霍爾傳感器在地鐵電力監控系統中的應用

王 威，魏曉娟

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

1 電力監控系統概述

隨著我國城鎮化進展與城市交通的日益擁擠，地鐵交通已然成為現代城市的重要交通工具。近年來我國加快發展地鐵交通建設步伐。當前綜合自動化系統在地鐵交通中得以廣泛的運用，該系統包括電力監控系統、火災報警系統、自動售檢票系統、門禁系統、機電設備監控系統等[1]。電力監控系統是地鐵交通綜合監控系統中的一個重要部分，其主要是對地鐵交通接觸網上的各種設備進行實時的遠程監控，通過對各種電量參數的測量、比較與運算，實時反饋上報至系統，以供系統根據反饋信息處理各類事故及報警事件[1]。電力監控系統示意圖如圖1所示。

圖1 電力監控系統示意圖

電力監控系統檢測和測量的電量參數主要為各個主要回路的電流與電壓[2]。傳統電流測量是通過檢測電阻將電流轉成電壓，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。傳統電壓檢測也存在檢測電壓與輸出電壓非隔離的問題[3]。霍爾型傳感器由于具有較小的體積、低噪聲、低功耗、良好的隔離效果等優點, 已在電流和電壓測量方面受到廣泛的應用[4]。

2 霍爾傳感器簡介

2.1 霍爾效應

如圖2所示，將一塊長度為L、寬度為W的半導體薄片，垂直放在磁感應強度為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 霍爾效應和霍爾電壓

當電流I流經霍爾片時，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偏轉聚集，從而形成霍爾電場。當霍爾電場產生的電場力和洛侖茲力相等時，霍爾片兩側建立起一個穩定的電壓，即霍爾電壓UH，這種現象就是霍爾效應，該薄片稱為霍爾片。霍爾電壓UH可以表示為：

UH=(RH/d)IB

(1)

式中,RH為霍爾系數, 由霍爾片材料的性質決定；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及磁感應強度B成正比。若通過外圍電路給霍爾片施加恒定電流I, 且使磁感應強度B與產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行測量，且可以做到輸入輸出隔離。根據其結構可分為開環式和閉環式兩種。

2.2 開環霍爾電流傳感器

如圖3所示，當電流IP流經穿過磁環的長導線時，導線周圍將產生與電流IP成正比的磁場，磁力線方向可用右手定則判定。開口磁環氣隙中的霍爾元件可以檢測垂直穿過的磁場強度并轉化為電壓信號，經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 開環霍爾電流傳感器

2.3 閉環霍爾電流傳感器

如圖4所示，閉環霍爾電流傳感器的工作原理如下：當電流IP流經穿過磁環的長導線時，磁環氣隙中的霍爾器件會感應到導線周圍的磁場并輸出為電壓信號，電壓信號經運算放大輸出后用于驅動晶體管并使其輸出一個電流IS。電流IS通過開口磁環的副邊多匝繞組產生磁場，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生的磁場極性相反，因而對原邊電流產生的磁場進行補償。當補償電流IS與次級繞組匝數NS的乘積等于原邊導線電流IP與原邊匝數NP乘積相等時(本例中NP=1)，磁場達到平衡，補償電流IS即穩定，此時可以通過測量IS來計算IP。根據安匝平衡即有：

NPIP=NSIS (2)

當IP發生任何變化時，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，則會有相應的補償電流流經副邊多匝繞組對磁場進行補償，即重復上述過程重新達到平衡。從失衡到再次平衡，這樣一個動態平衡的過程，理論上所需的時間不到1 μs。因此對于閉環式霍爾電流傳感器來說，次級的補償電流安匝數在任何時間都與初級被測電流的安匝數相等。因此閉環電流傳感器又被稱為磁平衡式電流傳感器或補償式傳感器。

2.4 閉環霍爾電壓傳感器

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

圖5 閉環霍爾電壓傳感器

3 霍爾傳感器在電力監控系統中的應用

通過上文關于霍爾電流傳感器和電壓傳感器工作原理的介紹，可以明確地認識到霍爾傳感器在地鐵電力監控系統檢測與測量過程中具有廣泛的應用。中國網安旗下的成都新欣神風電子科技有限公司推出的電量隔離傳感器產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，已經廣泛應用于航空航天、通信儀表以及鐵路地鐵等軍民領域，并得到客戶普遍認可。

霍爾電流和電壓傳感器可以應用在電力監控系統的各個環節與各個子系統，如圖1所示。

高壓測控保護裝置可以根據電壓的幅值選擇使用高壓霍爾電壓傳感器測量與反饋，新欣神風的SFCDY系列高壓傳感器可以測量高達數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。其精度可以達到優于1%，線性度優于0.2%，反應時間小于10 μs。

中壓、低壓測控保護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數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。霍爾電流傳感器的精度可以做到優于1%甚至更低，尤其是大電流傳感器的精度可以做到優于1‰，線性度優于0.2%，反應時間小于10 μs。

4 應用過程中需要注意的問題

(1)應根據被測電流的大小合理選擇導線或者匯流條，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，測試時應先打開供電電源，再打開測試電源。關機時應先關閉被測電源，再關閉供電電源，對傳感器進行消磁處理。

(3)霍爾傳感器應盡量安裝在遠離強磁場位置的區域，如應與變壓器、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力而損壞。

5 結 論

本文詳細介紹了霍爾電流、電壓傳感器的工作原理，對霍爾傳感器在地鐵電力監控系統的應用進行了分析，并提示了在應用過程中應該注意的問題。