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、繼電保護(hù)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(jìn)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(xiàng)目中直流電流計量問題,確保改造過程不停電且安全運(yùn)行。
2、產(chǎn)品設(shè)計
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(jìn),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(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,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)氣隙中兩個霍爾元件進(jìn)行測量,兩霍爾元件標(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(diǎn)
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(diǎn):
1)原邊副邊絕緣強(qiáng)度高,至高可達(dá)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(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。
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,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(yù)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(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(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(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
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(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。