线圈、 第一隧穿磁阻效应器件、 第二隧穿磁阻效应器件和信号 处理系统 ； 所述的上磁环和下磁环相互重叠形成双磁环结构， 所示的消磁校。
4、准线圈成 8 字 型均匀缠绕在相互重叠的上下两个磁环上 ； 所述的第一隧穿磁阻效应器件置于上磁环气隙 中， 敏感轴方向与磁环气隙垂直， 所述的第二隧穿磁阻效应器件置于下磁环中， 敏感轴方向 与磁环气隙垂直 ； 所述的信号处理系统分别通过信号线与第一隧穿磁阻效应器件、 第二隧 穿磁阻效应器件以及消磁校准线圈相连 ； 所述的上磁环、 下磁环、 消磁校准线圈、 第一隧穿 磁阻效应器件、 第二隧穿磁阻效应器件和信号处理系统集成在屏蔽绝缘保护盒内， 屏蔽保 护盒上设有穿孔， 避雷器地线穿越该穿孔 ； 所述的信号处理系统的电源端口、 测试端口和数 据传输端口伸出屏蔽绝缘保护盒。 2. 如权利要求 1 所示。
5、的传感器， 其特征在于其中所述的信号处理系统包括 ： 微控制器， 用于按设定周期产生脉冲信号， 以触发消磁校准电路 ； 用于接收信号处理电 路的调理信号， 计算避雷器泄漏电流中的全泄漏电流、 阻性泄漏电流、 容性泄漏电流， 计算 避雷器导通电流的导通电流大小、 导通时间以及累计导通次数， 将计算结果发送给信号传 输模块和测试端口 ； 消磁校准电路， 用于在微控制器的触发下产生一个高频幅值快速衰减的正弦交流电 流， 该正弦交流电流通入消磁校准线圈， 为隧穿磁阻效应器件和上下磁环消磁， 当微控制器 停止触发时， 消磁校准电路提供一个恒定校准用的偏磁电流 ； 信号调理电路， 用于对隧穿磁阻效应器件的。
6、差分输出信号进行调理， 包括低通滤波、 共 模抑制、 差分信号提取放大调理子电路 ； 信号传输模块， 用于接收微控制器的分析计算结果， 包括避雷器泄漏电流的全泄漏电 流、 阻性泄漏电流、 容性泄漏电流， 避雷器导通电流的导通电流大小、 导通时间和累计导通 次数， 并将分析计算结果远传到变电站在线监测中心， 提供避雷器的实时在线监测信息 ； 供能电源， 用于为传感器提供电源。 权 利 要 求 书 CN 103412176 A 2 1/5 页 3 一种基于磁电阻的交直流避雷器电流实时在线监测传感器 技术领域 0001 本发明涉一种基于磁电阻的交直流避雷器电流实时在线监测传感器， 尤其涉及一 种采用。
7、隧穿磁阻效应 （TMR） 磁电阻为传感元件的实时在线监测传感器， 属于电力系统量测 和在线监测技术领域。 背景技术 0002 避雷器是电力系统中一种广泛应用的基础设备之一， 为电力系统雷电过电压和操 作过电压等暂态过电压提供泄流通道， 保护电力系统重要设备免受冲击， 是电力系统安全 运行的必要条件。 避雷器在长期的运行中， 由于外界电、 热等因素的影响， 绝缘会发生老化， 导致性能下降。老化后的避雷器如不能及时发现， 暂态过电压的高能量极可能造成避雷器 爆炸， 同时损坏电力系统重要设备的绝缘， 甚至造成大面积停电事故， 给电力系统和社会生 产生活造成巨大经济损失。 0003 正常工作条件下避雷。
8、器的泄漏电流水平和动作次数表征了避雷器的性能， 因此对 避雷器的状态如 ： 泄漏电流水平， 阻性泄漏电流水平， 导通次数和导通时间等， 进行实时在 线监测， 可提前发现避雷器的绝缘缺陷， 提供预警， 并及时更换老化后的避雷器， 对电力系 统的安全运行具有重大意义。 0004 避雷器正常运行时的泄漏电流非常小， 在 10uA 1mA 级别， 而避雷器动作时的暂 态电流高达 10kA 100kA 级别。这对避雷器的在线监测传感器条件非常苛刻， 一般的避雷 器在线监测传感器主要有包括漏电计数器和泄漏电流传感器。两种设备分开安装， 独立运 行。且多数漏电计数器和泄漏电流传感器串联在避雷器的地线上， 这。
