开口式霍尔电流传感器在配电系统中的应用原理解析

直流配电系统通常由高频开关电源和蓄电池组成，用于为直流系统中控制、信号、继电保护及自动装置、事故照明等提供可靠的直流电源，对其供电的可靠性、稳定性以及供电质量均有着很高的要求。因此对某些服役已久的直流系统进行相应的改造已显的十分迫切。且直流系统改造时不停电，工程改造难度大，采用传统的闭口霍尔电流传感器或者分流器也无法解决，因此可采用开口式霍尔电流传感器来解决改造项目中直流电流计量问题，确保改造过程不停电且安全运行。

1 产品设计

1.1结构特点

开口式霍尔电流传感器在传统闭口霍尔电流传感器的基础上进行研发，结构新颖，外形美观大方。整体由外壳、铁芯、采样线路板及固定树脂构成，外壳材料采用PC/ABS合金，具有耐高温、机械强度高、环保等特点；铁芯采用有取向冷扎硅钢片，具有性能稳定，机械强度高，导磁率极高等特点；线路板与外部接线采用绿色可插拔端子，现场接线方便、可靠。具体结构如图1、2所示，产品外观采用分体式设计，图1为圆孔型，适合直流系统一次母线为电缆时穿过。，图2方孔型，适合直流系统一次母线为铜排时穿过。根据一次电流的测量范围及穿孔要求，可选择相应的产品类型。该系列传感器电流可测范围为20A～20000A，主要外形有ф20、ф40、ф60、64*16、85*27、104*36、140*50等多种规格，如图3所示，适用于不同应用场合。

图1 圆孔型 图2 方孔型

图3 AHKC系列开口式霍尔电流传感器

1.2工作原理

霍尔电流传感器是根据霍尔效应、电磁感应原理设计的一种传感器，按原理可分为开环方式（直放式）和闭环方式（磁平衡式），开口式霍尔电流传感器是在传统开环（直放式）霍尔传感器的基础上加以改进，与传统单铁芯、单霍尔芯片设计不同，为了设计为分体式结构，将铁芯分离对称安装，硬件采用双霍尔芯片并联互补差分输入，开口式霍尔传感器原理如图4所示：

图4 开口式霍尔传感器原理图

当原边电流IP流过一根长导线时，在导线周围将产生磁场，磁场的大小与流过导线的电流成正比，产生的磁场聚集在磁环内，通过磁环气隙中两个霍尔元件进行测量，两霍尔元件标志面相反置于同一磁场内，输出信号具有互补特征，输出电压通过差分放大输出，不但可抑制共模干扰，也可温度漂移的影响，输出电压VS精确的反映原边电流IP。一般的额定输出标定为DC±5V或DC4-20mA。

1．3产品安装

以方孔产品为例，如图5所示，将开口式霍尔电流传感器的安装螺丝打开，卸下传感器的下体；将开口式霍尔电流传感器的上体装入配电系统的一次母排，合上传感器的下体，将传感器的安装螺丝、垫片穿过上、下体的固定孔，将传感器的上、下体固定在一起。如果现场可断电安装，可在铜牌上按传感器间距要求开两个对应螺纹孔，将传感器通过后侧的安装固定孔固定在母排螺纹孔上，完成传感器的安装；如现场要求不断电安装，可采用配套橡胶垫块内嵌于外壳与铜牌之间固定，确保传感器能在振动条件下也能可靠工作，整个安装过程比较快速简单。

图5 产品安装示意图

1.4 开口式霍尔传感器优点

与传统直流电流计量一般采用分流器或互感器测量方法相比，开口式霍尔传感器具有以下优点：

1）原边副边绝缘强度高，最高可达AC 12kV隔离；

2）无插入损耗；

3）动态性能好：响应时间小于20us跟踪速度di/dt高于20A/us

4） 安装时无需拆卸原边电缆或母排，特别适用于不允许断电设备的改造施工。

2.产品应用

开口式霍尔电流传感器主要应用在工厂改造直流配电系统中，如电厂直流电源系统改造、变电站直流系统改造改造、通讯机房改造、铁路机车改造等项目，它能将系统中原边直流电流信号转换成为标准DC± 5V或4-20mA输出，起到了监测和电气隔离作用，可与多回路监控仪表或其他电气测量仪表配套使用。

2.1 应用实例

从改造成本方面考虑，如采用传统闭口式霍尔传感器或者分流器方案，施工时，必须先拆卸直流母线铜排，然后安装传感器，再将母排重新安装恢复，而整个安装过程中，至少需要两名施工人员配合施工，同时整改线路必须停电配合；而如采用开口式霍尔传感器方案，以1.3所述安装方法安装，仅需一名施工人员，同时施工时间预计仅需传统方案1/20时间，工厂停电时间也可相应减少，甚至某些场合不断电施工安装，采用此方案明显省时、省力、省人工。从传感器采购价格对比，同种开孔外形开口式霍尔传感器较闭口式霍尔传感器采购价略高了10%左右。而从测试性能方面分析，只要安装时传感器的上、下体螺丝固定紧密，开口式传感器与闭口式传感器的精度、稳定性基本一致。

综上对比，无论是从现场施工的优越性还是从项目改造整体采购、施工等方面的综合成本考虑，使用开口式霍尔电流传感器无疑是性价比最高的方案。

以国内知名企业的直流配电柜为例，如图6所示，将多路直流输入汇总成一路电流输出，每路都有保护装置（断路器、熔断器等）、防反二极管等，而且可以对每路电压电流进行监控，并可以实现远程通信。采用8个开口式霍尔电流传感器来监控直流电流，布局美观，相对于传统霍尔安装更方便，与分流器方案相比更安全、实用。

图7所示为某铁路机车改造项目，改造要求在不能拆卸母排前提下来监测该母排直流电流，此种情况只能采用开口式霍尔电流传感器方案。

图6 某企业直流配电柜 图7某铁路机车改造项目

3. 结论

综上所述，开口式霍尔电流传感器因其结构简单、安装方便、运行可靠等良好的适用性，在直流系统应用中发挥很大的作用，特别是改造项目中得到了大量应用。
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