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(diǎn)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(shí)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(hào)、繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置、事故照明等提供可靠的直流電源，對(duì)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(duì)某些服役已久的直流系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的改造已顯的十分迫切。且直流系統(tǒng)改造時(shí)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(wú)法解決，因此可采用開口式霍爾電流傳感器來(lái)解決改造項(xiàng)目中直流電流計(jì)量問題，確保改造過程不停電且安全運(yùn)行。

2、產(chǎn)品設(shè)計(jì)

　　結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　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(jìn)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(jī)械強(qiáng)度高、環(huán)保等特點(diǎn)；鐵芯采用有取向冷扎硅鋼片，具有性能穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度高，導(dǎo)磁率高等特點(diǎn)；線路板與外部接線采用綠色可插拔端子，現(xiàn)場(chǎng)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(jì)，圖1為圓孔型，適合直流系統(tǒng)一次母線為電纜時(shí)穿過。圖2方孔型，適合直流系統(tǒng)一次母線為銅排時(shí)穿過。根據(jù)一次電流的測(cè)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(cè)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(chǎng)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(jì)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(jìn)，與傳統(tǒng)單鐵芯、單霍爾芯片設(shè)計(jì)不同，為了設(shè)計(jì)為分體式結(jié)構(gòu)，將鐵芯分離對(duì)稱安裝，硬件采用雙霍爾芯片并聯(lián)互補(bǔ)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(dāng)原邊電流IP流過一根長(zhǎng)導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的大小與流過導(dǎo)線的電流成正比，產(chǎn)生的磁場(chǎng)聚集在磁環(huán)內(nèi)，通過磁環(huán)氣隙中兩個(gè)霍爾元件進(jìn)行測(cè)量，兩霍爾元件標(biāo)志面相反置于同一磁場(chǎng)內(nèi)，輸出信號(hào)具有互補(bǔ)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(biāo)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(chǎng)可斷電安裝，可在銅牌上按傳感器間距要求開兩個(gè)對(duì)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(chǎng)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(dòng)條件下也能可靠工作，整個(gè)安裝過程比較快速簡(jiǎn)單。

圖5產(chǎn)品安裝示意圖

　　開口式霍爾傳感器優(yōu)點(diǎn)

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

　　1）原邊副邊絕緣強(qiáng)度高，至高可達(dá)AC12kV隔離；

　　2）無(wú)插入損耗；

　　3）動(dòng)態(tài)性能好：響應(yīng)時(shí)間小于20us跟蹤速度di/dt高于20A/us

　　4)安裝時(shí)無(wú)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(jī)房改造、鐵路機(jī)車改造等項(xiàng)目，它能將系統(tǒng)中原邊直流電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)DC±5V或4-20mA輸出，起到了監(jiān)測(cè)和電氣隔離作用，可與多回路監(jiān)控儀表或其他電氣測(cè)量?jī)x表配套使用。

　　4、應(yīng)用實(shí)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(shí)，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(fù)，而整個(gè)安裝過程中，至少需要兩名施工人員配合施工，同時(shí)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(shí)施工時(shí)間預(yù)計(jì)僅需傳統(tǒng)方案1/20時(shí)間，工廠停電時(shí)間也可相應(yīng)減少，甚至某些場(chǎng)合不斷電施工安裝，采用此方案明顯省時(shí)、省力、省人工。從傳感器采購(gòu)價(jià)格對(duì)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(gòu)價(jià)略高了10%左右。而從測(cè)試性能方面分析，只要安裝時(shí)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(duì)比，無(wú)論是從現(xiàn)場(chǎng)施工的*性還是從項(xiàng)目改造整體采購(gòu)、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(wú)疑是性價(jià)比高的方案。

　　以國(guó)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(hù)裝置（斷路器、熔斷器等）、防反二極管等，而且可以對(duì)每路電壓電流進(jìn)行監(jiān)控，并可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。采用8個(gè)開口式霍爾電流傳感器來(lái)監(jiān)控直流電流，布局美觀，相對(duì)于傳統(tǒng)霍爾安裝更方便，與分流器方案相比更加安全、實(shí)用。

　　圖7所示為某鐵路機(jī)車改造項(xiàng)目，改造要求在不能拆卸母排前提下來(lái)監(jiān)測(cè)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(jī)車改造項(xiàng)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(jiǎn)單、安裝方便、運(yùn)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(xiàng)目中得到了大量應(yīng)用。