9、对避雷器的暂态过电 压保护有很大影响。同时通过线圈感应式的电流传感器无法测量直流电流， 同时对暂态流 过的大电流会感应出很高的电压， 可能损坏电流传感器。 发明内容 0005 本发明的目的是提出一种基于磁电阻的交直流避雷器电流实时在线监测传感器， 改变已有监测装置的结构， 以实现在线实时监测交直流避雷器的泄漏电流、 导通电流、 导通 次数、 导通时间等参数， 并通过后端微控制器单元分析泄漏电流的全泄漏电流、 阻性泄漏电 流和容性泄漏电流， 同时通过数据传输模块将避雷器在线监测信息传输到远方， 实现无人 值守智能化变电站的信息监控。 0006 本发明提出的基于磁电阻的交直流避雷器电流实时在线监测。
10、传感器， 包括上磁 环、 下磁环、 消磁校准线圈、 第一隧穿磁阻效应器件、 第二隧穿磁阻效应器件和信号处理系 统 ； 所述的上磁环和下磁环相互重叠形成双磁环结构， 所述的消磁校准线圈成 8 字型均匀 缠绕在相互重叠的上下两个磁环上 ； 所述的第一隧穿磁阻效应器件置于上磁环气隙中， 敏 感轴方向与磁环气隙垂直， 所述的第二隧穿磁阻效应器件置于下磁环中， 敏感轴方向与磁 环气隙垂直 ； 所述的信号处理系统分别通过信号线与第一隧穿磁阻效应器件、 第二隧穿磁 阻效应器件以及消磁校准线圈相连 ； 所述的上磁环、 下磁环、 消磁校准线圈、 第一隧穿磁阻 说 明 书 CN 103412176 A 3 2/5。
11、 页 4 效应器件、 第二隧穿磁阻效应器件和信号处理系统集成在屏蔽绝缘保护盒内， 屏蔽保护盒 上设有穿孔， 避雷器地线穿越该穿孔 ； 所述的信号处理系统的电源端口、 测试端口和数据传 输端口伸出屏蔽绝缘保护盒。 0007 上述监测传感器中， 所述的信号处理系统包括 ： 0008 微控制器， 用于按设定周期产生脉冲信号， 以触发消磁校准电路 ； 用于接收信号处 理电路的调理信号， 计算避雷器泄漏电流中的全泄漏电流、 阻性泄漏电流、 容性泄漏电流， 计算避雷器导通电流的导通电流大小、 导通时间以及累计导通次数， 将计算结果发送给信 号传输模块和测试端口 ； 0009 消磁校准电路， 用于在微控制器。
12、的触发下产生一个高频幅值快速衰减的正弦交流 电流， 该正弦交流电流通入消磁校准线圈， 为隧穿磁阻效应器件和上下磁环消磁， 当微控制 器停止触发时， 消磁校准电路提供一个恒定校准用的偏磁电流 ； 0010 信号调理电路， 用于对隧穿磁阻效应器件的差分输出信号进行调理， 包括低通滤 波、 共模抑制、 差分信号提取放大调理子电路 ； 0011 信号传输模块， 用于接收微控制器的分析计算结果， 包括避雷器泄漏电流的全泄 漏电流、 阻性泄漏电流、 容性泄漏电流， 避雷器导通电流的导通电流大小、 导通时间和累计 导通次数， 并将分析计算结果远传到变电站在线监测中心， 提供避雷器的实时在线监测信 息 ； 0。
