用分流器取代霍爾傳感器進行電流測量

楊瑩冰

(深圳市地鐵集團有限公司 廣東深圳 518000)

用分流器取代霍爾傳感器進行電流測量

楊瑩冰

(深圳市地鐵集團有限公司 廣東深圳 518000)

介紹地鐵供電系統采用的直流大電流測量方式，論述分流器和霍爾傳感器的工作原理。根據直流開關柜一次回路和二次回路的特點，設計制訂用分流器取代霍爾傳感器進行電流測量更新改造的方案;通過在實際應用中的比較，發現傳統技術分流器是更適合地鐵直流大電流測量的簡單可靠方案。

地鐵供電系統;開關柜;直流大電流;測量;霍爾傳感器;零點漂移;分流器

深圳地鐵1 500 V直流開關柜主要用于電能分配(見圖1)，它將直流大電流輸送至接觸網，其正常運行電流為－2 kA～4 kA，故障電流可達30 kA左右。由于直流開關柜是關系到地鐵能否正常運行的重要設備，所以對其電流測量回路的準確性和可靠性均具有較高要求。雖然分流器是傳統技術，霍爾傳感器是先進技術，但霍爾技術在實際應用中卻存在著諸多問題。因此，對測量更新改造方案進行探討有很大的實際意義。

1 霍爾傳感器和分流器的工作原理

1.1 霍爾傳感器工作原理

1.1.1 霍爾效應

霍爾傳感器的基本原理是霍爾效應(Hall effect)。如圖2所示，在Y軸方向上(垂直于導體或半導體薄片)有磁通感應強度為B的磁場，同時在X軸方向上通電流IH，則半導體薄片在Z軸上產生一個微小電壓UH，即霍爾電勢，其大小可表示為

圖1 直流1 500 V饋線柜一次回路

式中:RH為霍爾系數，由半導體材料的性質決定;d為半導體材料的厚度。

圖2 霍爾效應原理

設RH/d=K，則式(1)可寫為

式中，K為乘積靈敏度。

可見，霍爾電壓與控制電流及磁感應強度的乘積成正比;K值越大，靈敏度越高;元件厚度越小，輸出電壓也越大。

1.1.2 電路原理

用霍爾互感器可測量直流、交流及脈沖等任意波形的信號，帶寬為0～100 kHz，響應時間為1 μs，準確度可達1.0～0.1 級，線性度優于 0.1%，等等。磁場平衡式的霍爾電流傳感器在軟芯鐵芯上繞有一組副線圈，電流通過時產生的磁場與主回路被測電流產生的磁場方向相反。設定兩個回路的匝數相等，所產生的磁場相互抵消，呈現零磁通狀態。一旦被測電流發生變化，磁場失去平衡，霍爾器件就有電壓信號輸出，副線圈就有一定的電流通過，可表示為

式中:Np為主回路繞線匝數;Ip為主電流，即被測電流;Ns為次級回路繞線匝數;Is為次級回路電流，已知Is就知道主回路電流IpNs的大小。

1.2 分流器工作原理

圖3是深圳地鐵本次更新改造使用的分流器。在電路中接入分流器，當電流通過時會產生一個成比例的電壓降，將一個動圈式儀表接到分流器，然后測量分流器端子兩端的電壓降;根據歐姆定律(見圖4)，用測得的電壓除以分流器的電阻，就可以得到電路中的電流。校正分流器，用這種方法得到一個規定精確的毫伏級電壓降。

圖3 WEIGEL0.5級分流器

2 電流測量回路更新改造

2.1 電氣主回路改造

將現有霍爾傳感器與SEL板卡的結合方式，改造為分流器與變送器的結合方式。拆除斷路器出線端銅排及出線端隔離觸指，安裝分流器及出線隔離觸指，特別要注意出線隔離觸指與銅母排高度距離公差等尺寸的配合，以及出線隔離觸指與銅母排型號的配合。一次回路的改造情況如圖5所示。

圖4 分流器電流測量原理

圖5 改造前后一次回路比較

2.2 二次控制回路改造

拆除斷路器二次控制箱內的SEL測量板卡及其上的SEL傳感器二次線，取下SEL測量板卡。安裝斷路器分流器二次耐壓線，安裝直流電流測量變送器;改造斷路器航空插頭、插座接線及二次控制室內接線。二次回路的改造情況如圖6所示。

