基于磁阻传感器的断路保护装置设计

1 绪论
研究背景及意义
智能电网的目标是实现电网运行的可靠、安全、经济、高效和环境友好[1]。电网的各级系统要实现智能化的核心技术关键是电力系统以及电气设备各种状态的特性的实时监测和调控。其中，智能电网检测中最重要的是检测设备的电压和电流的实时状况，不仅可以实现智能电网的实时优化，而且通过监测得到电压和电流的实时信息就能够及时发现并处理系统故障，防止因事故扩大而出现的停电事故。希望在较大故障电流发生时智能电网能够瞬时断电保护，但是目前为止许多保护器是通过检测负载的工作电流，当其值超过额定电流时才进行保护动作，然而只有当电流大于该额定电流数秒后，合金材料所产生的热量才能使之变形弯曲，让负载断开从而起到保护作用，这个过程需要一定的时间，对于断路保护来说，其灵敏度较差。对于满足智能电网故障过载电流的瞬动保护来说，智能断路保护开关在瞬动保护领域必须有较高灵敏度[2]。
虽然随着半导体技术的发展，霍尔效应（Hall effect）传感器在电力系统的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，也使光纤式电流传感器（OFCT）成为电流传感器发展的另一大趋势。但是近年来随着磁电子器件的快速发展，基于巨磁电阻（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[3]。巨磁阻传感器与AMR传感器及霍尔传感器相比具有物理尺寸小、线性范围宽、线性度好、灵敏度高、功耗低、价格低、温度稳定性高等优点；除此之外，十分弱小的磁场变化能够使巨磁电阻引起非常显著的电阻变化，其变化的幅度比通常高十几倍。因此它将逐步取代霍尔传感器和感应线圈传感器等传统产品，具有极为广阔的应用市场。
断路保护装置的高动态响应对于电网来说非常重要，本文基于巨磁阻传感器能够测量直流到高频的电流信号，测量范围宽，灵敏度高，体积小，温度稳定性好，结构简单，制造简便并且造价低廉等优点提出了一种断路保护装置设计方案，研究利用磁阻传感器以实现瞬态大电流的快速响应；并运用巨磁电阻对磁场的超强敏感性，经过一定的电路处理，控制继电器断电，从而实现智能电网过载电流条件下的高灵敏度断路保护。