13、012 供能电源， 用于为传感器提供电源。 0013 本发明提出的基于磁电阻的交直流避雷器电流实时在线监测传感器， 其特点和优 点是 ： 本发明的监测传感器中， 两个隧穿磁阻效应器件包括四个活动的磁电阻组成惠斯通 全桥结构， 四个磁电阻的敏感方向一致， 且垂直芯片上下表面。 两个隧穿磁阻效应器件量程 和灵敏度一大一小， 小量程高灵敏度的隧穿磁阻效应器件实时监测避雷器正常工作时的泄 漏电流， 大量程低灵敏度的隧穿磁阻效应器件监测避雷器导通泄流时的大电流。上下双磁 环结构和消磁校准线圈为隧穿磁阻效应器件提供稳定的磁场感应区域， 同时定期为隧穿磁 阻效应器件进行消磁和校准。 信号处理系统包括消磁校准。
14、电路、 信号调理电路、 微控制器电 路、 信号传输模块和供能电源。信号处理系统包括对巨磁阻效应器器件的输出信号进行调 理， 实时分析避雷器的全泄漏电流、 阻性泄漏电流和容性泄漏电流， 在避雷器导通时， 分析 避雷器的导通电流、 导通时间和累计导通次数， 同时经过信号传输模块远传到变电站在线 监测中心， 为变电站提供实时的避雷器状态信息。屏蔽绝缘保护盒为整个传感器提供绝缘 保护和机械保护， 同时屏蔽变电站内复杂的电磁环境， 提高测量精度。 附图说明 0014 图 1 是本发明提出的基于磁电阻的交直流避雷器电流实时在线监测传感器的结 构示意图。 0015 图 2 是图 1 所示的传感器的内部结构立。
15、体图。 0016 图 3 是本发明传感器中， 采用 8 字型将消磁校准线圈均匀缠绕于上下两个磁环上 的示意图。 0017 图 4 是图 1 所示的传感器中信号处理系统的电路框图。 0018 图1和图2中， 1是避雷器地线， 2是上磁环， 3是下磁环， 4是双磁环气隙， 隧穿磁阻 说 明 书 CN 103412176 A 4 3/5 页 5 效应器件置于其中， 5是消磁校准线圈， 采用8字型均匀缠绕于两个磁环上， 6是第一隧穿磁 阻效应器件， 置于上磁环气隙中， 敏感轴方向与磁环气隙垂直， 7 是第二隧穿磁阻效应器件， 置于下磁环中， 敏感轴方向与磁环气隙垂直， 8 是信号处理系统， 9 是电源。
16、端口， 输入 5V 15V 电源， 10 是测试端口， 用于传感器功能测试， 11 是数据传输端口， 根据变电站通讯方式 可选择 zigbee、 bluetooth、 wifi 或光纤传输模块， 12 是屏蔽绝缘保护盒， 分为三层， 内层采 用高导磁的软磁材料纳米晶合金， 中层采用高导电的金属材料铜， 外层为机械强度高且导 电的金属材料钢， 屏蔽保护盒有穿孔， 穿过避雷器地线， 13 是整个传感器内部空隙， 填充聚 乙烯等高绝缘强度材料。 具体实施方式 0019 本发明提出的基于磁电阻的交直流避雷器电流实时在线监测传感器， 其结构如图 1所示， 包括上磁环2、 下磁环3、 消磁校准线圈5、 第。
17、一隧穿磁阻效应器件6、 第二隧穿磁阻效 应器件 7 和信号处理系统 8。上磁环 2 和下磁环 3 相互重叠形成双磁环结构， 消磁校准线 圈 5 成 8 字型均匀缠绕在相互重叠的上下两个磁环上。第一隧穿磁阻效应器件 6 置于上磁 环 2 气隙中， 敏感轴方向与磁环气隙垂直， 第二隧穿磁阻效应器件 7 置于下磁环 3 中， 敏感 轴方向与磁环气隙垂直。 信号处理系统8分别通过信号线与第一隧穿磁阻效应器件6、 第二 隧穿磁阻效应器件 3 以及消磁校准线圈 5 相连。上磁环 2、 下磁环 3、 消磁校准线圈 5、 第一 隧穿磁阻效应器件 6、 第二隧穿磁阻效应器件 7 和信号处理系统集成在屏蔽绝缘保护。
