一种基于隧道磁阻传感器的雷电流测量方法
阅读说明：本技术 一种基于隧道磁阻传感器的雷电流测量方法 (Lightning current measuring method based on tunnel magnetoresistive sensor ) 是由 向念文 魏定生 赵军 程永健 潘东 汪胜和 檀俊 李科杰 王仕刚 黄杰 杜雨晨 于 2021-06-03 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种基于隧道磁阻传感器的雷电流测量方法,属于电流测量技术领域。该测量方法基于隧道磁阻无芯双轴测量探头,具有结构简单、造价低、体积小、易于安装和维护等优势。该测量方法使用两个隧道磁阻无芯双轴测量探头安装在风力发电机塔筒任意高度的两侧,每个隧道磁阻传感器分别测量所处位置敏感轴方向的磁感应强度,通过测量出的四个磁感应强度和测量点之间的距离,依据本发明提出的测量方法即可反演计算出待测雷电流。本发明的测量方法不受待测导体体积的限制,可应用于任何型号的风力发电机,且不用对传感器的敏感轴方向进行校准,测量结果误差小、可靠度高。(The invention provides a lightning current measuring method based on a tunnel magnetoresistive sensor, and belongs to the technical field of current measurement. The measuring method is based on the tunnel magnetic resistance coreless double-shaft measuring probe and has the advantages of simple structure, low manufacturing cost, small volume, easiness in installation and maintenance and the like. According to the measuring method, two tunnel magnetic resistance coreless double-shaft measuring probes are arranged on two sides of a tower drum of the wind driven generator at any height, each tunnel magnetic resistance sensor is used for measuring the magnetic induction intensity in the direction of a sensitive shaft at the position, and the lightning current to be measured can be calculated in an inversion mode according to the measuring method provided by the invention through the measured four magnetic induction intensities and the distance between measuring points. The measuring method is not limited by the volume of the conductor to be measured, can be applied to wind driven generators of any model, does not need to calibrate the sensitive axis direction of the sensor, and has small error of the measuring result and high reliability.)
技术领域
本发明涉及电流测量
