基于銅排的新型短路保護(hù)用大電流傳感器的分析與設(shè)計(jì)

施 源，莊勁武，江壯賢，武 瑾，孫逢欣

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，武漢 430033）

0 引言

船用大電流保護(hù)裝置是艦船電力系統(tǒng)的重要組成部分[1]，在保護(hù)裝置進(jìn)行故障電流分?jǐn)噙^(guò)程中，傳感器對(duì)電流的判斷，檢測(cè)起到了非常重要的作用。現(xiàn)有傳感器多數(shù)是在試品銅排上套一整圈磁環(huán)來(lái)確保檢測(cè)電流的準(zhǔn)確性[3]。然而，當(dāng)電流等級(jí)較大時(shí)，一整圈鐵芯顯得笨重，繁雜并且占用較大體積，對(duì)珍貴的船用空間不利[4]。

由于大電流時(shí)銅排周邊能對(duì)傳感器形成大干擾的可能性較小，可以考慮用固定在特殊位置上的單一芯片替代一整圈鐵芯的方法設(shè)計(jì)出主要用于短路保護(hù)的大電流霍爾傳感器。本文從霍爾傳感器的基本原理出發(fā)，用有限元軟件[5-6]分析從實(shí)際角度考慮了霍爾芯片的擺放位置，并用試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。在此基礎(chǔ)上，分析了干擾源對(duì)其產(chǎn)生的各種影響。

1 銅排用無(wú)鐵芯霍爾傳感器原理

1.1 霍爾芯片工作原理

霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器。霍爾效應(yīng)定義了磁場(chǎng)和感應(yīng)電壓之間的關(guān)系，當(dāng)電流通過(guò)一個(gè)位于磁場(chǎng)中的導(dǎo)體的時(shí)候，磁場(chǎng)會(huì)對(duì)導(dǎo)體中的電子產(chǎn)生一個(gè)垂直于電子運(yùn)動(dòng)方向上的作用力，從而在垂直于導(dǎo)體與磁感線的兩個(gè)方向上產(chǎn)生電勢(shì)差。

式(1)中：UH稱為霍爾電壓[7]；B為磁感應(yīng)強(qiáng)度；IH為控制電流；RH為霍爾系數(shù)；d為半導(dǎo)體厚度；

對(duì)于霍爾輸出電壓信號(hào)UH的處理，人們?cè)O(shè)計(jì)了許多種電路，但總體來(lái)講可分為兩類，一類為開環(huán)霍爾電流傳感器；另一類為閉環(huán)霍爾電流傳感器。然而，為了保證精度和抗干擾能力，上述兩類傳感器均使用了鐵芯。其弊端是環(huán)繞銅排一周的鐵芯會(huì)占用相當(dāng)大的體積。

本文所研究的對(duì)象為船用直流 8 kA限流保護(hù)裝置，由于是船用設(shè)備，對(duì)裝置體積要求盡可能小。事實(shí)上目前所用霍爾傳感器因有鐵芯的緣故所占體積太大太笨重，很有必要對(duì)其進(jìn)行小體積化改進(jìn)。

1.2 銅排用無(wú)鐵芯霍爾傳感器原理

圖1所示為銅排用無(wú)鐵芯霍爾傳感器原理示意圖，芯片在貼近銅排的中部特定位置固定，電流從銅排流過(guò)產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)穿過(guò)芯片產(chǎn)生霍爾電壓，霍爾電壓根據(jù)一定的比例關(guān)系便可以得到通過(guò)銅排的電流。該裝置主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1)由于被測(cè)銅排尺寸固定，霍爾芯片的位置固定，所以通過(guò)銅排的電流與磁場(chǎng)的關(guān)系固定，可以得到銅排電流I與芯片處磁感應(yīng)強(qiáng)度B的函數(shù)關(guān)系I＝f(B)。

2)無(wú)鐵芯的設(shè)計(jì)使得測(cè)量電流的霍爾傳感器體積大大減小，并且由于霍爾芯片距離銅排位置近，被測(cè)電流很大（千安級(jí)），芯片被干擾的可能性小。所以測(cè)量大電流時(shí)可以測(cè)得較為準(zhǔn)確。

2 霍爾傳感器的位置設(shè)計(jì)

本保護(hù)裝置主體部分為快速分?jǐn)嗟你~橋結(jié)構(gòu)，銅橋兩側(cè)由銅排連接，銅排截面尺寸為 250 mm×20 mm,兩排之間間隔為152 mm。

