基于巨磁电效应的电力系统电流实时监测技术基础研究

智能电网的核心技术在于实现整个电力系统信息及状态的实时监测和调控，其中最关键的是从电网不同位置及各种设备电压、电流信号的实时监控。基于现有量测手段的局限性，亟需研制一种新型的微型化的电流传感器件，并结合先进的通信手段，用以满足智能电网的实时监测需求，实现智能电网的分布式监测技术。本课题基于具有巨磁电效应的多铁性磁电复合材料，在纳米尺度对材料结构以及磁电耦合机理进行设计和调控，研制适用于智能电网的微型化电流传感器，重点解决其中涉及的传感器材料和工艺、巨磁电传感器桥式结构、磁电耦合机理、数字化量测技术、电流响应特性等关键基础问题，实现电磁技术、材料技术、电气测量技术及微电子技术的交叉融合。全新的微型化巨磁电传感器具有体积小、成本低、性能优异、适用范围广的特点。基于巨磁电传感器的智能电网分布式监测系统将为智能电网提供关键的技术支撑，为智能电网的全局优化和调度提供信息基础。

智能电网的核心技术在于实现整个电力系统信息及状态的实时监测和调控，其中最关键的是从电网不同位置及各种设备电压、电流信号的实时监控。基于现有量测手段的局限性，亟需研制一种新型的微型化的电流传感器件，并结合先进的通信手段，用以满足智能电网的实时监测需求，实现智能电网的分布式监测技术。巨磁电阻效应是近年来兴起的磁电子学的一个重要领域。与其他电流传感器相比，巨磁电阻电流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，特别适合智能电网尤其是直流电力系统中的电流的分布式测量。.首先，分析了智能电网下电流监测的需求，比较了目前常用的电流传感器性能，分析了巨磁电阻电流传感器的优势及在智能电网中的应用前景。.其次，本课题研究了多层膜结构、自旋阀解耦股和磁隧道结结构三种巨磁电阻的材料结构及设计，重点研究了磁隧道结的制备工艺及版图设计，研制设计了基于惠斯通全桥结构的线性磁电阻传感器，针对不同应用场合：差分测量、高灵敏度、大线性范围、高频测量进行了优化。测试了三种不同结构的巨磁电阻器件的性能，为电流传感器系统设计提供理论依据。测试了巨磁电阻器件的模型参数，对巨磁电阻电流传感器的静态直流线性特性、静态交流线性特性、动态频响特性、温度响应特性进行了研究，同时针对温度响应特性设计了温度补偿模块提高温度稳定性。.第三，根据设计的磁隧道结器件，重点研究了线性磁隧道结的单畴模型机理，研究了线性磁隧道结在磁场变化下，各铁磁层中磁化强度方向的变化，从而导致电阻的变化机理。对磁电阻的电桥结构模型进行了分析，提出了单电桥结构和惠斯通电桥结构的等效阻抗网络模型，重点分析了电桥结构的寄生电容对于器件性能的影响，分析了器件的频响特性与电阻、寄生电容和被测磁场的关系。.第四，设计了适用于智能电网的巨磁电阻电流传感器系统，完成了传感模块、信号处理模块、数字处理模块和供能模块的设计和系统集成，分析了磁环结构对电流传感器性能的影响；并开发了适用于高级应用的基于LabVIEW的数字化实时量程软件系统。.最后，对巨磁电阻电流传感器的电磁兼容特性进行了研究，包括屏蔽系统设计、抗浪涌设计和PCB电磁兼容设计。测试巨磁电阻器件在强电场环境下的特性和对高频大电流的响应特性。