霍尔传感器在地铁电力监控系统中的应用

王 威，魏晓娟

(1.成都新欣神风电子科技有限公司，四川 成都；611743；2.成都轨道交通集团有限公司，四川 成都 614000)

1 电力监控系统概述

随着我国城镇化进展与城市交通的日益拥挤，地铁交通已然成为现代城市的重要交通工具。近年来我国加快发展地铁交通建设步伐。当前综合自动化系统在地铁交通中得以广泛的运用，该系统包括电力监控系统、火灾报警系统、自动售检票系统、门禁系统、机电设备监控系统等[1]。电力监控系统是地铁交通综合监控系统中的一个重要部分，其主要是对地铁交通接触网上的各种设备进行实时的远程监控，通过对各种电量参数的测量、比较与运算，实时反馈上报至系统，以供系统根据反馈信息处理各类事故及报警事件[1]。电力监控系统示意图如图1所示。

图1 电力监控系统示意图

电力监控系统检测和测量的电量参数主要为各个主要回路的电流与电压[2]。传统电流测量是通过检测电阻将电流转成电压，该方式存在两个问题：在大电流检测时检测电阻消耗能量，降低效率；检测电流与输出电压不隔离。传统电压检测也存在检测电压与输出电压非隔离的问题[3]。霍尔型传感器由于具有较小的体积、低噪声、低功耗、良好的隔离效果等优点, 已在电流和电压测量方面受到广泛的应用[4]。

2 霍尔传感器简介

2.1 霍尔效应

如图2所示，将一块长度为L、宽度为W的半导体薄片，垂直放在磁感应强度为B的磁场中，通过外部施加电压使得薄片横向的通电电流为I。

图2 霍尔效应和霍尔电压

当电流I流经霍尔片时，由洛伦兹定理可知，霍尔片中的载流子会分别向霍尔片上下两侧偏转聚集，从而形成霍尔电场。当霍尔电场产生的电场力和洛仑兹力相等时，霍尔片两侧建立起一个稳定的电压，即霍尔电压UH，这种现象就是霍尔效应，该薄片称为霍尔片。霍尔电压UH可以表示为：

UH=(RH/d)IB

(1)

式中,RH为霍尔系数, 由霍尔片材料的性质决定；d为霍尔片的厚度；RH/d称为灵敏度，其值越大，则该霍尔片就越灵敏。由式(1)可见霍尔电压UH与控制电流I及磁感应强度B成正比。若通过外围电路给霍尔片施加恒定电流I, 且使磁感应强度B与产生该磁场的被测电流呈正比，则可利用此原理制成霍尔电流传感器；仍固定电流I，若使得B与产生该磁场的被测电压呈正比。

霍尔电流、电压传感器的测量均属于间接测量，可对直流或交流的电流和电压进行测量，且可以做到输入输出隔离。根据其结构可分为开环式和闭环式两种。

2.2 开环霍尔电流传感器

如图3所示，当电流IP流经穿过磁环的长导线时，导线周围将产生与电流IP成正比的磁场，磁力线方向可用右手定则判定。开口磁环气隙中的霍尔元件可以检测垂直穿过的磁场强度并转化为电压信号，经放大处理后输出电压US，US可以精确的反映电流IP的大小。

图3 开环霍尔电流传感器

2.3 闭环霍尔电流传感器

如图4所示，闭环霍尔电流传感器的工作原理如下：当电流IP流经穿过磁环的长导线时，磁环气隙中的霍尔器件会感应到导线周围的磁场并输出为电压信号，电压信号经运算放大输出后用于驱动晶体管并使其输出一个电流IS。电流IS通过开口磁环的副边多匝绕组产生磁场，通过改变该多匝绕组的绕向使得该磁场与原边被测电流产生的磁场极性相反，因而对原边电流产生的磁场进行补偿。当补偿电流IS与次级绕组匝数NS的乘积等于原边导线电流IP与原边匝数NP乘积相等时(本例中NP=1)，磁场达到平衡，补偿电流IS即稳定，此时可以通过测量IS来计算IP。根据安匝平衡即有：

NPIP=NSIS (2)

当IP发生任何变化时，上述磁场平衡或者安匝平衡即受到破坏，霍尔器件即有信号输出，则会有相应的补偿电流流经副边多匝绕组对磁场进行补偿，即重复上述过程重新达到平衡。从失衡到再次平衡，这样一个动态平衡的过程，理论上所需的时间不到1 μs。因此对于闭环式霍尔电流传感器来说，次级的补偿电流安匝数在任何时间都与初级被测电流的安匝数相等。因此闭环电流传感器又被称为磁平衡式电流传感器或补偿式传感器。

2.4 闭环霍尔电压传感器

如图5所示，当原边被测电压UP通过限流电阻Ri产生的电流IP流过原边线圈时，磁环气隙中的霍尔器件通过感应磁环中的磁场并输出为电压信号，其工作原理与闭环式霍尔电流传感器相同，也是以磁平衡方式工作的。

图5 闭环霍尔电压传感器

3 霍尔传感器在电力监控系统中的应用

通过上文关于霍尔电流传感器和电压传感器工作原理的介绍，可以明确地认识到霍尔传感器在地铁电力监控系统检测与测量过程中具有广泛的应用。中国网安旗下的成都新欣神风电子科技有限公司推出的电量隔离传感器产品有高压霍尔电压传感器(SFCDY系列)、大电流霍尔电流传感器(SFCDL系列)以及电流互感器(SFLR系列)等，已经广泛应用于航空航天、通信仪表以及铁路地铁等军民领域，并得到客户普遍认可。

霍尔电流和电压传感器可以应用在电力监控系统的各个环节与各个子系统，如图1所示。

高压测控保护装置可以根据电压的幅值选择使用高压霍尔电压传感器测量与反馈，新欣神风的SFCDY系列高压传感器可以测量高达数千伏的直流或者交流电压，并可以按照需求输出一个几十毫安电流或者几伏电压以供反馈信号使用。其精度可以达到优于1%，线性度优于0.2%，反应时间小于10 μs。

中压、低压测控保护装置可以使用霍尔电流传感器测量与反馈，SFCDL系列电流传感器可以测量高达数千安培的直流或者交流电流，并可以输出一个200 mA以下电流或者几伏电压以供反馈信号使用。霍尔电流传感器的精度可以做到优于1%甚至更低，尤其是大电流传感器的精度可以做到优于1‰，线性度优于0.2%，反应时间小于10 μs。

4 应用过程中需要注意的问题

(1)应根据被测电流的大小合理选择导线或者汇流条，然后选择合适孔径的电流传感器，汇流条最好能够充满传感器孔径或处于孔径的中心位置。

(2)传感器的供电电压有+5 V或±15 V等，测试时应先打开供电电源，再打开测试电源。关机时应先关闭被测电源，再关闭供电电源，对传感器进行消磁处理。

(3)霍尔传感器应尽量安装在远离强磁场位置的区域，如应与变压器、大电感、大电流汇流条等保持距离。

(4)使用霍尔电压传感器时应注意限流电阻的最大耐压及最大功耗，避免电阻受到超限应力而损坏。

5 结 论

本文详细介绍了霍尔电流、电压传感器的工作原理，对霍尔传感器在地铁电力监控系统的应用进行了分析，并提示了在应用过程中应该注意的问题。