基于磁阻传感器的断路保护装置设计

1 绪论
研究背景和意义
智能电网的目标是实现电网运行的可靠性、安全性、经济性、高效性和环境友好性[1]。实现电网各级系统智能化的核心技术的关键是实时监控和调节电力系统和电气设备各种状态的特点。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态，不仅可以实现智能电网的实时优化，还可以通过监控获得电压和电流的实时信息，及时发现和处理系统故障，防止因事故扩大而发生停电事故。希望智能电网在大故障电流发生时能立即停电保护，但到目前为止，许多保护器只有在其值超过额定电流时才能通过检测负载的工作电流进行保护。然而，只有当电流大于额定电流几秒钟时，合金材料产生的热量才能使其变形弯曲，使负载断开，从而发挥保护作用。该过程需要一定的时间，因此断路保护的灵敏度较差。
随着半导体技术的发展，霍尔效应（Hall effect）传感器已广泛应用于电力系统的电流测量；光纤的出现和技术的发展也使光纤电流传感器（OFCT）成为电流传感器发展的另一大趋势。但近年来，随着磁电子设备的快速发展，基于巨磁电阻（GMR）对智能电网的在线电流监测提供了新的选择[3]。巨磁阻传感器和AMR与霍尔传感器相比，传感器具有物理尺寸小、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；此外，非常弱的磁场变化可以使巨大的磁阻引起非常明显的电阻变化，其变化范围是通常的十倍以上。因此，它将逐渐取代霍尔传感器、传感器线圈传感器等传统产品，具有非常广泛的应用市场。
断路保护装置的高动态响应对电网非常重要。本文提出了一种断路保护装置的设计方案，具有测量范围广、灵敏度高、体积小、温度稳定性好、结构简单、制造简单、成本低等优点，研究利用磁阻传感器实现瞬态大电流的快速响应；并利用巨磁电阻对磁场的超敏感性，通过一定的电路处理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
自1988年发现巨磁阻效应以来（GMR）在开发和实用阶段，效应的应用，GMR首先，传感器在硬盘磁头上成功商业化[4]。巨磁电阻（GMR）发现效果后，首先用于计算机[5]，GMR在计算机硬盘中的应用使硬盘体积越来越小，容量越来越大，导致硬盘容量和质量的根本变化；在计算机存储中，人们开发了一种使用GMR巨磁阻随机存取存储器（MRAM），只有在外部磁场的影响下，存储数据才会发生变化，MRAM设备的应用大大节省了生产成本。存储容量和CPU运行速度超过半导体存储器。
目前，除了直接测量磁场外，GMR传感器还用于电流、位移、线速、角度、角速和加速度等物理测量和生物检测，GMR因此，传感器是巨磁阻效应的一个非常重要的应用领域GMR传感器应用广泛。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能感知平行方向的磁场不能用于检测垂直方向的磁场。这种结构可以减少外部环境对传感器输出稳定性的影响，从而提高传感器的灵敏度[11]。
GMR在一定程度上，其应用受到限制，因此巨磁电阻效应在作用机制上的理论需要不断完善[12]，各国科学家仍需继续深入研究。中国科学院物理研究所95项目磁膜和微结构的研究取得了重要成果[4]。在当时发现的20多种巨磁阻金属多层膜中，研究小组发现了其中3种。
1.2.2 断路保护装置研究现状
本飞等人研究的压簧复位断路器绝缘自动保护装置的设计目的是解决断路状态下高压交流真空断路器静触头短路的问题[13]，使断路器能够自动保护断路器静触头，无论是连接还是断开。该装置利用弹簧的弹性变形特性，成功实现断路器闭合时保护装置离开静触头，达到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是否到位，实现装置的自动化，但灵敏度低。此外，还应考虑外部因素引起的短路。
陆科军研究的基于选择性保护小型断路器的自动闭合触点装置设计是针对带选择性保护小型断路器的一般触点装置(SMCB)由于缺乏应用，提出了一种自动闭合接触装置的技术解决方案[14]。该设计采用旋转双断点自动闭合接触装置，主接触可提供良好的接触压力。短路时，主接触快速切断，电流转换为辅助电路，主接触保持在开启位置，短时间延迟保护辅助电路。该装置能保证可靠的接触压力，具有高断开速度和限流能力，实现快速闭合和高灵敏度。
此外，还有一些基于热效应的断路保护。当过温或过流条件超过额定值时，会迫使熔丝加热，然后迅速达到设定温度点，产生截断电路装置的电流，达到保护电路安全的目的。然而，在测试过程中，经常发现温度点未达到预定目标值，总会出现提前保护的问题。
1.3 发展趋势
巨磁电阻的发现为材料科学开辟了新的篇章。虽然仍处于探索和发展阶段，但随着科学技术的快速发展和材料科学的进一步研究，GMR未来效应的研究和应用肯定会取得更大的进步和更广阔的发展空间。
巨磁阻传感器频率范围广，能满足电力系统中各种电压和电流的监测要求[15]。GMR传感器灵敏度高，温度稳定性好，抗干扰能力强，体积小，能适应复杂的现场工作环境，成本低，对输电线路上的分布式实时监控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种高灵敏度的断路保护装置，即当电流过载时产生磁场，作用于巨磁阻传感器输出电压信号，放大后触发断路保护控制模块，完成瞬时断路。本设计的主要工作和章节如下：
第一章 绪论。GMR研究传感器断路保护装置的背景和意义，GMR通过比较现有设计方案的优缺点，提出了巨磁阻传感器的发展趋势和断路保护装置行业的发展前景。
第二章 基于磁阻传感器的断路保护装置方案设计。本章主要介绍了设计方案的具体内容，并解释了选择巨磁阻传感器的原因。
第三章 调节控制电路硬件设计。设计了电源电路和放大电路的调节电路，介绍了AD单片机接收信号后的转换和控制模块。
第四章 模拟断路保护装置实验验证及结果分析。本章主要用于Multisum软件仿真验证调理电路，用Ansoft Maxwell软件模拟分析短路磁场，通过移动磁铁模拟短路电流产生的磁场。当巨磁阻传感器的输出电压信号放大后达到单片机设定的阈值电压时，会导致蜂鸣器响LED照明，模拟瞬时断路保护装置。
第五章 总结和展望。总结了本设计说明书的具体研究工作，出本课题的不足和可能进一步纠正的方案。

