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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(hù)及自動(dòng)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(jìn)行相應(yīng)的改造已顯得十分迫切。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已無法解決，因此可采用開口式霍爾電流傳感器來解決改造項(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。

1　產(chǎn)品設(shè)計(jì)

1.1　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)磁率極高等特點(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為方孔型，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20～20000A，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(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流過一根長導(dǎo)線時(shí)，在導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生磁場，磁場的大小與流過導(dǎo)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(gè)霍爾元件進(jìn)行測量，兩個(gè)霍爾元件標(biāo)志面相反置于同一磁場內(nèi)，輸出信號具有互補(bǔ)特征，輸出電壓通過差分放大輸出，不但可抑制共模干擾，也可減少溫度漂移的影響，輸出電壓VS精確的反映原邊電流IP。一般的額定輸出標(biāo)定為DC±5V或DC4~20mA。

1.3　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，合上傳感器的下半部分，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(gè)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單。

圖5 產(chǎn)品安裝示意圖

1.4　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，最高可達(dá)AC 12kV隔離；

（2）無插入損耗；

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

（4) 安裝時(shí)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。

2　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、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轉(zhuǎn)換成為標(biāo)準(zhǔn)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。

2.1　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)，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(fù)。整個(gè)安裝過程至少需要兩名施工人員配合施工，同時(shí)整改線路必須停電配合；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的時(shí)間，工廠停電時(shí)間也可相應(yīng)減少，甚至某些場合可以不斷電施工安裝，采用此方案明顯省時(shí)、省力、省人工。從傳感器采購價(jià)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(jià)略高了10%左右。而從測試性能方面分析，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。

綜上對比，無論是從現(xiàn)場施工的優(yōu)越性還是從項(xiàng)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(jià)比最高的方案。

以國內(nèi)知名企業(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，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(jī)車改造項(xiàng)目

3　結(jié)語

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(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，特別是在改造項(xiàng)目中大量應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[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.

摘自《自動(dòng)化博覽》2015年12月刊