基于铜排的新型短路保护用大电流传感器的分析与设计

2015-01-04庄劲武江壮贤孙逢欣

船电技术 2015年11期

施源，庄劲武，江壮贤，武瑾，孙逢欣

（海军工程大学电气工程学院，武汉 430033）

0 引言

船用大电流保护装置是舰船电力系统的重要组成部分[1]，在保护装置进行故障电流分断过程中，传感器对电流的判断，检测起到了非常重要的作用。现有传感器多数是在试品铜排上套一整圈磁环来确保检测电流的准确性[3]。然而，当电流等级较大时，一整圈铁芯显得笨重，繁杂并且占用较大体积，对珍贵的船用空间不利[4]。

由于大电流时铜排周边能对传感器形成大干扰的可能性较小，可以考虑用固定在特殊位置上的单一芯片替代一整圈铁芯的方法设计出主要用于短路保护的大电流霍尔传感器。本文从霍尔传感器的基本原理出发，用有限元软件[5-6]分析从实际角度考虑了霍尔芯片的摆放位置，并用试验验证了仿真的准确性。在此基础上，分析了干扰源对其产生的各种影响。

1 铜排用无铁芯霍尔传感器原理

1.1 霍尔芯片工作原理

霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。霍尔效应定义了磁场和感应电压之间的关系，当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个垂直于电子运动方向上的作用力，从而在垂直于导体与磁感线的两个方向上产生电势差。

式(1)中：UH称为霍尔电压[7]；B为磁感应强度；IH为控制电流；RH为霍尔系数；d为半导体厚度；

对于霍尔输出电压信号UH的处理，人们设计了许多种电路，但总体来讲可分为两类，一类为开环霍尔电流传感器；另一类为闭环霍尔电流传感器。然而，为了保证精度和抗干扰能力，上述两类传感器均使用了铁芯。其弊端是环绕铜排一周的铁芯会占用相当大的体积。

本文所研究的对象为船用直流 8 kA限流保护装置，由于是船用设备，对装置体积要求尽可能小。事实上目前所用霍尔传感器因有铁芯的缘故所占体积太大太笨重，很有必要对其进行小体积化改进。

1.2 铜排用无铁芯霍尔传感器原理

图1所示为铜排用无铁芯霍尔传感器原理示意图，芯片在贴近铜排的中部特定位置固定，电流从铜排流过产生磁场，磁场穿过芯片产生霍尔电压，霍尔电压根据一定的比例关系便可以得到通过铜排的电流。该装置主要有以下几个特点：

1)由于被测铜排尺寸固定，霍尔芯片的位置固定，所以通过铜排的电流与磁场的关系固定，可以得到铜排电流I与芯片处磁感应强度B的函数关系I＝f(B)。

2)无铁芯的设计使得测量电流的霍尔传感器体积大大减小，并且由于霍尔芯片距离铜排位置近，被测电流很大（千安级），芯片被干扰的可能性小。所以测量大电流时可以测得较为准确。

2 霍尔传感器的位置设计

本保护装置主体部分为快速分断的铜桥结构，铜桥两侧由铜排连接，铜排截面尺寸为 250 mm×20 mm,两排之间间隔为152 mm。

从原则上讲，传感器摆放的位置应该放在空间位置的微小差异不至于引起磁力线变化过大的位置，即磁力线分布比较均匀的地方，从这一点上看，传感器应该放在铜排中间处。同时，芯片应当让磁力线垂直穿入。

使用Ansoft Maxwell软件对试品总体结构进行建模，其中铜桥部分未画出。建立的模型如图2所示。

图1 铜排用无铁芯霍尔传感器原理示意图

图2 Ansoft仿真模型

图3 无干扰源时磁感应强度分布图

设定求解范围后，对电流进出的铜排截面加载8 kA电流，方向与实际方向相同。

在没有外界干扰时，仿真的计算结果如图3（电流方向为左侧铜排8 kA垂直纸面向外，右侧铜排8 kA垂直纸面向里）图所示为芯片所在位置与电流垂直的截面的磁感应分布。

以左侧铜排内侧表面中心处为基点，由外往内取10个点，依次与基准点相距1～10 mm，磁感应强度见下表：

表1 铜排内侧测点对应的磁感应强度变化表

同理在左侧铜排外侧表明中心处为基点，由内往外取10个点，依次与基准点相距1-10mm，磁感应强度见下表：

表2 铜排外侧测点对应的磁感应强度变化表

由于经过2块铜排的电流方向为一进一出，磁感应强度分布为铜排内侧大于铜排外侧，即内部的磁感应强度场叠加效应更为明显。为了抗干扰能量更强，放在铜排内侧更好。另外，传感器应尽量远离铜桥。