  研究现状

1.2.1 巨磁阻研究现状
从1988年发现巨磁阻效应以来，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[4]。巨磁电阻（GMR）效应被发现后首先被用于计算机方面[5]，GMR在计算机硬盘中的应用，让硬盘的体积变得越来越小，容量也变得越来越大，这导致硬盘的容量和质量发生根本变化；而在计算机存储方面，人们研制了一种使用GMR的巨磁阻随机存取存储器（MRAM），以便在电脑关闭后，还可以保持完整的存储器，只有在外部磁场的影响下，才会改变存储数据，MRAM的应用大大节省了设备的生产成本。存储容量和CPU运行速度上都超过了半导体存储器。
目前，除直接测量磁场以外，GMR传感器还应用在物理量的测量和生物检测上[6-10]，如电流、位移、线速度、角度、角速度和加速度等，GMR传感器是巨磁阻效应一个十分重要的应用领域，因此GMR传感器的应用范围十分广泛。GMR传感器还可以应用在电流检测和漏磁检测等方面。巨磁电阻组成的差动全桥结构，将微弱的电阻变化转换为电压变化。差动全桥结构的灵敏度是单臂电桥灵敏度的4倍，是一种精度很高的测量方式。GMR能够感知平行方向的磁场，不能用来检测垂直方向的磁场，这样的结构可以减少外界环境对传感器输出稳定性的影响，从而增加传感器的灵敏度[11]。
GMR效应在某种程度上，它的应用受到了限制，因此巨磁电阻效应在作用机理等方面的理论还需要不断地完善[12]，各国科学家仍然需要继续深入研究。中科院物理所“九五”课题“磁膜和微结构”的研究取得了重要成果[4]，在当时发现的二十多种巨磁阻金属多层膜中，该课题组就发现了其中的3种。
1.2.2 断路保护装置研究现状
贲飞等人研究的压簧复位式断路器绝缘自动保护装置设计目的是为了解决高压交流真空断路器静触头在断路状态下因遭到意外而发生短路情况的出现[13]，使断路器无论是处于接通还是断开状态，都可以自动给断路器静触头加以保护。该装置利用弹簧的弹性变形特性，成功实现了断路器闭合时保护装置离开静触头，达到了断路器自动保护的效果。该装置的优点是便于人们观察断路保护动作是否到位，同时实现了装置的自动化，但其灵敏度较低，除此之外还要考虑外界因素导致的短路情况。
卢科军研究的基于带选择性保护小型断路器的自动闭合触头装置设计是针对一般的触头装置在带选择性保护小型断路器(SMCB)中应用的不足，提出了一种自动闭合触头装置的技术方案[14]。该设计采用旋转双断点自动闭合接触装置，主接触可以提供良好的接触压力，当发生短路时，主触头快速切断，电流转换为辅助电路，主触头保持在打开位置，使辅助电路受短暂延迟保护。该装置可确保可靠的接触压力，同时还具有高断开速度和限流能力，可实现快速闭合和高灵敏度。
除此之外，还有一些断路保护是基于热效应的，在过温或过流任一条件超过额定值时，均会迫使其中的熔丝发热，进而迅速达到设定温度点产生截断该电路装置的电流，达到保护电路安全的目的，但这种设计在测试时经常会发现温度点没有达到预定的目标值，总会出现提前保护的问题。
1.3 发展趋势
巨磁电阻的发现开辟了材料科学的新篇章，尽管目前仍处于探索与发展阶段，但是随着科技的快速发展和材料科学进一步的研究，GMR效应的研究和应用在未来肯定会获得更大的进步和更广阔的发展空间。
巨磁阻传感器具有很宽的频率范围，能够满足电力系统中各类电压和电流的监测需求[15]。GMR传感器灵敏度高、温度稳定性好、抗干扰能力强、体积小、能适应野外复杂的工作环境而且造价低廉，对于输电线路上的分布式实时监测而言具有广阔的应用前景。
在国内市场，断路保护装置行业的发展主要依靠固定资产投入的整体驱动，特别是涉及电力、工业投资以及城镇化推动房屋建筑建设等方面。固定资产投资的规模和增长率决定了整体水平上断路保护装置行业的市场需求规模和增长速度。受益于固定资产投入的快速增加，我国断路保护装置行业保持了稳定增长的良好趋势。近年来，虽然国内固定资产投入的增长速度有所缓慢，但是随着中国经济的快速发展和城市化的稳步推动，以及我国正努力促进工业化、信息化、城镇化和农业现代化的同步发展，从长远来看，固定资产投资仍将保持较大投资，断路保护装置行业整体需求将保持快速增长，因此，我国断路保护装置行业的发展前景将更加广阔。

1.4 章节安排
本研究的目的是设计一个具有高灵敏度的断路保护装置，即当电流发生过载时产生磁场，作用于巨磁阻传感器使之输出电压信号，经放大后触发断路保护控制模块，完成瞬时断路。本设计所做的主要工作以及章节安排如下：
第一章 绪论。介绍了基于GMR传感器的断路保护装置的研究背景及意义，GMR效应的研究现状，巨磁阻传感器的发展趋势以及断路保护装置行业的发展前景，通过对比已有设计方案的优缺点，提出了本设计说明书所介绍的设计方案。
第二章 基于磁阻传感器的断路保护装置方案设计。本章主要介绍此次设计方案的具体内容，以及通过介绍巨磁阻传感器的特性与优点来解释选择巨磁阻传感器的原因。
第三章 调理与控制电路的硬件设计。设计了包括电源电路、放大电路的调理电路，介绍了AD转换以及单片机接收信号后的控制模块。
第四章 模拟断路保护装置实验的验证及结果分析。本章主要是用Multisum软件仿真验证调理电路，用Ansoft Maxwell软件仿真分析短路磁场情况，并用移动磁铁的方法来模拟短路电流所产生的磁场，当巨磁阻传感器的输出电压信号经过放大后达到单片机所设定的阈值电压，会导致蜂鸣器响、LED灯亮，完成瞬时断路保护装置的模拟。
第五章 总结及展望。总结了本设计说明书的具体研究工作，并指出本次课题的不足以及可能进一步改正的方案。