18、盒 12 内， 屏蔽保护盒 12 上设有穿孔， 避雷器地线 1 穿越该穿孔。信号处理系统 8 的电源端口 9、 测试端口 10 和数据传输端口 11 伸出屏蔽绝缘保护盒 12。13 是整个传感器内部空隙， 填充 聚乙烯等高绝缘强度材料。 0020 本发明的监测传感器中， 信号处理系统的电路框图如图 4 所示， 包括 ： 0021 微控制器， 用于按设定周期产生脉冲信号， 以触发消磁校准电路 ； 用于接收信号处 理电路的调理信号， 计算避雷器泄漏电流中的全泄漏电流、 阻性泄漏电流、 容性泄漏电流， 计算避雷器导通电流的导通电流大小、 导通时间以及累计导通次数， 将计算结果发送给信 号传输模块和测。
19、试端口 ； 0022 消磁校准电路， 用于在微控制器的触发下产生一个高频幅值快速衰减的正弦交流 电流， 该正弦交流电流通入消磁校准线圈， 为隧穿磁阻效应器件和上下磁环消磁， 当微控制 器停止触发时， 消磁校准电路提供一个恒定校准用的偏磁电流 ； 0023 信号调理电路， 用于对隧穿磁阻效应器件的差分输出信号进行调理， 包括低通滤 波、 共模抑制、 差分信号提取放大调理子电路， 低通滤波子电路将隧穿磁阻效应器件的输出 信号进行滤波， 将差分输出信号的高频毛刺滤除， 共模抑制子电路将差分输出信号的共模 干扰信号滤除， 差分信号提取放大调理子电路， 将差分信号输出信号调理成 0 1V 的电压 输出信。
20、号， 供微控制器采集转换成数字信号 ； 0024 信号传输模块， 用于接收微控制器的分析计算结果， 包括避雷器泄漏电流的全泄 漏电流、 阻性泄漏电流、 容性泄漏电流， 避雷器导通电流的导通电流大小、 导通时间和累计 导通次数， 并将分析计算结果远传到变电站在线监测中心， 提供避雷器的实时在线监测信 息 ； 0025 供能电源， 用于为传感器提供电源。 说 明 书 CN 103412176 A 5 4/5 页 6 0026 以下结合附图， 详细介绍本发明监测传感器的结构和工作原理 ： 0027 图1和2是分别是基于磁电阻的交直流避雷器实时在线监测传感器的内部立体结 构和整体结构图。传感器通过屏蔽。
21、保护盒的穿孔安装在避雷器的地线 （1） 上。双磁环 （2， 3） 包括两个性能结构一样的磁环， 上下并排放置， 两个磁环有一个很小的气隙 （4） ， 避雷器 地线中的电流在气隙中心产生均匀稳定的磁场。消磁校准线圈 5 采用 8 字型绕法均与缠绕 于两个磁环上， 双磁环结构和 8 字型线圈绕法 （如图 3 所示） ， 一方面为双磁环 （2 和 3） 和巨 磁阻效应器件 （6 和 7） 提供消磁校准用的磁场， 同时对避雷器导通时的高频大电流不会感 应出高电压， 避免传感器损坏。 0028 隧穿磁阻效应器件共有两个， 分别至于两个磁环的气隙中心处， 气隙敏感轴方向 与磁环气隙垂直。 每个隧穿磁阻效应。
22、器件包括4个活动的磁电阻组成惠斯通全桥结构， 4个 磁电阻的敏感方向一致， 且垂直芯片上下表面。 隧穿磁阻效应器件的输出为差分电压信号。 从性能上划分， 隧穿磁阻效应器件6为小量程高灵敏度， 隧穿磁阻效应器件7为大量程低灵 敏度。 隧穿磁阻效应器件6实时在线监测避雷器的泄漏电流， 量程从10uA至1mA， 频率范围 从直流到 1MHz， 同时当避雷器导通时， 导通电流产生的大磁场使小量程高灵敏度的巨磁阻 效应器件输出饱和， 但不会损坏器件， 通过计算该器件饱和的时间和次数， 即可分析出避雷 器的导通时间和导通次数 ； 隧穿磁阻效应器件 7 实时在线监测避雷器导通时的导通电流， 量程从 100A。