技术领域
，具体涉及一种基于隧道磁阻传感器的雷击风机雷电流测量方法。背景技术
当风力发电机遭受雷击时，携带巨大能量的雷电流会在风电机组内部产生瞬态变化的电磁场，可能会对电力、信号线路和电子控制系统内产生电磁干扰进而威胁到风力发电机组的安全稳定运行。准确地测量雷电流对分析雷电事故和改进防雷措施具有重要意义。
目前，现有的测量方法存在一些不足无法满足对雷击风机雷电流进行准确、可靠地测量。如磁带和磁钢棒法只能测量雷电流的幅值和陡度，不能测量电流全波形；雷电定位系统只能实现大面积的雷电信息监测，测量精度低，同时成本巨大；罗氏线圈由于其固有的闭环结构，在测量过程中需要360度围绕待测导体，不便用在诸如风力发电机塔筒的大型结构的测量；基于光纤电流传感器的雷电电流测量方法来虽然具有较高测量带宽，但是精度受环境扰动如机械振动和温度变化的影响较大。在文献《风力发电机雷电放电全过程电流测量系统设计》(姒天军，蓝磊，文习山，屈路，王羽，徐剑伟，魏健，[J].仪表技术与传感器，2017(10)：46-49.)中，设计了一种风力发电机雷击全过程的雷电流测量系统，它由一个安装在风机机舱碳刷处的罗氏线圈和安装在塔筒上的罗氏线圈组成，用于测量流过机舱的电流和流过塔筒入地电流，但是由于风力发电机塔简体积较大，导致罗氏线圈的尺寸较大，安装不便，不易推广。
随着磁传感器技术的不断发展，基于磁传感器的非接触式电流测量技术逐渐成熟。非接触式测量方法采用磁性传感器测量磁场，进而根据磁场和电流的关系确定待测电流大小，为雷电流的测量提供了新的发展方向。
在磁性传感器中，隧道磁阻传感器提供了比霍尔、各向异性磁阻传感器和巨磁阻传感器更高的灵敏度、线性度和带宽，具有稳定性好、体积小、功耗低、集成度高、频带宽的特点。传统的基于磁传感器的开环或者闭环电流传感器需要一个围绕待测导体的磁芯，这种传感器会受到磁饱和、磁滞和其他磁非线性的影响。
在发明专利说明书《一种适用于智能电网保护系统的非接触式电流测量装置》(CN109444510A)中，提出了一种基于磁传感器圆形阵列的无芯电流测量方法，通过将磁性传感器阵列安装在PCB板上，在无芯方法中，多个磁传感器安装在导体周围圆环上，避免了使用磁芯。但这种圆形环绕阵列的方法存在一定的缺陷，它需要各个传感器的敏感轴方向与被测电流产生的磁场方向一致，且都假设导体位于传感器阵列中心，传感元件相对导体的位置偏移和敏感轴对准的任何偏差都会在测量结果输出中引入较大误差。
基于此，申请人考虑设计一种全新的测量方法，进而更为准确和方便地测量风力发电机遭受雷击时的雷电流。
发明内容
本发明的目的在于针对现有测量雷击风机雷电流技术的不足，提出一种基于隧道磁阻传感器的雷电流测量方法，以解决测量时传感器敏感轴校准带来的系统误差问题，且测量时不再受待测导体直径的限制，使得测量装置更加易于安装和维护，极大提高了大直径导体电流(如风力发电机遭受雷击时雷电流)测量的便利性和准确性。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于隧道磁阻传感器的雷电流测量方法，应用于风力发电机遭受雷击时雷电流的测量，包括以下步骤：
步骤1，设置一个测量装置，用于进行测量；
所述测量装置包括两个结构完全相同的隧道磁阻无芯双轴测量探头，分别记为探头T1和探头T2；在每个探头中包括一块PCB板和两个相同的隧道磁阻传感器，将探头T1中的PCB板记为板G1、两个隧道磁阻传感器分别记为TMR1传感器和TMR2传感器，将探头T2中的PCB板记为板G2，两个隧道磁阻传感器分别记为TMR3传感器和TMR4传感器；
所述TMR1传感器和TMR2传感器隔板对齐、以背靠背方式分别安装在板G1的正反两个面上，所述TMR3传感器和TMR4传感器隔板对齐、以背靠背方式分别安装在板G2的正反两个面上，且TMR1传感器的敏感轴和TMR2传感器的敏感轴相互垂直，TMR3传感器的敏感轴和TMR4传感器的敏感轴相互垂直；
步骤2，探头T1和探头T2安装位置的设定；
