[发明专利]一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置

说明书

技术领域

本发明属于电力系统计量技术领域。

背景技术

电流互感器是电力系统建设和运行的重要一次设备，为系统地控制和保护提供准确可靠的测量信息，其运行可靠性和测量准确性直接关系到电力系统的安全稳定运行。随着输电技术的快速发展，超特高压输电工程日益增多，电力系统的运行状况需要被牢牢的掌控，这就需要更先进更符合要求的电流传感器来完成这项任务。随着电力工业的发展，近年来科研人员把目光主要聚焦到了研究新型光学电流传感器。按其所应用的材料来划分，目前系统中应用且研究较多的光学电流传感器主要分为三种：

第一种是以重火石玻璃为代表的传感器，另一种是以光纤作为传感材料的传感器。这两种材料都具有法拉第旋光特性，即将该材料置于由输电线路所产生的磁场中，让一束线偏振光通过该材料，由于法拉第旋光效应，在材料中的线偏振光角度将发生一定偏转，偏转的角度与磁场强度呈线性关系。因此可以通过探测出射光偏转角度监测电流强度。

第三种是由光纤布拉格光栅与GMM棒结合起来构成的光学电流传感器。其机理是：将GMM与光纤布拉格光栅沿棒方向粘贴在一起从而同步两种材料的应变，通过测量光栅的波长偏移量，反推其应变大小，从而获得产生磁场的待测直流电流的大小。

然而这三种光学电流传感器共同的不足之处有三点：一是测量精度的温度漂移问题是光学电流传感器的世界技术难题；二是整体结构较为复杂，除了光的双折射对输出结果有影响，光电设备本身也会对最后的数字信号结果产生影响；三是传感器的输出终端都是数字信号，只能通过数字信号对输电线路进行监测，发生故障无法直接进行保护动作。

GMM是具有磁致伸缩特性的材料，因掺杂有稀土元素，并在磁场作用下，该材料相比于传统的铁基以及镍基磁致伸缩材料有相对较大的长度和体积变化，故称之为稀土超磁致伸缩材料。在工程上，利用这个特性，能将电能和磁能高效的转化为机械能，抑或将机械能高效的转化为电能。

磁致伸缩材料主要有三大类：镍和镍基合金(Ni,Ni-Co)，压电陶瓷材料(PZT)和稀土超磁致伸缩材料(Giant Magnetostrctive Material简称GMM)。铁磁材料在外加磁场作用下发生长度或体积变化的现象称为磁致伸缩。GMM是在室温和低磁场下有很大磁致伸缩系数的三元稀土铁化合物，典型材料为TbxDy1-xFe2-y，这种材料已实现商品化生产。由于GMM的磁致伸缩系数比传统磁致伸缩材料大约2个数量级，因此被称为稀土超磁致伸缩材料。

GMM是一种新型高效的磁(电)——机械能量转换材料，与Ni和PZT相比，具有优越的性能：

(1)在室温下的磁致伸缩应变量，是Ni磁致伸缩应变的40～50倍，是PZT电致伸缩应变的4～20倍；

(2)能量转换密度高，是Ni的400～500倍，是PZT的10～25倍；

(3)响应速度快，响应速度一般在几十毫秒以下，甚至达到微秒级；

(4)输出力大，带载能力强；

(5)磁机耦合系数大，电磁能——机械能转换效率高，一般可达72％。

发明内容

本发明的目的是为超特高压输电系统母线提供一种非接触式磁场传感单元，同时为磁场传感单元输出棒提供一种微位移测量方法，现提供一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置。

一种基于超磁致伸缩材料的非接触式电流测量装置，包括磁场传感单元和微位移测量单元，

磁场传感单元包括：底座1、外壳3、预紧力机构4、输出棒5和GMM棒6；

GMM棒6位于外壳3内，底座1将外壳3的底部端口封闭，预紧力机构4将外壳3的顶部端口封闭，外壳3与GMM棒6之间设有偏置磁场2，输出棒5穿过预紧力机构4，输出棒5的首端与GMM棒6相接触，输出棒5的末端位于外壳3外部；

微位移测量单元包括：探头7、前振电路8、混频电路9、本振电路10、施密特触发器11、鉴频器12、低通滤波器13和电压输出电路14；

探头7用于采集探头7与输出棒5末端的距离，探头7的信号输出端连接前振电路8的信号输入端，前振电路8的信号输出端连接混频电路9的前振信号输入端，本振电路10的的信号输出端连接混频电路9的本振信号输入端，混频电路9的混频信号输出端连接施密特触发器11的信号输入端，施密特触发器11的信号输出端连接鉴频器12的信号输入端，鉴频器12的信号输出端连接低通滤波器13的信号输入端，低通滤波器13的信号输出端连接电压输出电路14的信号输入端。

预紧力机构4包括：拧紧螺母41、预压弹簧42和机构壳43；