CN202956419U - 一种直流牵引供电系统的新型传感系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种直流牵引供电系统的新型传感系统，包括霍尔电流感应模块，用于检测直流牵引供电系统的供电主回路电流；电源模块，与霍尔电流感应模块连接，用于霍尔电流感应模块的供电；信号通信模块，用于输出霍尔电流感应模块所检测到的直流牵引供电系统的供电主回路电流信号。本实用新型采用了霍尔电流传感器，使用非接触的测量方式，降低了对隔离电压的要求，技术难度小，从而降低了成本。同时，减少了测试设备和被测系统的信号相互干扰，具有高可靠性、高精度和高灵敏度。本实用新型作为一种直流牵引供电系统的新型传感系统，可广泛应用于直流牵引供电领域。

Description

一种直流牵引供电系统的新型传感系统

技术领域

本实用新型涉及一种传感系统，尤其是一种直流牵引供电系统的新型传感系统。

背景技术

直流牵引供电系统中，目前常用的电流测量方法是接触式测量方式，如图1所示，在供电主回路中串联毫欧级的电阻，这个电阻通常称为分流器，分流器充当取样电阻的功能，将分流器两端的信号接入隔离放大器，经过隔离和信号调理后提供给保护测控装置。

接触式测量方式虽然方法直接、原理简单，如图2所示，隔离放大器由三个端口组成，分别是电源输入端口、信号输入端口和信号输出端口（其中信号输出端口可以是多组），这3个端口要求相互隔离，即既要求信号输入与输出之间隔离，也要求信号输入输出与电源输入之间也要隔离，且隔离电压要达到15kV AC，以保证对设备和人身的高安全性。在工业控制领域所用到的信号隔离器，其隔离电压一般只有2kV AC，不适合应用在直流牵引供电系统中。

要想达到15kV AC的高隔离电压等级，需要采取特殊的方法，电光电模式就是常用的方法之一。如图3所示，其隔离原理是先将输入的模拟信号经过AD采样转换成数字信号，然后经过电光转换，通过光纤传送到输出侧，在输出侧经过光电转换，将光信号转换成电信号，再经过DA转换和信号处理，输出所需要的模拟量。另外，电源的隔离采用固定频率且无反馈的高频开关电源，其中的高频变压器的隔离电压也设计成15kV AC，不过体积较大。目前德国的西门子（Siemens）、英国的霍克西利（Hawker Siddeley）和意大利的MS，都采用的是电光电模式。另一种方法是以Knick为代表的电磁电模式，类似于电光电模式，只是通过电磁耦合来传递数字信号而已。

在接触式测量方式中，测试设备和被测系统的信号相互干扰，导致测量精度低，可靠性差。上述两种隔离模式，虽然达到了隔离的目的，但实现起来成本高，技术难度大，精度低，目前也只有少数几家公司掌握了核心技术，特别是Knick的产品中，大量地使用了新工艺和新材料，如硬件堆栈工艺和平板变压器等，一般公司难以实现，不利于推广与普遍应用。另外，在数字传输过程中，传输方向是单向的，没有握手信号和信号重发机制，在遇到干扰时，只能是被动地丢帧，造成了可靠性差。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：一种直流牵引供电系统的新型传感系统，包括霍尔电流感应模块、电源模块和信号通信模块；所述霍尔电流感应模块的输入端与电源模块的输出端连接，所述霍尔电流感应模块的输出端与信号通信模块的输入端连接。

进一步，所述霍尔电流感应模块中采用补偿式霍尔电流传感器。

进一步，所述电源模块包括有开关电源和电源滤波器，所述开关电源的输入端连接至电源滤波器的输出端。

进一步，所述信号通信模块的信号输出模式包括有电压型和电流环型。

进一步，所述新型传感系统还包括有计量控制模块，所述计量控制模块包括有直流计量表、记录仪、远方控制器、第一隔离变压器和第二隔离变压器，所述第一隔离变压器的输入端和第二隔离变压器的输入端均连接至信号通信模块的输出端，所述直流计量表的输入端和记录仪的输入端均连接至第一隔离变压器的输出端，所述远方控制器的输入端连接至第二隔离变压器的输出端。