将风力发电机塔筒记为塔筒A，取塔筒A任意高度处的一个横截面记为测量面C，以测量面C的中心点0为坐标原点建立直角坐标系；探头T1和探头T2分别安装在测量面C的两侧，将探头T1的安装位置简化为第一测量点P1，将探头T2的安装位置简化为第二测量点P2，第一测量点P1与第二测量点P2的连线与X轴平行，TMR1传感器的敏感轴、TMR3传感器的敏感轴均与X轴平行且方向均朝向X轴负半轴方向，TMR2传感器的敏感轴、TMR4传感器的敏感轴均与Y轴平行且方向均朝向Y轴正半轴方向，
将第一测量点P1和第二测量点P2的距离记为距离L，0.5D≤L≤1.2D，D为塔筒A的外直径；
步骤3，将探头T1和探头T2按照步骤2设定的要求进行安装，并测量第一测量点P1和测量点P2的距离，即确定距离L的值；
步骤4，通过四个隧道磁阻传感器测出雷电流对塔筒A的磁感应强度，求解得到风力发电机遭受雷击时流过塔筒A的雷电流I；
将风力发电机遭受雷击时流过塔筒A的雷电流I在第一测量点P1产生的磁感应强度记为第一磁感应强度B1，利用TMR1传感器测量得到第一磁感应强度B1的水平分量，并记为第一水平磁场值B1X，利用TMR2传感器测量得到磁感应强度B1的垂直分量，并记为第一垂直磁场值B1Y；将风力发电机遭受雷击时流过塔筒A的雷电流I在第二测量点P2产生的磁感应强度记为第二磁感应强度B2，利用TMR3传感器测量得到第二磁感应强度B2的水平分量，并记为第二水平磁场值B2X，利用TMR4传感器测量得到磁感应强度B2的垂直分量，并记为第二垂直磁场值B2Y，按照下式计算得到风力发电机遭受雷击时流过塔筒A的雷电流I：
其中，μ为真空中磁导率，μ＝4π×10-7H/m。
与现有技术相比，本发明测量方法的有益效果如下：
1、本发明所述的基于隧道磁阻传感器的雷电流测量方法，被测电流的求解与传感器和导体之间的相对距离和位移无关，只与两个隧道磁阻无芯传感器探头之间的距离和不同磁场分量有关。该方法在测量过程中无需对传感器的敏感轴进行相对校准，易于安装和维护，方便可靠。
2、本发明涉及的测量装置在测量过程中无不需要将测量探头环绕在待测导体上，实际安装应用过程中不用受风力发电机塔筒尺寸的限制，可以应用于任何型号的风力发电机，易于推广，降低测量成本。
3、本发明采用的隧道磁阻无芯双轴测量探头体积小，精度高，测量雷电流范围大，能够满足风力发电机遭受雷击时雷电流的测量需求。
附图说明
图1为本发明测量方法工作示意图。
图2为探头T1和探头T2在塔筒上的安装位置示意图。
图3为探头T1和探头T2在测量面C上的安装位置示意图。
图4为数值仿真中电流源与隧道磁阻传感器相对位置示意图。
图5为数值仿真中电流源相对位置变化对测量误差的影响示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
本实施例以测量风力发电机遭受雷击时的瞬态雷电流为例，对本发明电流测量方法进行说明。
图1为本发明测量方法工作示意图，图2为探头T1和探头T2在塔筒上的安装位置示意图，图3为探头T1和探头T2在测量面C上的安装位置示意图。其中，在图2和图3中，对两块PCB板和四个相同的隧道磁阻传感器的结构进行了放大。由图1-图3可见，本发明一种基于隧道磁阻传感器的雷电流测量方法，应用于风力发电机遭受雷击时雷电流的测量，包括以下步骤：
步骤1，设置一个测量装置，用于进行测量。
所述测量装置包括两个结构完全相同的隧道磁阻无芯双轴测量探头，分别记为探头T1和探头T2；在每个探头中包括一块PCB板和两个相同的隧道磁阻传感器，将探头T1中的PCB板记为板G1、两个隧道磁阻传感器分别记为TMR1传感器和TMR2传感器，将探头T2中的PCB板记为板G2，两个隧道磁阻传感器分别记为TMR3传感器和TMR4传感器。
所述TMR1传感器和TMR2传感器隔板对齐、以背靠背方式分别安装在板G1的正反两个面上，所述TMR3传感器和TMR4传感器隔板对齐、以背靠背方式分别安装在板G2的正反两个面上，且TMR1传感器的敏感轴和TMR2传感器的敏感轴相互垂直，TMR3传感器的敏感轴和TMR4传感器的敏感轴相互垂直。
由图2可见，在每块PCB板上，背靠背的设置了两个隧道磁阻传感器。
步骤2，探头T1和探头T2安装位置的设定。