2 基于磁阻传感器的断路保护装置方案设计
本章主要介绍此次设计方案的具体内容，以及通过介绍巨磁阻传感器的特性与优点解释选择巨磁阻传感器的原因。
2.1 基于磁阻传感器的断路保护装置总体设计
本设计说明书所介绍的断路保护装置是利用巨磁阻传感器对电生磁场的瞬态响应，研究利用磁阻传感器实现瞬态大电流的快速响应，并利用单片机设计短路保护装置。该断路保护方法是当过载电流流过断路保护装置的导线，令U型软铁产生磁场，作用于GMR传感器，再利用传感器对磁信号的敏感反应，经过一定的电路处理，控制继电器断电，从而实现智能电网异常故障情况下的过载电流的瞬时断路保护。该设计装置在正常情况下，稳态电流流过GMR传感器，差动半桥输出的电压信号经过调理电路模块，输出低电平信号，未触动断路保护控制模块，电路正常工作；而当电路发生短路时，流过该装置的过载电流处于瞬时变化状态，差动半桥输出的电压信号经过调理电路模块，输出能够引起断路保护控制模块启动触发的电压信号，进而控制断路保护执行模块，实现电路断开。
在实际实验中，由于实验条件有限，用Ansoft Maxwell软件仿真分析短路磁场情况，要求所给的磁信号强度在一定阈值范围内，使变化的磁场强度可以控制在巨磁电阻有效的线性范围内，确认巨磁阻传感器的安装距离等，达到巨磁阻的响应范围。使巨磁阻传感器位于磁铁产生的磁场（模拟短路电流产生的磁场），利用巨磁电阻组成的惠斯通电桥结构，将微弱的电阻变化（信号）转换为电压信号，半桥结构相比于单臂电桥其变化的灵敏度提高2倍，是一种精度较高的测量方式；接着电压输出信号经过调理电路，用Altium Designer软件设计调理电路的原理图并进行电路的PCB设计；然后用Multisim软件对硬件电路进行仿真调试，隔直通交，避免直流信号对电路的误触发，滤去整流输出电压中的纹波，只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，确定放大电路的放大倍数是10倍左右，并能够产生单片机可处理的信号，得到由低电平跳变到高电平的电压信号，送入AD转换器模拟量输入端口，模拟量信号经AD转换器变为数字量信号并送至单片机内部，由单片机内部软件进行运算和处理，运算结果与设定的保护值进行比较，一旦符合条件，智能控制单元输出相应的电平信号，当输入高电平时继电器断开，输入低电平时继电器保持闭合状态，因此可用原理相同的LED灯的亮灭来代替继电器的控制，进而模拟电路异常故障情况下的过载电流断路保护。
断路保护装置设计的系统结构框图如图2.1所示。

图2.1 断路保护装置设计的系统结构框图
2.2 巨磁阻传感器
2.2.1 巨磁阻传感器的特性
双极性巨磁阻传感器芯片采用惠斯通电桥结构，在本次设计中采用半桥结构的巨磁阻传感器如图2.2所示，当向电桥供电后，在磁敏感方向如图2.3所示，加入磁场强度会引起电桥中电阻元件的变化，导致电桥输出端的电压产生相应的变化[16]，即传感器的输出电压变化量与外加磁场强度成正比。

