霍爾傳感器在地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

王 威，魏曉娟

(1.成都新欣神風(fēng)電子科技有限公司，四川 成都；611743；2.成都軌道交通集團(tuán)有限公司，四川 成都 614000)

1 電力監(jiān)控系統(tǒng)概述

隨著我國城鎮(zhèn)化進(jìn)展與城市交通的日益擁擠，地鐵交通已然成為現(xiàn)代城市的重要交通工具。近年來我國加快發(fā)展地鐵交通建設(shè)步伐。當(dāng)前綜合自動化系統(tǒng)在地鐵交通中得以廣泛的運(yùn)用，該系統(tǒng)包括電力監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、機(jī)電設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)等[1]。電力監(jiān)控系統(tǒng)是地鐵交通綜合監(jiān)控系統(tǒng)中的一個重要部分，其主要是對地鐵交通接觸網(wǎng)上的各種設(shè)備進(jìn)行實(shí)時的遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過對各種電量參數(shù)的測量、比較與運(yùn)算，實(shí)時反饋上報(bào)至系統(tǒng)，以供系統(tǒng)根據(jù)反饋信息處理各類事故及報(bào)警事件[1]。電力監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 電力監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

電力監(jiān)控系統(tǒng)檢測和測量的電量參數(shù)主要為各個主要回路的電流與電壓[2]。傳統(tǒng)電流測量是通過檢測電阻將電流轉(zhuǎn)成電壓，該方式存在兩個問題：在大電流檢測時檢測電阻消耗能量，降低效率；檢測電流與輸出電壓不隔離。傳統(tǒng)電壓檢測也存在檢測電壓與輸出電壓非隔離的問題[3]?；魻栃蛡鞲衅饔捎诰哂休^小的體積、低噪聲、低功耗、良好的隔離效果等優(yōu)點(diǎn), 已在電流和電壓測量方面受到廣泛的應(yīng)用[4]。

2 霍爾傳感器簡介

2.1 霍爾效應(yīng)

如圖2所示，將一塊長度為L、寬度為W的半導(dǎo)體薄片，垂直放在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場中，通過外部施加電壓使得薄片橫向的通電電流為I。

圖2 霍爾效應(yīng)和霍爾電壓

當(dāng)電流I流經(jīng)霍爾片時，由洛倫茲定理可知，霍爾片中的載流子會分別向霍爾片上下兩側(cè)偏轉(zhuǎn)聚集，從而形成霍爾電場。當(dāng)霍爾電場產(chǎn)生的電場力和洛侖茲力相等時，霍爾片兩側(cè)建立起一個穩(wěn)定的電壓，即霍爾電壓UH，這種現(xiàn)象就是霍爾效應(yīng)，該薄片稱為霍爾片?；魻栯妷篣H可以表示為：

UH=(RH/d)IB

(1)

式中,RH為霍爾系數(shù), 由霍爾片材料的性質(zhì)決定；d為霍爾片的厚度；RH/d稱為靈敏度，其值越大，則該霍爾片就越靈敏。由式(1)可見霍爾電壓UH與控制電流I及磁感應(yīng)強(qiáng)度B成正比。若通過外圍電路給霍爾片施加恒定電流I, 且使磁感應(yīng)強(qiáng)度B與產(chǎn)生該磁場的被測電流呈正比，則可利用此原理制成霍爾電流傳感器；仍固定電流I，若使得B與產(chǎn)生該磁場的被測電壓呈正比。

霍爾電流、電壓傳感器的測量均屬于間接測量，可對直流或交流的電流和電壓進(jìn)行測量，且可以做到輸入輸出隔離。根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為開環(huán)式和閉環(huán)式兩種。

2.2 開環(huán)霍爾電流傳感器

如圖3所示，當(dāng)電流IP流經(jīng)穿過磁環(huán)的長導(dǎo)線時，導(dǎo)線周圍將產(chǎn)生與電流IP成正比的磁場，磁力線方向可用右手定則判定。開口磁環(huán)氣隙中的霍爾元件可以檢測垂直穿過的磁場強(qiáng)度并轉(zhuǎn)化為電壓信號，經(jīng)放大處理后輸出電壓US，US可以精確的反映電流IP的大小。

圖3 開環(huán)霍爾電流傳感器

2.3 閉環(huán)霍爾電流傳感器

如圖4所示，閉環(huán)霍爾電流傳感器的工作原理如下：當(dāng)電流IP流經(jīng)穿過磁環(huán)的長導(dǎo)線時，磁環(huán)氣隙中的霍爾器件會感應(yīng)到導(dǎo)線周圍的磁場并輸出為電壓信號，電壓信號經(jīng)運(yùn)算放大輸出后用于驅(qū)動晶體管并使其輸出一個電流IS。電流IS通過開口磁環(huán)的副邊多匝繞組產(chǎn)生磁場，通過改變該多匝繞組的繞向使得該磁場與原邊被測電流產(chǎn)生的磁場極性相反，因而對原邊電流產(chǎn)生的磁場進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)補(bǔ)償電流IS與次級繞組匝數(shù)NS的乘積等于原邊導(dǎo)線電流IP與原邊匝數(shù)NP乘積相等時(本例中NP=1)，磁場達(dá)到平衡，補(bǔ)償電流IS即穩(wěn)定，此時可以通過測量IS來計(jì)算IP。根據(jù)安匝平衡即有：