进一步，所述计量控制模块中还包括有直流继电保护装置。

进一步，所述霍尔电流感应模块还连接有用于测试霍尔电流感应模块信号输出性能的检测模块。

进一步，所述霍尔电流感应模块外装有保护外壳。

进一步，所述霍尔电流感应模块、电源模块、信号通信模块、计量控制模块和检测模块之间的相互连接均使用KMPW-2.0mm2的带屏蔽层的双绞线，且屏蔽层接地。

本实用新型的有益效果是：在直流牵引供电系统中采用一种新型传感系统，采用了霍尔电流传感器，使用非接触的测量方式，降低了对隔离电压的要求，技术难度小，从而降低了成本。同时，在接触式测量方式中，测试设备和被测系统的信号相互干扰，而本实用新型使用非接触的测量方式，具有可靠性。直流牵引供电系统中电流变化时，通过霍尔电流传感器对失衡磁场进行补偿的过程所需的时间理论上不到1μs，拥有高精度和高灵敏度。

附图说明

图1是直流牵引供电系统中接触式测量方式的传感系统框架图；

图2是隔离放大器结构图；

图3是电光电模式隔离放大器的原理图；

图4是一种直流牵引供电系统的新型传感系统的系统框架图；

图5是图4的具体模块结构图；

图6是图5的电路原理图。

图中：1、开关电源；2、电源滤波器；3、直流计量表；4、记录仪；5、远方控制器；6、第一隔离变压器；7、第二隔离变压器；8、试验端子；9、直流牵引供电系统供电主回路的铜排。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明：

参照图4和图6，一种直流牵引供电系统的新型传感系统，包括：

霍尔电流感应模块，所述霍尔电流感应模块套入直流牵引供电系统供电主回路的铜排9，与一次侧系统完全隔离，安装时要注意传感器与主回路的铜排要垂直，所述霍尔电流感应模块用于检测直流牵引供电系统的供电主回路电流；

电源模块，与霍尔电流感应模块连接，用于霍尔电流感应模块的供电；

信号通信模块，用于输出霍尔电流感应模块所检测到的直流牵引供电系统的供电主回路电流信号；

所述霍尔电流感应模块的输入端与电源模块的输出端连接，所述霍尔电流感应模块的输出端与信号通信模块的输入端连接。

进一步作为优选的实施方式，所述霍尔电流感应模块中采用补偿式霍尔电流传感器。

霍尔电流传感器是根据霍尔效应原理制成的，一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、次级线圈和放大电路等部件组成。霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高（可达1MHZ），耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔线性器件的精度高、线性度好。取用了各种补偿和保护措施的霍尔器件的工作温度范围宽，可达－55℃～150℃。

根据有无次级线圈，霍尔电流传感器又分为闭环式和开环式两种。在实际应用中，以闭环电流传感器为主，即补偿式霍尔电流传感器，也称磁平衡式霍尔电流传感器。

闭环电流传感器的工作原理如下：被测主回路的电流在聚磁环处产生的磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿，从而使霍尔器件处于零磁通的工作状态。由安培定律可知，一个流过导体的电流I会在导体的周围产生一个磁场，而绕在磁芯上的N匝线圈，如果通1/N倍的反相电流，就可以抵消原边电流I所产生的磁场。霍尔电流传感器是安装在磁芯的开口间隙中，如果原副边的磁通不平衡，磁通就不为零，则霍尔电流传感器就会有电压信号输出。该信号经过高增益的放大器放大后，自动调节二侧次电流以抵消原副边不平衡产生的偏差。因此，在磁芯开口间隙中，由二次侧电流所产生的磁通始终能够抵消原边电流I所产生的磁通。

由于闭环电流传感器始终处于零磁通的平衡状态，磁路中的铁芯不会饱和，因此测量范围宽，从毫安级到500kA的电流都能实现，且精度高，目前广泛地应用于工业自动化技术、检测技术及信息处理等方面。

参照图5和图6，进一步作为优选的实施方式，所述电源模块包括有开关电源1和电源滤波器2，所述开关电源1的输入端连接电源滤波器2的输出端。霍尔电流感应模块的工作电源为±15V DC，由开关电源1提供，开关电源1的前端需加装滤波器2，以防止外部干扰。

参照图6，进一步作为优选的实施方式，所述信号通信模块的信号输出模式包括有电压型和电流环型，即霍尔电流感应模块检测到的直流牵引供电系统的供电主回路电流信号可作为电压形式或者电流形式输出。参照图5，如图所示上述电流信号从I+、I-端口发送，即电流环型信号输出模式；在实际应用中，上述电流信号也可从V+、V-端口发送，即电压型信号输出模式。其中电流环型信号输出模式因为负载能力强，抗干扰性能好，工程上比较常用。