将风力发电机塔筒记为塔筒A，取塔筒A任意高度处的一个横截面记为测量面C，以测量面C的中心点O为坐标原点建立直角坐标系；探头T1和探头T2分别安装在测量面C的两侧，将探头T1的安装位置简化为第一测量点P1，将探头T2的安装位置简化为第二测量点P2，第一测量点P1与第二测量点P2的连线与X轴平行，TMR1传感器的敏感轴、TMR3传感器的敏感轴均与X轴平行且方向均朝向X轴负半轴方向，TMR2传感器的敏感轴、TMR4传感器的敏感轴均与Y轴平行且方向均朝向Y轴正半轴方向。
将第一测量点P1和第二测量点P2的距离记为距离L，0.5D≤L≤1.2D，D为塔筒A的外直径。
在本实施例中，在塔筒A上任意选择一个高度，做一个横截面为测量面C，两个探头分别安装在测量面C的两侧，即仅要求两个探头安装在塔筒A的同一水平高度。
步骤3，将探头T1和探头T2按照步骤2设定的要求进行安装，并测量第一测量点P1和测量点P2的距离，即确定距离L的值。
在本实施例中，L＝1.2D。
步骤4，通过四个隧道磁阻传感器测出雷电流对塔筒A的磁感应强度，求解得到风力发电机遭受雷击时流过塔筒A的雷电流I。
将风力发电机遭受雷击时流过塔筒A的雷电流I在第一测量点P1产生的磁感应强度记为第一磁感应强度B1，利用TMR1传感器测量得到第一磁感应强度B1的水平分量，并记为第一水平磁场值B1X，利用TMR2传感器测量得到磁感应强度B1的垂直分量，并记为第一垂直磁场值B1Y；将风力发电机遭受雷击时流过塔筒A的雷电流I在第二测量点P2产生的磁感应强度记为第二磁感应强度B2，利用TMR3传感器测量得到第二磁感应强度B2的水平分量，并记为第二水平磁场值B2X，利用TMR4传感器测量得到磁感应强度B2的垂直分量，并记为第二垂直磁场值B2Y，按照下式计算得到风力发电机遭受雷击时流过塔筒A的雷电流I：
其中，μ为真空中磁导率，μ＝4π×10-7H/m。
为验证本发明测量方法的可行性，对本发明进行仿真验证。
图4为数值仿真中电流源与隧道磁阻传感器相对位置示意图。图中黑色圆点表示电流源。利用MATLAB进行数值仿真对本发明所述的测量方法进行计算。建立一个直角坐标系，在计算时，固定四个隧道磁阻传感器的位置，始终位于(-2m，0)，(0，2m)不变，采用恒定电流作为电流源，在[-2m，+2m]一个矩形区域内进行扫描移动，此时相当于模拟两个隧道磁阻无芯双轴测量探头在该区域内移动，进而模拟实际安装位置的偏差。
当恒定电流源位于不同位置处时，通过数值计算获得两个位置处的磁场大小，并利用本发明的测量方法进行反演计算，得到电流测量值，再计算出电流测量值与电流源实际电流值之间的绝对误差。电流源相对位置变化对电流测量误差结果的影响如图5所示，从图中可以看出，在任何不同的相对位置下，该电流测量方法在理论上均能实现很小的电流测量误差，绝对误差Error Value的最大值为6×10-16。由此可知，即使探头与塔筒之间存在一定的安装位置偏移，采用本发明提出的测量方法进行电流测量也能保证较高的测量精度。
在CST微波工作室中建立风力发电机雷击瞬态并进行仿真计算，对风力发电机最高处叶片的顶端注入幅值为100kA的8/20μs标准雷电流。根据仿真结果得到在10μs时雷击点不同时各位置处的电流幅值与源电流幅值差异及占比如表1所示：
从表1中的定量分析可以看出，电流向塔筒泄流时，由于损耗和分流导致电流存在微小的幅值衰减，大约衰减了1％。塔筒上中下段电流衰减幅度相对更小，在塔筒上最多衰减了0.4％，塔筒段电流幅值占总电流的98.5％左右。
在分析风力发电机雷击瞬态电磁特性的基础上，验证提出的雷击风力发电机雷电流测量方法的可行性。
保证雷击条件(设置为雷击风力发电机最高处叶片的顶端)设置不变，在风力发电机最高处叶片的顶端施加幅值为100kA的8/20μs标准雷电流波形，按照测量方法中隧道磁阻传感器的放置位置，在塔筒不同高度附近任意相对位置处设置磁场探针，利用本发明的测量方法，计算传感器布置在不同高度位置情况下得到的电流大小，并与该位置的电流监视器监测的实际雷电流进行对比，其幅值相对误差如表2所示：
从表2中可以看出，除了靠近塔筒底端和顶端两位置处反演电流误差较大，在塔筒高3m-73m之间任何位置处均可获得较为准确的结果，其中最小误差仅为0.29％，所以测量面C的选择范围广，适应性强。