NPIP=NSIS (2)

當(dāng)IP發(fā)生任何變化時，上述磁場平衡或者安匝平衡即受到破壞，霍爾器件即有信號輸出，則會有相應(yīng)的補(bǔ)償電流流經(jīng)副邊多匝繞組對磁場進(jìn)行補(bǔ)償，即重復(fù)上述過程重新達(dá)到平衡。從失衡到再次平衡，這樣一個動態(tài)平衡的過程，理論上所需的時間不到1 μs。因此對于閉環(huán)式霍爾電流傳感器來說，次級的補(bǔ)償電流安匝數(shù)在任何時間都與初級被測電流的安匝數(shù)相等。因此閉環(huán)電流傳感器又被稱為磁平衡式電流傳感器或補(bǔ)償式傳感器。

2.4 閉環(huán)霍爾電壓傳感器

如圖5所示，當(dāng)原邊被測電壓UP通過限流電阻Ri產(chǎn)生的電流IP流過原邊線圈時，磁環(huán)氣隙中的霍爾器件通過感應(yīng)磁環(huán)中的磁場并輸出為電壓信號，其工作原理與閉環(huán)式霍爾電流傳感器相同，也是以磁平衡方式工作的。

圖5 閉環(huán)霍爾電壓傳感器

3 霍爾傳感器在電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用

通過上文關(guān)于霍爾電流傳感器和電壓傳感器工作原理的介紹，可以明確地認(rèn)識到霍爾傳感器在地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)檢測與測量過程中具有廣泛的應(yīng)用。中國網(wǎng)安旗下的成都新欣神風(fēng)電子科技有限公司推出的電量隔離傳感器產(chǎn)品有高壓霍爾電壓傳感器(SFCDY系列)、大電流霍爾電流傳感器(SFCDL系列)以及電流互感器(SFLR系列)等，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、通信儀表以及鐵路地鐵等軍民領(lǐng)域，并得到客戶普遍認(rèn)可。

霍爾電流和電壓傳感器可以應(yīng)用在電力監(jiān)控系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié)與各個子系統(tǒng)，如圖1所示。

高壓測控保護(hù)裝置可以根據(jù)電壓的幅值選擇使用高壓霍爾電壓傳感器測量與反饋，新欣神風(fēng)的SFCDY系列高壓傳感器可以測量高達(dá)數(shù)千伏的直流或者交流電壓，并可以按照需求輸出一個幾十毫安電流或者幾伏電壓以供反饋信號使用。其精度可以達(dá)到優(yōu)于1%，線性度優(yōu)于0.2%，反應(yīng)時間小于10 μs。

中壓、低壓測控保護(hù)裝置可以使用霍爾電流傳感器測量與反饋，SFCDL系列電流傳感器可以測量高達(dá)數(shù)千安培的直流或者交流電流，并可以輸出一個200 mA以下電流或者幾伏電壓以供反饋信號使用?；魻栯娏鱾鞲衅鞯木瓤梢宰龅絻?yōu)于1%甚至更低，尤其是大電流傳感器的精度可以做到優(yōu)于1‰，線性度優(yōu)于0.2%，反應(yīng)時間小于10 μs。

4 應(yīng)用過程中需要注意的問題

(1)應(yīng)根據(jù)被測電流的大小合理選擇導(dǎo)線或者匯流條，然后選擇合適孔徑的電流傳感器，匯流條最好能夠充滿傳感器孔徑或處于孔徑的中心位置。

(2)傳感器的供電電壓有+5 V或±15 V等，測試時應(yīng)先打開供電電源，再打開測試電源。關(guān)機(jī)時應(yīng)先關(guān)閉被測電源，再關(guān)閉供電電源，對傳感器進(jìn)行消磁處理。

(3)霍爾傳感器應(yīng)盡量安裝在遠(yuǎn)離強(qiáng)磁場位置的區(qū)域，如應(yīng)與變壓器、大電感、大電流匯流條等保持距離。

(4)使用霍爾電壓傳感器時應(yīng)注意限流電阻的最大耐壓及最大功耗，避免電阻受到超限應(yīng)力而損壞。

5 結(jié) 論

本文詳細(xì)介紹了霍爾電流、電壓傳感器的工作原理，對霍爾傳感器在地鐵電力監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了分析，并提示了在應(yīng)用過程中應(yīng)該注意的問題。