從原則上講，傳感器擺放的位置應(yīng)該放在空間位置的微小差異不至于引起磁力線變化過(guò)大的位置，即磁力線分布比較均勻的地方，從這一點(diǎn)上看，傳感器應(yīng)該放在銅排中間處。同時(shí)，芯片應(yīng)當(dāng)讓磁力線垂直穿入。

使用Ansoft Maxwell軟件對(duì)試品總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，其中銅橋部分未畫出。建立的模型如圖2所示。

圖1 銅排用無(wú)鐵芯霍爾傳感器原理示意圖

圖2 Ansoft仿真模型

圖3 無(wú)干擾源時(shí)磁感應(yīng)強(qiáng)度分布圖

設(shè)定求解范圍后，對(duì)電流進(jìn)出的銅排截面加載8 kA電流，方向與實(shí)際方向相同。

在沒(méi)有外界干擾時(shí)，仿真的計(jì)算結(jié)果如圖3（電流方向?yàn)樽髠?cè)銅排8 kA垂直紙面向外，右側(cè)銅排8 kA垂直紙面向里）圖所示為芯片所在位置與電流垂直的截面的磁感應(yīng)分布。

以左側(cè)銅排內(nèi)側(cè)表面中心處為基點(diǎn)，由外往內(nèi)取10個(gè)點(diǎn)，依次與基準(zhǔn)點(diǎn)相距1～10 mm，磁感應(yīng)強(qiáng)度見(jiàn)下表：

表1 銅排內(nèi)側(cè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化表

同理在左側(cè)銅排外側(cè)表明中心處為基點(diǎn)，由內(nèi)往外取10個(gè)點(diǎn)，依次與基準(zhǔn)點(diǎn)相距1-10mm，磁感應(yīng)強(qiáng)度見(jiàn)下表：

表2 銅排外側(cè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化表

由于經(jīng)過(guò)2塊銅排的電流方向?yàn)橐贿M(jìn)一出，磁感應(yīng)強(qiáng)度分布為銅排內(nèi)側(cè)大于銅排外側(cè)，即內(nèi)部的磁感應(yīng)強(qiáng)度場(chǎng)疊加效應(yīng)更為明顯。為了抗干擾能量更強(qiáng)，放在銅排內(nèi)側(cè)更好。另外，傳感器應(yīng)盡量遠(yuǎn)離銅橋。

從表中可以看到銅排內(nèi)側(cè)的點(diǎn)比銅排外側(cè)的點(diǎn)磁感應(yīng)強(qiáng)度要大，這也恰好驗(yàn)證了測(cè)點(diǎn)放在銅排內(nèi)側(cè)抗干擾更強(qiáng)的分析。

由于測(cè)點(diǎn)距離銅排邊緣表面1～10 mm的磁感應(yīng)強(qiáng)度變化很小，因此芯片放在距離銅排1～10 mm的位置均可，考慮到實(shí)際加工的方便，芯片放置在銅排內(nèi)側(cè)距離銅排5 mm的地方。

3 傳感器樣機(jī)及試驗(yàn)

為了驗(yàn)證傳感器檢測(cè)電流的效果，進(jìn)行了下列驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)試品如圖4所示，由2根截面為250 mm×20 mm的銅排用一根導(dǎo)線連接起來(lái)，霍爾芯片型號(hào)為Honeywell-SS96b。

將其放置在左邊銅排內(nèi)側(cè)中間部分，固定在一個(gè)電路板上，電路板兩側(cè)用一定高度的環(huán)氧板固定，確保霍爾芯片離銅排的高度為 5 mm，如圖5所示。試驗(yàn)電路如圖6所示，放電電容為1mF初始電壓1300 V，回路串聯(lián)的電感L為15 μH。

圖4 試驗(yàn)試品

圖5 霍爾芯片位置圖

用示波器監(jiān)測(cè)主回路的電流，以及傳感器的輸出電壓，并將輸出電壓轉(zhuǎn)化成檢測(cè)的電流值，進(jìn)行對(duì)比如圖7。

圖6 試驗(yàn)電路

圖7 霍爾芯片檢測(cè)電流與實(shí)際電流對(duì)比

圖7可以看到，雖然單個(gè)霍爾芯片測(cè)量結(jié)果波動(dòng)要大于有鐵芯霍爾電流傳感器，但整體效果還不錯(cuò)，特別是電流上升的過(guò)程中，即在沒(méi)有干擾的情況下，是可以用單霍爾芯片這一方案的。