2 基于磁阻传感器的断路保护装置方案设计
本章主要介绍了设计方案的具体内容，并通过介绍巨磁阻传感器的特点和优点来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的总体设计
本设计说明书介绍的断路保护装置是利用巨磁阻传感器对电磁场的瞬态响应，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。断路保护方法是当过载电流通过断路保护装置的导线时U型软铁产生磁场GMR传感器，然后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，实现智能电网异常故障下过载电流的瞬时断路保护。在正常情况下，稳态电流通过设计装置GMR传感器、差动半桥输出的电压信号通过调节电路模块输出低电平信号，不触摸断路保护控制模块，电路正常运行；当电路短路时，流过设备的过载电流处于瞬时变化状态。差动半桥输出的电压信号通过调节电路模块输出，可引起断路保护控制模块触发的电压信号，然后控制断路保护执行模块，实现断路。
在实际实验中，由于实验条件有限，使用Ansoft Maxwell软件模拟分析短路磁场，要求磁信号强度在一定阈值范围内，使变化的磁场强度能够控制在巨磁电阻的有效线性范围内，确认巨磁电阻传感器的安装距离，达到巨磁电阻的响应范围。使巨磁电阻传感器位于磁场（模拟短路电流产生的磁场），利用巨磁电阻组成的惠斯通桥结构将弱电阻变化（信号）转换为电压信号，半桥结构比单臂桥灵敏度提高2倍，是一种高精度测量方法；然后通过调节电路输出电压信号Altium Designer软件设计调节电路的原理图和电路PCB设计；然后使用Multisim软件模拟和调试硬件电路，分离直接交通，避免直流信号误触发电路，过滤整流输出电压中的纹波，只允许一定频率范围内的信号组件正常通过，确定放大电路的放大倍数约为10倍，可产生单片机可处理的信号，获得从低电平跳到高电平的电压信号，送入AD转换器模拟量输入端口，模拟量信号通过AD转换器变成数字信号并发送到单片机内部，由单片机内部软件操作和处理，计算结果与设定的保护值进行比较，一旦满足条件，智能控制单元输出相应的电平信号，当输入高电继电器断开时，输入低电继电器保持闭合，因此可用原理相同LED灯的亮灭取代了继电器的控制，模拟了电路异常故障时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所示.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 巨磁阻传感器的特点
双极巨磁阻传感器芯片采用惠斯通电桥结构，半桥结构巨磁阻传感器如图2所示.如图2所示，当向电桥供电时，磁敏感方向如图2所示.如3所示，添加磁场强度会导致电桥中电阻元件的变化，导致电桥输出端的电压发生相应的变化[16]，即传感器的输出电压变化和外部磁性场强度成正比。

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。