2.3 改造后的質量控制

改造完成后，應參照國家現行的管理條例和規范以及IEC和DIN EN 50123標準，完成下列試驗:斷路器操作試驗、斷路器主回路介電試驗、斷路器輔助線路絕緣試驗、斷路器主回路電阻測量、電流測量回路功能試驗、斷路器手車位置試驗、斷路器緊固件力矩的檢查。

3 霍爾傳感器和分流器使用比較

3.1 霍爾傳感器使用情況

2009年4—12月，1號線一期1 500 V直流快速斷路器共發生8起由電流測量故障引發的誤跳閘事件，其電流測量回路采用的是霍爾傳感器與SEL測量板卡相結合的技術。在深圳地鐵6年的設備實際運行過程中，主要存在以下問題:易受環境影響，電流測量性能不穩定，存在零點漂移的問題(見表1);SEL板卡易因元器件的老化、故障，導致其失效和故障。

圖6 改造前后二次回路比較

表1 1號線直流1 500 V饋線電流零點漂移值 A

3.2 分流器使用情況

2010年10月—2012年5月，使用分流器組合改造后的斷路器尚未出現因電流測量回路問題引起的誤跳閘，且使用情況良好，各所均無零點漂移問題，電流測量精確度高。對測量回路進行測試，測試條件如下:分流器額定值為4000 A/60 mV;變送器為輸入±180 mV，輸出4～20 mA;使用大電流發生器，在一次回路加電流。測試情況如表2所示。

4 結語

從理論上分析，霍爾傳感器的測量性能優于分流器的測量性能。對于深圳地鐵的1500 V直流開關柜，電流測量回路若使用霍爾傳感器組合，則存在零點漂移大、故障率高等問題，且成本較高。但將其更新改造成分流器組合后，供電可靠性得到提高，更適合于深圳地鐵的現狀，具有可推廣性。總結深圳地鐵的實際應用經驗，該更新改造方案創造了經濟效益和社會效益，對后續地鐵建設或地鐵同行選擇直流大電流測量方案都具有指導意義和參考價值。

表2 分流器測量回路測試情況

［1］吳金宏，倪向陽，吳昊.霍爾電流電壓傳感器/變送器模塊的性能及應用［J］.國外電子元器件，2001(1):12-15.

［2］美國福祿克公司計量校準部.電流測量技術的新突破［J］.前沿技術，2009，28(8):1-4.

［3］武金玲，于紅，艾樹峰.基于霍爾傳感器的高壓電流測量方法與實現［J］.電訊技術，2003(3):116-118.

［4］艾欣，楊以涵，張維榮.直放式霍爾原理大電流互感器的研制［J］.中國電力，2001，34(3):33-35.

［5］DIN EN 50123-4-2003 Railway applications-fixed installations;D.C.switchgear-part 4:outdoor d.c.switchdiscon-nectors，switch-disconnectors and earthing switches［S］.Berlin:the German Institute for Standardization，2003.

［6］王安，周會高，牛安，等.中國首次大容量試驗短路電流測量國際比對［J］.中國電力，2007，40(6):41-44.

［7］成小玲，黃大華.LEM公司磁平衡式霍爾檢零電流傳感器的工作原理和應用［J］.電子元器件應用，2006，8(10):58-60.

Replacing Hall Sensor with Shunt for Current Measurement

Yang Yingbing
(Shenzhen Metro Co.，Ltd.，Shenzhen 518000)

Abstract:Shunt and hall sensor are mainly the two ways in heavy direct current measurement.The former is traditional and the latter is modern.However，Line 1 of Shenzhen metro is facing problems like zero offset and high fault rate.Under these circumstances，if the hall sensor measuring system is adopted，it will affect the reliability of power supply system of the metro.In this paper，a renovation program replacing hall sensor with shunt has been designed for current measurement in line with the characteristics of primary and secondary circuit.Comparing hall sensor with shunt through practical application，the author found out that shunt was a simpler and more reliable way for measuring heavy direct current.

Key words:metro power supply system;switchgear;heavy direct current;measurement;hall sensor;zero offset;shunt

U224

A

1672-6073(2013)02-0127-03

10.3969/j.issn.1672-6073.2013.02.032

收稿日期:2012-04-27

2012-05-22

作者簡介:楊瑩冰，女，助理工程師，從事地鐵供電系統運行維護的技術指導，iceberg1616@163.com

(編輯:郭 潔)