開口式霍爾電流傳感器在工廠改造配電系統中的應用

凌曉杰1 朱大衛2 楊廣亮2 黃文濤2

（1.浙江省超維建筑設計院 浙江 310011）

（2.江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇 江陰 214405)

摘 要：根據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中的應用，為用戶快速實現直流系統智能配電提供解決方案。

關鍵詞：開口式霍爾電流傳感器   直流配電系統  工作原理  應用

    直流配電系統通常由高頻開關電源和蓄電池組成，用于為直流系統中控制、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、穩定性以及供電質量均有著很高的要求。因此對某些服役已久的直流系統進行相應的改造已顯的十分迫切。且直流系統改造時不停電，工程改造難度大，采用傳統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。

   1 產品設計

    1.1結構特點

    開口式霍爾電流傳感器在傳統閉口霍爾電流傳感器的基礎上進行研發，結構新穎，外形美觀大方。整體由外殼、鐵芯、采樣線路板及固定樹脂構成，外殼材料采用PC/ABS合金，具有耐高溫、機械強度高、環保等特點；鐵芯采用有取向冷扎硅鋼片，具有性能穩定，機械強度高，導磁率極高等特點；線路板與外部接線采用綠色可插拔端子，現場接線方便、可靠。具體結構如圖1、2所示，產品外觀采用分體式設計，圖1為圓孔型，適合直流系統一次母線為電纜時穿過。，圖2方孔型，適合直流系統一次母線為銅排時穿過。根據一次電流的測量范圍及穿孔要求，可選擇相應的產品類型。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等多種規格，如圖3所示，適用于不同應用場合。

                      圖1 圓孔型                      圖2  方孔型

                               圖3 AHKC系列開口式霍爾電流傳感器

1.2工作原理

    霍爾電流傳感器是根據霍爾效應、電磁感應原理設計的一種傳感器，按原理可分為開環方式（直放式）和閉環方式（磁平衡式），開口式霍爾電流傳感器是在傳統開環（直放式）霍爾傳感器的基礎上加以改進，與傳統單鐵芯、單霍爾芯片設計不同，為了設計為分體式結構，將鐵芯分離對稱安裝，硬件采用雙霍爾芯片并聯互補差分輸入，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，在導線周圍將產生磁場，磁場的大小與流過導線的電流成正比，產生的磁場聚集在磁環內，通過磁環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，輸出信號具有互補特征，輸出電壓通過差分放大輸出，不但可抑制共模干擾，也可溫度漂移的影響，輸出電壓VS精確的反映原邊電流IP。一般的額定輸出標定為DC±5V或DC4-20mA。

1.3產品安裝

    以方孔產品為例，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。如果現場可斷電安裝，可在銅牌上按傳感器間距要求開兩個對應螺紋孔，將傳感器通過后側的安裝固定孔固定在母排螺紋孔上，完成傳感器的安裝；如現場要求不斷電安裝，可采用配套橡膠墊塊內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 產品安裝示意圖

1.4開口式霍爾傳感器優點

    與傳統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點：

    1）原邊副邊絕緣強度高，最高可達AC 12kV隔離；

    2）無插入損耗；

    3）動態性能好：響應時間小于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備的改造施工。

2.產品應用

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

2.1 應用實例

    從改造成本方面考慮，如采用傳統閉口式霍爾傳感器或者分流器方案，施工時，必須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，同時整改線路必須停電配合；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方案1/20時間，工廠停電時間也可相應減少，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、穩定性基本一致。

    綜上對比，無論是從現場施工的優越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最高的方案。

    以國內知名企業的直流配電柜為例，如圖6所示，將多路直流輸入匯總成一路電流輸出，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控，并可以實現遠程通信。采用8個開口式霍爾電流傳感器來監控直流電流，布局美觀，相對于傳統霍爾安裝更方便，與分流器方案相比更安全、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 某企業直流配電柜                                    圖7某鐵路機車改造項目

3結論

    綜上所述，開口式霍爾電流傳感器因其結構簡單、安裝方便、運行可靠等良好的適用性，在直流系統應用中發揮很大的作用，特別是改造項目中得到了大量應用。

文章來源：《自動化博覽》2015年12期。

【1】電量傳感器選型手冊【Z】.江蘇安科瑞電器制造有限公司.2015.07.