从表中可以看到铜排内侧的点比铜排外侧的点磁感应强度要大，这也恰好验证了测点放在铜排内侧抗干扰更强的分析。

由于测点距离铜排边缘表面1～10 mm的磁感应强度变化很小，因此芯片放在距离铜排1～10 mm的位置均可，考虑到实际加工的方便，芯片放置在铜排内侧距离铜排5 mm的地方。

3 传感器样机及试验

为了验证传感器检测电流的效果，进行了下列验证试验，试验试品如图4所示，由2根截面为250 mm×20 mm的铜排用一根导线连接起来，霍尔芯片型号为Honeywell-SS96b。

将其放置在左边铜排内侧中间部分，固定在一个电路板上，电路板两侧用一定高度的环氧板固定，确保霍尔芯片离铜排的高度为 5 mm，如图5所示。试验电路如图6所示，放电电容为1mF初始电压1300 V，回路串联的电感L为15 µH。

图4 试验试品

图5 霍尔芯片位置图

用示波器监测主回路的电流，以及传感器的输出电压，并将输出电压转化成检测的电流值，进行对比如图7。

图6 试验电路

图7 霍尔芯片检测电流与实际电流对比

图7可以看到，虽然单个霍尔芯片测量结果波动要大于有铁芯霍尔电流传感器，但整体效果还不错，特别是电流上升的过程中，即在没有干扰的情况下，是可以用单霍尔芯片这一方案的。

4 干扰源对传感器的影响

前文已经提到，由于被测对象的电流较大，能对试品造成的干扰很有限，同时，霍尔芯片感应到的磁感应强度B是垂直于芯片截面的，即如果干扰源的电流方向与通过铜排的电流方向不同，即便会对磁场产生干扰，霍尔芯片也无法感应到。

实际中，装置通常安放在柜体里，与其他柜体一起，由主母线排穿接起来，为了防止过大的磁场干扰，在考虑了电气间隙的情况下，电流一进一出的铜排通常会放置在相隔较近的地方。

本传感器主要用于短路保护，所以它的启动设定值通常在额定电流 1.5倍以上，因此干扰源产生磁场小于整定值时不会产生误动。

根据装置的实际尺寸，干扰源最近距离试品铜排约600 mm的距离。干扰源发生短路时（估算短路电流约50 kA），对磁场的干扰最大。

本文计算了干扰源正常通流，干扰源双向短路的两类情形，以及干扰源电流方向的不同带来的影响。具体如下：

1)如图8所示，试品右侧有2个不同电流方向的短路电流干扰。从左至右电流分别是8 kA垂直纸面向外，8 kA垂直纸面向里，8 kA垂直纸面向外，8 kA垂直纸面向里；相邻排的距离分别为152 mm，600 mm，152 mm。

图8 2个不同电流方向的正常电流干扰(1）

仿真得到芯片所在位置与电流垂直的截面的磁感应强度分布如图，芯片所在位置的磁感应强度为268.13G。将其与无干扰源时的结果271.84G对比，改变了1.4%，干扰不会使装置发生误动。

2)如图9所示，试品右侧有2个不同电流方向的短路电流干扰。从左至右电流分别是8 kA垂直纸面向外，8 kA垂直纸面向里，8kA垂直纸面向里，8 kA垂直纸面向外；空间位置同上。

图9 2个不同电流方向的正常电流干扰(2）

仿真得到芯片所在位置与电流垂直的截面的磁感应强度分布如图，芯片所在位置的磁感应强度为275.56G。将其与无干扰源时的结果271.84G对比，改变了1.4%，干扰不会使装置发生误动。

3)如图10所示，试品右侧有2个不同电流方向的短路电流干扰。从左至右电流分别是8 kA垂直纸面向外，8 kA垂直纸面向里，50 kA垂直纸面向外，50 kA垂直纸面向里；空间位置同上。仿真得到芯片所在位置与电流垂直的截面的磁感应强度分布如图，芯片所在位置的磁感应强度为248.59G。将其与无干扰源时的结果 271.84G对比，改变了8.5%，干扰不会使装置发生误动。