电桥结构

原理框图

图2.2 惠斯通电桥

图2.3 磁敏感方向
当磁场为正方向的时候输出正向的差分电压，磁场为负的时候输出负的电压，根据输出的差分电压的正负可以用来判断被测电流的流向。在-10～10Gs范围内，输入和输出成线性关系。
基本的AA系列GMR传感器是通用的磁强计，在广泛的应用中，它们具有良好的线性度，具有很大的输出信号和外加磁场，除此之外，还具有布尔和线性温度特性。AA002的温度性能在不同激励源下输出电压与外加磁场的关系如图2.4与2.5所示。

图2.4 施加1mA电流源

图2.5 施加5V电压源

2.2.2 巨磁阻传感器的优点
GMR传感器的工作原理是巨磁电阻在一定范围磁场的作用下，其阻值会随着磁场的改变而产生相应的变化，GMR传感器与其他种类的传感器相比，具有能够测量DC和AC信号、良好线性度和高灵敏度等优点，尤其是GMR能够测量直流电流。
表2.1比较了各种传感器的性能，GMR传感器比大多数的传感器价格要低，并且具有良好的灵敏度和线性度、频率范围也较高，与使用最广泛的霍尔电流传感器相比，温度漂移小，不易受温度影响。除此之外，GMR传感器能够适应野外复杂的工作环境且造价低廉。因此在本次设计中采用GMR传感器。
表2.1 各类传感器性能对比
性能 罗氏线圈传感器 霍尔传感器 光纤传感器 巨磁阻传感器
测量原理 电磁感应 霍尔效应 法拉第磁光效应 巨磁阻效应
灵敏度 低 低 高 高
非线性度 0.05% 0.1%～1% 0.2% 0.001%～0.05%
测量电流范围 — 10mA~35kA 0A～3kA 1mA～10kA
频率范围 罗氏线圈:<1MHz DC～150kHz DC～300MHz DC～>1MHz
体积 小 小 小 小
价格 高 低 高 低
2.3 本章小结
本章主要介绍了此次设计方案的具体内容以及接下来所做的工作；介绍了GMR芯片的线性特性和温度特性；通过与其他类型的传感器对比，展现了GMR传感器的高灵敏度、良好的线性度、宽频率范围和小体积等优点。

3 断路保护装置硬件设计
第二章介绍了断路保护装置的方案设计，本章将从断路保护装置的硬件电路设计和程序设计两大部分介绍本次设计的具体实现。硬件部分包括电源模块和放大模块的调理电路设计；程序部分包括AD转换和控制模块的程序设计。
3.1 调理电路设计
3.1.1 电源模块设计
电源模块主要是为放大器提供1.25V的基准电压，电阻R1、R2、R3、R4起分压作用，分压后，ref_1和ref_2输出1.25V电压。系统电源模块电路如图3.1所示。

（a）稳压电路

（b）基准电压源
图3.1 电源电路
采用的稳压芯片是LP2985-18DBVR，因为价格便宜、外接电路简单、使用方便、噪声低和性能高效稳定等优点在电路设计中被广泛使用。在电路中旁路电容的主要作用是滤波。电压由外部的直流稳压电源提供。ADR431是基准电压源，在外界温度和输入电压等条件变化时能够为输出提供稳定电压，具有低噪声、高精度和低温漂移性能。

3.1.2 放大模块设计
放大模块采用AD8422仪表放大器，它的作用是放大GMR传感器的输出电压。经GMR传感器输出的电压值只有几十毫伏，电压值较小，需要对其进行放大处理，使其成为单片机可处理的信号，放大电路如图3.2所示。

