開口式霍爾傳感器的應(yīng)用

安科瑞 鮑靜君

　　摘要：根據(jù)開口式霍爾電流傳感器的原理、特點及安裝方式，分析開口式霍爾電流傳感器在工廠改造配電系統(tǒng)中的應(yīng)用，為用戶快速實現(xiàn)直流系統(tǒng)智能配電提供解決方案。

　　關(guān)鍵詞：霍爾電流傳感器；開口式；直流配電系統(tǒng)；工作原理；應(yīng)用

1、概述

　　直流配電系統(tǒng)通常由高頻開關(guān)電源和蓄電池組成，用于為直流系統(tǒng)中控制、信號、繼電保護及自動裝置、事故照明等提供可靠的直流電源，對其供電的可靠性、穩(wěn)定性以及供電質(zhì)量均有著很高的要求。因此對某些服役已久的直流系統(tǒng)進行相應(yīng)的改造已顯的十分迫切。且直流系統(tǒng)改造時不停電，工程改造難度大，采用傳統(tǒng)的閉口霍爾電流傳感器或者分流器也無法解決，因此可采用開口式霍爾電流傳感器來解決改造項目中直流電流計量問題，確保改造過程不停電且安全運行。

2、產(chǎn)品設(shè)計

　　結(jié)構(gòu)特點

　　開口式霍爾電流傳感器在傳統(tǒng)閉口霍爾電流傳感器的基礎(chǔ)上進行研發(fā)，結(jié)構(gòu)新穎，外形美觀大方。整體由外殼、鐵芯、采樣線路板及固定樹脂構(gòu)成，外殼材料采用PC/ABS合金，具有耐高溫、機械強度高、環(huán)保等特點；鐵芯采用有取向冷扎硅鋼片，具有性能穩(wěn)定，機械強度高，導磁率高等特點；線路板與外部接線采用綠色可插拔端子，現(xiàn)場接線方便、可靠。具體結(jié)構(gòu)如圖1、2所示，產(chǎn)品外觀采用分體式設(shè)計，圖1為圓孔型，適合直流系統(tǒng)一次母線為電纜時穿過。圖2方孔型，適合直流系統(tǒng)一次母線為銅排時穿過。根據(jù)一次電流的測量范圍及穿孔要求，可選擇相應(yīng)的產(chǎn)品類型。該系列傳感器電流可測范圍為20A～20000A，主要外形有ф20、ф40、ф60、64*16、85*27、104*36、140*50等多種規(guī)格，如圖3所示，適用于不同應(yīng)用場合。

圖1圓孔型

圖2方孔型

圖3AHKC系列開口式霍爾電流傳感器

　　工作原理

　　霍爾電流傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)、電磁感應(yīng)原理設(shè)計的一種傳感器，按原理可分為開環(huán)方式（直放式）和閉環(huán)方式（磁平衡式），開口式霍爾電流傳感器是在傳統(tǒng)開環(huán)（直放式）霍爾傳感器的基礎(chǔ)上加以改進，與傳統(tǒng)單鐵芯、單霍爾芯片設(shè)計不同，為了設(shè)計為分體式結(jié)構(gòu)，將鐵芯分離對稱安裝，硬件采用雙霍爾芯片并聯(lián)互補差分輸入，開口式霍爾傳感器原理如圖4所示：

圖4開口式霍爾傳感器原理圖

　　當原邊電流IP流過一根長導線時，在導線周圍將產(chǎn)生磁場，磁場的大小與流過導線的電流成正比，產(chǎn)生的磁場聚集在磁環(huán)內(nèi)，通過磁環(huán)氣隙中兩個霍爾元件進行測量，兩霍爾元件標志面相反置于同一磁場內(nèi)，輸出信號具有互補特征，輸出電壓通過差分放大輸出，不但可防止共模干擾，也可溫度漂移的影響，輸出電壓VS反映原邊電流IP。一般的額定輸出標定為DC±5V或DC4-20mA。

