基于銅排的新型短路保護用大電流傳感器的分析與設計

施 源，莊勁武，江壯賢，武 瑾，孫逢欣

（海軍工程大學電氣工程學院，武漢 430033）

0 引言

船用大電流保護裝置是艦船電力系統(tǒng)的重要組成部分[1]，在保護裝置進行故障電流分斷過程中，傳感器對電流的判斷，檢測起到了非常重要的作用?，F(xiàn)有傳感器多數(shù)是在試品銅排上套一整圈磁環(huán)來確保檢測電流的準確性[3]。然而，當電流等級較大時，一整圈鐵芯顯得笨重，繁雜并且占用較大體積，對珍貴的船用空間不利[4]。

由于大電流時銅排周邊能對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計出主要用于短路保護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]分析從實際角度考慮了霍爾芯片的擺放位置，并用試驗驗證了仿真的準確性。在此基礎上，分析了干擾源對其產生的各種影響。

1 銅排用無鐵芯霍爾傳感器原理

1.1 霍爾芯片工作原理

霍爾傳感器是根據霍爾效應制作的一種磁場傳感器。霍爾效應定義了磁場和感應電壓之間的關系，當電流通過一個位于磁場中的導體的時候，磁場會對導體中的電子產生一個垂直于電子運動方向上的作用力，從而在垂直于導體與磁感線的兩個方向上產生電勢差。

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

對于霍爾輸出電壓信號UH的處理，人們設計了許多種電路，但總體來講可分為兩類，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占用相當大的體積。

本文所研究的對象為船用直流 8 kA限流保護裝置，由于是船用設備，對裝置體積要求盡可能小。事實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，很有必要對其進行小體積化改進。

1.2 銅排用無鐵芯霍爾傳感器原理

圖1所示為銅排用無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，電流從銅排流過產生磁場，磁場穿過芯片產生霍爾電壓，霍爾電壓根據一定的比例關系便可以得到通過銅排的電流。該裝置主要有以下幾個特點：

1)由于被測銅排尺寸固定，霍爾芯片的位置固定，所以通過銅排的電流與磁場的關系固定，可以得到銅排電流I與芯片處磁感應強度B的函數(shù)關系I＝f(B)。

2)無鐵芯的設計使得測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，被測電流很大（千安級），芯片被干擾的可能性小。所以測量大電流時可以測得較為準確。

2 霍爾傳感器的位置設計

本保護裝置主體部分為快速分斷的銅橋結構，銅橋兩側由銅排連接，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該放在空間位置的微小差異不至于引起磁力線變化過大的位置，即磁力線分布比較均勻的地方，從這一點上看，傳感器應該放在銅排中間處。同時，芯片應當讓磁力線垂直穿入。

使用Ansoft Maxwell軟件對試品總體結構進行建模，其中銅橋部分未畫出。建立的模型如圖2所示。

圖1 銅排用無鐵芯霍爾傳感器原理示意圖

圖2 Ansoft仿真模型

圖3 無干擾源時磁感應強度分布圖

設定求解范圍后，對電流進出的銅排截面加載8 kA電流，方向與實際方向相同。

在沒有外界干擾時，仿真的計算結果如圖3（電流方向為左側銅排8 kA垂直紙面向外，右側銅排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分布。

以左側銅排內側表面中心處為基點，由外往內取10個點，依次與基準點相距1～10 mm，磁感應強度見下表：

表1 銅排內側測點對應的磁感應強度變化表

同理在左側銅排外側表明中心處為基點，由內往外取10個點，依次與基準點相距1-10mm，磁感應強度見下表：

表2 銅排外側測點對應的磁感應強度變化表

由于經過2塊銅排的電流方向為一進一出，磁感應強度分布為銅排內側大于銅排外側，即內部的磁感應強度場疊加效應更為明顯。為了抗干擾能量更強，放在銅排內側更好。另外，傳感器應盡量遠離銅橋。

從表中可以看到銅排內側的點比銅排外側的點磁感應強度要大，這也恰好驗證了測點放在銅排內側抗干擾更強的分析。

由于測點距離銅排邊緣表面1～10 mm的磁感應強度變化很小，因此芯片放在距離銅排1～10 mm的位置均可，考慮到實際加工的方便，芯片放置在銅排內側距離銅排5 mm的地方。

3 傳感器樣機及試驗

為了驗證傳感器檢測電流的效果，進行了下列驗證試驗，試驗試品如圖4所示，由2根截面為250 mm×20 mm的銅排用一根導線連接起來，霍爾芯片型號為Honeywell-SS96b。

將其放置在左邊銅排內側中間部分，固定在一個電路板上，電路板兩側用一定高度的環(huán)氧板固定，確?；魻栃酒x銅排的高度為 5 mm，如圖5所示。試驗電路如圖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 試驗試品

圖5 霍爾芯片位置圖

用示波器監(jiān)測主回路的電流，以及傳感器的輸出電壓，并將輸出電壓轉化成檢測的電流值，進行對比如圖7。

圖6 試驗電路

圖7 霍爾芯片檢測電流與實際電流對比

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

4 干擾源對傳感器的影響

前文已經提到，由于被測對象的電流較大，能對試品造成的干擾很有限，同時，霍爾芯片感應到的磁感應強度B是垂直于芯片截面的，即如果干擾源的電流方向與通過銅排的電流方向不同，即便會對磁場產生干擾，霍爾芯片也無法感應到。

實際中，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，為了防止過大的磁場干擾，在考慮了電氣間隙的情況下，電流一進一出的銅排通常會放置在相隔較近的地方。

本傳感器主要用于短路保護，所以它的啟動設定值通常在額定電流 1.5倍以上，因此干擾源產生磁場小于整定值時不會產生誤動。

根據裝置的實際尺寸，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（估算短路電流約50 kA），對磁場的干擾最大。

本文計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的影響。具體如下：

1)如圖8所示，試品右側有2個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強度分布如圖，芯片所在位置的磁感應強度為268.13G。將其與無干擾源時的結果271.84G對比，改變了1.4%，干擾不會使裝置發(fā)生誤動。

2)如圖9所示，試品右側有2個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強度分布如圖，芯片所在位置的磁感應強度為275.56G。將其與無干擾源時的結果271.84G對比，改變了1.4%，干擾不會使裝置發(fā)生誤動。

3)如圖10所示，試品右側有2個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強度分布如圖，芯片所在位置的磁感應強度為248.59G。將其與無干擾源時的結果 271.84G對比，改變了8.5%，干擾不會使裝置發(fā)生誤動。

圖10 2個不同電流方向的短路電流干擾(1）

4)如圖11所示，試品右側有2個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強度分布如圖，芯片所在位置的磁感應強度為295.10G。將其與無干擾源時的結果271.84G對比，改變了8.5%，干擾不會使裝置發(fā)生誤動。

5 結論

由以上研究可得如下結論：

1）文章針對異向電流的銅排提出了無鐵芯傳感器應放置在銅排內側距離內側排面 5 mm位置。

2）仿真計算表明，干擾源通以正常電流；短路電流干擾時，干擾均遠小于保護用傳感器設定值。

3）文中設計的8 kA新型傳感器進行了實際測試，結果在無干擾的情況下，具有非常好的效果。

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