23、 至 100kA， 频率范围从直流到 1MHz， 同时为分析避雷器的导通时间和导通次数 提供冗余的辅助依据， 确保测量有效性。 由于隧穿磁阻效应器件频率范围从直流到1MHz， 因 此适用于交流避雷器和直流避雷器。 0029 信号处理系统 8 包括消磁校准电路、 信号调理电路、 微控制器、 信号传输模块和供 能电源， 如图 4 所示。消磁校准电路使用 RC 衰减振荡电路和 AD8017 芯片 ； 信号调理电路使 用 AD8044 芯片 ； 微控制器使用 STM32F107 处理器。信号传输模块根据变电站具体的硬件环 境和通讯方式， 可选择为 zigbee、 bluetooth、 wifi 或光纤。
24、等传输模块， 更换方便 0030 微控制器定期 （周期可设定） 产生脉冲信号触发消磁校准电路， 使消磁校准电路产 生一个高频的幅值快速衰减的正弦交流电流通入消磁校准线圈， 为隧穿磁阻效应器件和双 磁环消磁 ； 当微控制器停止触发时， 消磁校准电路提供一个恒定校准用的偏磁电流。 0031 隧穿磁阻效应器件， 用于感应地线电流产生的磁场， 产生一个差分信号 ； 0032 信号调理电路， 用于将隧穿磁阻效应器件产生的差分信号调理成01V的电压信 号， 信号调理电路包括低通滤波、 共模抑制和差分信号提取放大调理子电路 ； 0033 微控制器， 用于接收信号处理电路的调理信号， 分析计算避雷器泄漏电流的。
25、全泄 漏电流、 阻性泄漏电流、 容性泄漏电流， 分析计算避雷器导通电流的导通电流大小、 导通时 间和累计导通次数， 同时将分析计算出的电流等信号按传输规约打包， 发送给信号传输模 块和测试端口 ； 0034 信号传输模块， 用于将微控制器模块分析计算的有用信号远传到变电站在线监测 中心， 提供避雷器的实时在线监测信息。信号传输模块根据变电站具体的硬件环境和通讯 方式， 可选择为 zigbee、 bluetooth、 wifi 或光纤等传输模块， 更换方便。供能电源为整个传 感器供电， 电源端口 9 电压输入为 5V 15V。 0035 屏蔽绝缘保护盒 12， 提供传感器在变电站内复杂电磁环境下。
26、的电磁屏蔽及绝缘保 护。 屏蔽绝缘保护盒分为三层， 屏蔽绝缘保护盒内层采用高导磁的软磁材料纳米晶合金， 中 说 明 书 CN 103412176 A 6 5/5 页 7 层采用高导电的金属材料铜， 外层为机械强度高且导电的金属材料钢。整个传感器内部空 隙 13， 填充聚乙烯等高绝缘强度材料。 0036 电源端口 9， 为传感器的电源输入端口， 可接 5V 15V 电源。 0037 测试端口 10， 传感器的实时监测数据的测试端口， 用于传感器功能测试。 0038 数据传输端口 11， 根据变电站具体的硬件环境和通讯方式， 可灵活选择为 zigbee、 bluetooth、 wifi 或光纤等传输模块连接， 更换方便。 说 明 书 CN 103412176 A 7 1/2 页 8 图 1 图 2 图 3 说 明 书 附 图 CN 103412176 A 8 2/2 页 9 图 4 说 明 书 附 图 CN 103412176 A 9 。