　　產(chǎn)品安裝

　　以方孔產(chǎn)品為例，如圖5所示，將開口式霍爾電流傳感器的安裝螺絲打開，卸下傳感器的下體；將開口式霍爾電流傳感器的上體裝入配電系統(tǒng)的一次母排，合上傳感器的下體，將傳感器的安裝螺絲、墊片穿過上、下體的固定孔，將傳感器的上、下體固定在一起。如果現(xiàn)場可斷電安裝，可在銅牌上按傳感器間距要求開兩個對應(yīng)螺紋孔，將傳感器通過后側(cè)的安裝固定孔固定在母排螺紋孔上，完成傳感器的安裝；如現(xiàn)場要求不斷電安裝，可采用配套橡膠墊塊內(nèi)嵌于外殼與銅牌之間固定，確保傳感器能在振動條件下也能可靠工作，整個安裝過程比較快速簡單。

圖5產(chǎn)品安裝示意圖

　　開口式霍爾傳感器優(yōu)點

　　與傳統(tǒng)直流電流計量一般采用分流器或互感器測量方法相比，開口式霍爾傳感器具有以下優(yōu)點：

　　1）原邊副邊絕緣強度高，至高可達AC12kV隔離；

　　2）無插入損耗；

　　3）動態(tài)性能好：響應(yīng)時間小于20us跟蹤速度di/dt高于20A/us

　　4)安裝時無需拆卸原邊電纜或母排，特別適用于不允許斷電設(shè)備的改造施工。

　　3、產(chǎn)品應(yīng)用

　　開口式霍爾電流傳感器主要應(yīng)用在工廠改造直流配電系統(tǒng)中，如電廠直流電源系統(tǒng)改造、變電站直流系統(tǒng)改造改造、通訊機房改造、鐵路機車改造等項目，它能將系統(tǒng)中原邊直流電流信號轉(zhuǎn)換成為標準DC±5V或4-20mA輸出，起到了監(jiān)測和電氣隔離作用，可與多回路監(jiān)控儀表或其他電氣測量儀表配套使用。

　　4、應(yīng)用實例

　　從改造成本方面考慮，如采用傳統(tǒng)閉口式霍爾傳感器或者分流器方案，施工時，需要先拆卸直流母線銅排，然后安裝傳感器，再將母排重新安裝恢復，而整個安裝過程中，至少需要兩名施工人員配合施工，同時整改線路需要停電配合；而如采用開口式霍爾傳感器方案，以1.3所述安裝方法安裝，僅需一名施工人員，同時施工時間預計僅需傳統(tǒng)方案1/20時間，工廠停電時間也可相應(yīng)減少，甚至某些場合不斷電施工安裝，采用此方案明顯省時、省力、省人工。從傳感器采購價格對比，同種開孔外形開口式霍爾傳感器較閉口式霍爾傳感器采購價略高了10%左右。而從測試性能方面分析，只要安裝時傳感器的上、下體螺絲固定緊密，開口式傳感器與閉口式傳感器的精度、穩(wěn)定性基本一致。

　　綜上對比，無論是從現(xiàn)場施工的*性還是從項目改造整體采購、施工等方面的綜合成本考慮，使用開口式霍爾電流傳感器無疑是性價比高的方案。

　　以國內(nèi)企業(yè)的直流配電柜為例，如圖6所示，將多路直流輸入?yún)R總成一路電流輸出，每路都有保護裝置（斷路器、熔斷器等）、防反二極管等，而且可以對每路電壓電流進行監(jiān)控，并可以實現(xiàn)遠程通信。采用8個開口式霍爾電流傳感器來監(jiān)控直流電流，布局美觀，相對于傳統(tǒng)霍爾安裝更方便，與分流器方案相比更加安全、實用。

　　圖7所示為某鐵路機車改造項目，改造要求在不能拆卸母排前提下來監(jiān)測該母排直流電流，此種情況只能采用開口式霍爾電流傳感器方案。

圖6某企業(yè)直流配電柜

圖7某鐵路機車改造項目

　　5、結(jié)論

　　綜上所述，開口式霍爾電流傳感器因其結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、運行可靠等良好的適用性，在直流系統(tǒng)應(yīng)用中發(fā)揮很大的作用，特別是改造項目中得到了大量應(yīng)用。