4 干擾源對(duì)傳感器的影響

前文已經(jīng)提到，由于被測(cè)對(duì)象的電流較大，能對(duì)試品造成的干擾很有限，同時(shí)，霍爾芯片感應(yīng)到的磁感應(yīng)強(qiáng)度B是垂直于芯片截面的，即如果干擾源的電流方向與通過(guò)銅排的電流方向不同，即便會(huì)對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生干擾，霍爾芯片也無(wú)法感應(yīng)到。

實(shí)際中，裝置通常安放在柜體里，與其他柜體一起，由主母線排穿接起來(lái)，為了防止過(guò)大的磁場(chǎng)干擾，在考慮了電氣間隙的情況下，電流一進(jìn)一出的銅排通常會(huì)放置在相隔較近的地方。

本傳感器主要用于短路保護(hù)，所以它的啟動(dòng)設(shè)定值通常在額定電流 1.5倍以上，因此干擾源產(chǎn)生磁場(chǎng)小于整定值時(shí)不會(huì)產(chǎn)生誤動(dòng)。

根據(jù)裝置的實(shí)際尺寸，干擾源最近距離試品銅排約600 mm的距離。干擾源發(fā)生短路時(shí)（估算短路電流約50 kA），對(duì)磁場(chǎng)的干擾最大。

本文計(jì)算了干擾源正常通流，干擾源雙向短路的兩類情形，以及干擾源電流方向的不同帶來(lái)的影響。具體如下：

1)如圖8所示，試品右側(cè)有2個(gè)不同電流方向的短路電流干擾。從左至右電流分別是8 kA垂直紙面向外，8 kA垂直紙面向里，8 kA垂直紙面向外，8 kA垂直紙面向里；相鄰排的距離分別為152 mm，600 mm，152 mm。

圖8 2個(gè)不同電流方向的正常電流干擾(1）

仿真得到芯片所在位置與電流垂直的截面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖，芯片所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為268.13G。將其與無(wú)干擾源時(shí)的結(jié)果271.84G對(duì)比，改變了1.4%，干擾不會(huì)使裝置發(fā)生誤動(dòng)。

2)如圖9所示，試品右側(cè)有2個(gè)不同電流方向的短路電流干擾。從左至右電流分別是8 kA垂直紙面向外，8 kA垂直紙面向里，8kA垂直紙面向里，8 kA垂直紙面向外；空間位置同上。

圖9 2個(gè)不同電流方向的正常電流干擾(2）

仿真得到芯片所在位置與電流垂直的截面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖，芯片所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為275.56G。將其與無(wú)干擾源時(shí)的結(jié)果271.84G對(duì)比，改變了1.4%，干擾不會(huì)使裝置發(fā)生誤動(dòng)。

3)如圖10所示，試品右側(cè)有2個(gè)不同電流方向的短路電流干擾。從左至右電流分別是8 kA垂直紙面向外，8 kA垂直紙面向里，50 kA垂直紙面向外，50 kA垂直紙面向里；空間位置同上。仿真得到芯片所在位置與電流垂直的截面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖，芯片所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為248.59G。將其與無(wú)干擾源時(shí)的結(jié)果 271.84G對(duì)比，改變了8.5%，干擾不會(huì)使裝置發(fā)生誤動(dòng)。

圖10 2個(gè)不同電流方向的短路電流干擾(1）

4)如圖11所示，試品右側(cè)有2個(gè)不同電流方向的短路電流干擾。從左至右電流分別是8 kA垂直紙面向外，8 kA垂直紙面向里，50 kA垂直紙面向里，50 kA垂直紙面向外；空間位置同上。

圖11 2個(gè)不同電流方向的短路電流干擾(2）

仿真得到芯片所在位置與電流垂直的截面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布如圖，芯片所在位置的磁感應(yīng)強(qiáng)度為295.10G。將其與無(wú)干擾源時(shí)的結(jié)果271.84G對(duì)比，改變了8.5%，干擾不會(huì)使裝置發(fā)生誤動(dòng)。

5 結(jié)論

由以上研究可得如下結(jié)論：

1）文章針對(duì)異向電流的銅排提出了無(wú)鐵芯傳感器應(yīng)放置在銅排內(nèi)側(cè)距離內(nèi)側(cè)排面 5 mm位置。

2）仿真計(jì)算表明，干擾源通以正常電流；短路電流干擾時(shí)，干擾均遠(yuǎn)小于保護(hù)用傳感器設(shè)定值。

3）文中設(shè)計(jì)的8 kA新型傳感器進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，結(jié)果在無(wú)干擾的情況下，具有非常好的效果。

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