图3.2 放大电路
设计中采用的芯片是AD8422，引脚图如图3.3所示和引脚说明如表3.1所示。它具有低功耗、低噪声、低失真和高精度的特点，AD8422的高CMRR、低漂移和轨到轨输出特性，使其成为测量惠斯登电桥信号的理想选择。AD8422使用superbeta输入晶体管和偏置电流补偿，提供极高的输入阻抗和低偏置电流，以及极低的电压噪声，同时只需300µA的电源电流。

图3.3 AD8422引脚图

表3.1 AD8422引脚说明
引脚编号 引脚名称 说明
1 -IN 负输入引脚
2,3 R_G 增益设置引脚。在R_G引脚上放置电阻来设定增益。G=1+19.8kΩ/R_G
4 +IN 正输入引脚
5 -V_S 负电源引脚
6 REF 基准电压引脚。使用低阻抗电压源驱动该引脚，实现输出电平转换
7 V_OUT 输出引脚
8 +V_S 正电源引脚
AD8422的放大倍数是可以改变的，通过改变电阻R_G的大小来调节放大倍数。放大倍数G与可调电阻R_G的关系为G=1+19.8kΩ/R_G。在引脚2和引脚3之间接一个可调电阻来调整放大倍数。引脚6是基准电压引脚，在此设计中基准电压是1.25V。AD8422的输出信号V_O与输入电压V_(IN+)、V_(IN-)的关系为V_O=G×(V_(IN+)-V_(IN-) )+V_REF。
调理电路的实物如图3.4所示。

图3.4 调理电路实物图
3.2 单片机控制设计
输出电压经AD转换后，由单片机控制蜂鸣器和LED灯来代替单片机控制继电器完成瞬时断路。
3.2.1 AD转换模块设计
在AD转换中采用PCF8591，引脚如图3.5所示，引脚说明如表3.2所示。PCF8591是单电源，低功耗8位CMOS数据采集器件，具有4个模拟输入、一个输出和一个串行I2C总线接口[17]。3个地址引脚A0、A1和A2用于编程硬件地址，允许将最多8个器件连接至I2C总线而不需要额外硬件[18]。由于其简单性和高集成度，PCF8591已广泛用于单片机应用系统。

图3.5 引脚图(DIP16)
表3.2 PCF8591引脚说明
引脚编号 引脚名称 引脚定义
1~4 AIN0~AIN3 模拟量输入通道
5~7 A0~A2 硬件设备地址
8 Vss 电源负极
9 SDA I2C BUS数据输入/输出
10 SCL I2C BUS时钟输入
11 OSC 振荡器输入/输出
12 EXT 用于振荡器输入的内部/外部切换开关
13 AGND 模拟地
14 VREF 参考电压输入
15 AOUT 模拟输出通道
16 VDD 电源正极
在本次设计中需要将模拟量电压信号通过AD转换为单片机可处理的数字量，以下程序是将指定通道输入的模拟量转为数字量。
uchar PCF8591Read(uchar Ctrl)
{
uchar DAT;
I2cStart();
I2cSendByte(PCF8591ADDR + I2cWrite);
if(ReadACK())
AckFlag = 1;
else
AckFlag = 0;
I2cSendByte(Ctrl);
ReadACK();
I2cStart();
I2cSendByte(PCF8591ADDR + I2cRead);
if(ReadACK())
AckFlag = 1;
else
AckFlag = 0;
DAT = I2cReadByte();
SendACK(1);
I2cStop();
return(DAT);
}
3.2.2 控制模块设计
控制模块是当输入单片机的电压达到设定的阈值电压4V后，控制蜂鸣器响、LED灯亮，程序流程图如图3.6所示。

图 3.6 程序流程图
3.3 本章小结
本章主要介绍了包括电源电路、放大电路的调理电路的设计，调理电路将巨磁阻传感器产生的微弱电压放大，使其成为单片机可处理的电压信号，但是要注意放大后的电压不能超过ADC量程，介绍了AD转换以及单片机接收信号后的控制模块。
 
4 模拟断路保护装置实验的验证及结果分析
第二章和第三章分别完成了断路保护装置的方案设计与具体实现，本章主要是用Ansoft Maxwell软件仿真分析短路磁场情况，确认巨磁阻传感器的安装距离等，并用Multisum软件仿真验证第三章所介绍的调理电路，最终用实物验证整个电路是否能够实现所设想的功能。
4.1 Ansoft Maxwell软件仿真分析短路磁场
在实验中由于实验条件有限，用Ansoft Maxwell软件仿真分析短路磁场情况，要求所给的磁信号强度在一定阈值范围内，使变化的磁场强度可以控制在巨磁电阻有效的线性范围内，确认巨磁阻传感器的安装距离等，达到巨磁阻的响应范围；并用给巨磁阻传感器施加磁场来代替过载电流短路时产生的磁场。
家用短路电流一般在600A左右，用Ansoft Maxwell软件仿真激励为600A时产生的磁场情况，下图所见平面均为不同距离时巨磁阻传感器所处位置的磁场强度大小，均在巨磁阻传感器的线性范围内，如图4.1、4.2、4.3所示。

图4.1 距离为8mm时的磁场强度

图4.2 距离为9mm时的磁场强度

图4.3 距离为10mm时的磁场强度

4.2 Multisum软件仿真
用Multisim软件设计放大电路的仿真电路,如图4.4所示；此时的放大倍数约为10倍，仿真结果如图4.5所示。

图4.4 放大电路

图4.5 放大电路仿真结果
用Multisim软件设计低通滤波电路的仿真电路,只允许低频信号通过，如图4.6所示；仿真结果如图4.7所示。

图4.6 滤波电路

图4.7 滤波电路仿真结果
4.3 实物验证
用磁铁靠近巨磁阻传感器产生磁场的方法来模拟短路电流产生的磁场，当磁铁逐渐靠近传感器时，传感器所处位置的磁场强度逐渐增大，输出的电压值也随之变大，当电压增大到阈值电压4V时，LED灯会亮、蜂鸣器会响，完成断路装置的模拟，实物验证的整体电路如图4.8所示。

图4.8 整体电路图
在实物验证中，设定启动电压为7.1V，如图4.9所示。

图4.9启动电压
4.3.1 未施加磁场
调理电路放大倍数的理论值为10倍，在实际测量中由于外界因素的干扰，放大倍数有所偏差，但是在允许的误差范围内，实测图如图4.10所示，多次测量放大倍数的实际值如表4.1所示。

图4.10 实测图
表4.1 放大倍数实测
未经放大的电压/mV 放大后的电压/V 放大倍数
10.9 1.37 11
11.1 1.37 10.8
4.5 1.3 11.1
4.3.2 施加磁场
GMR传感器的磁敏感方向是沿y轴方向，如图4.11所示。当磁铁沿着磁敏感方向靠近传感器时，传感器所处的磁场强度逐渐增大，电压示数也随之变大，如图4.12所示。多次测量的电压变化值如表4.2所示。

图4.11 巨磁阻传感器

图4.12 有磁场时电压示数
通过与表4.1的电压值相比，施加磁场后，会使输出电压值迅速增大；符合电路发生故障的情况。
表4.2 电压变化示数
未经放大的电压/mV 放大后的电压/V
128.2 2.6
212.5 3.49
261.2 4.02

单片机设定的阈值电压为4V，当输入单片机的电压大于阈值电压时，蜂鸣器响、LED灯亮，完成了当故障发生时断路保护装置的模拟，如图4.13所示。

图4.13 达到阈值电压
4.4 本章小结
本章主要是用Multisum软件仿真验证调理电路，用Ansoft Maxwell软件仿真分析短路磁场情况，并用移动磁铁的方法来模拟短路电流所产生的磁场，当巨磁阻传感器的输出电压信号经过放大后达到单片机所设定的阈值电压，会导致蜂鸣器响、LED灯亮，完成瞬时断路保护装置的模拟。