参照图5和图6，进一步作为优选的实施方式，所述新型传感系统还包括有计量控制模块，所述计量控制模块包括有直流计量表3、记录仪4、远方控制器5、第一隔离变压器6和第二隔离变压器7，所述第一隔离变压器6的输入端和第二隔离变压器7的输入端均连接至信号通信模块的输出端，所述直流计量表4的输入端和记录仪5的输入端均连接至第一隔离变压器6的输出端，所述远方控制器5的输入端连接至第二隔离变压器7的输出端。所述计量控制模块中，远方控制器6可以在在数字传输过程中出现信号的丢帧时，控制信号的发送端（即图5中的I+、I-端口或V+、V-端口）进行信号重发。

进一步作为优选的实施方式，所述计量控制模块中还包括有直流继电保护装置。

参照图5和图6，进一步作为优选的实施方式，所述霍尔电流感应模块还连接有用于测试霍尔电流感应模块信号输出性能的检测模块，模块中包括有试验端子8。

进一步作为优选的实施方式，所述霍尔电流感应模块外装有保护外壳，所述保护外壳可以为工程塑料外壳，并用环氧树脂浇注，用以保证传感器内部器件不受外部环境的影响。

参照图6，进一步作为优选的实施方式，所述霍尔电流感应模块、电源模块、信号通信模块、计量控制模块和检测模块之间的相互连接均使用KMPW-2.0mm2的带屏蔽层的双绞线，且屏蔽层接地以防止噪声干扰。

按照闭环电流传感器的原理研制成的新型传感器，根据测量量程的不同，设计出了多款新型传感器。信号和电源的端子均采用美标螺钉压接式端子，便于工程接线和维护。例如量程范围为500kA的一种，使用黑色工程塑料外壳，并用环氧树脂浇注，外形尺寸长宽高为380mm×270mm×100mm，体积小巧，适合安装于空间狭小的直流牵引柜中。

为了便于工程安装应用，传感器需选用合适的中心孔尺寸，一般开孔尺寸的长和宽分别比铜排大50mm即可，例如铜排尺寸为20mm×150mm时，可选用开孔为70mm×200mm的传感器。其电气参数：量程范围为-50kA~0~+50kA；输出电压为-5V~0~+5V；输出电流为-20mA~0~+20mA；测量精度为±1.5%；电源电压为DC±15V；电源消耗电流300mA以下。

以上是对本实用新型的较佳实施进行了具体说明，但本实用新型创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本实用新型精神的前提下还可以作出种种的等同变换或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种直流牵引供电系统的新型传感系统，其特征在于：包括霍尔电流感应模块、电源模块和信号通信模块；所述霍尔电流感应模块的输入端与电源模块的输出端连接，所述霍尔电流感应模块的输出端与信号通信模块的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的一种直流牵引供电系统的新型传感系统，其特征在于：所述霍尔电流感应模块采用补偿式霍尔电流传感器。

3.根据权利要求1所述的一种直流牵引供电系统的新型传感系统，其特征在于：所述电源模块包括有用于为霍尔电流感应模块供电的开关电源（1）和电源滤波器（2），所述开关电源（1）的输入端连接至电源滤波器（2）的输出端。

4.根据权利要求1所述的一种直流牵引供电系统的新型传感系统，其特征在于：所述信号通信模块的信号输出模式包括有电压型和电流环型。

5.根据权利要求1所述的一种直流牵引供电系统的新型传感系统，其特征在于：还包括有计量控制模块，所述计量控制模块包括有直流计量表（3）、记录仪（4）、远方控制器（5）、第一隔离变压器（6）和第二隔离变压器（7），所述第一隔离变压器（6）的输入端和第二隔离变压器（7）的输入端均连接至信号通信模块的输出端，所述直流计量表（3）的输入端和记录仪（4）的输入端均连接至第一隔离变压器（6）的输出端，所述远方控制器（5）的输入端连接至第二隔离变压器（7）的输出端。

6.根据权利要求5所述的一种直流牵引供电系统的新型传感系统，其特征在于：所述计量控制模块中还包括有直流继电保护装置。

7.根据权利要求5或6所述的一种直流牵引供电系统的新型传感系统，其特征在于：所述霍尔电流感应模块还连接有用于测试霍尔电流感应模块信号输出性能的检测模块。

8.根据权利要求1所述的一种直流牵引供电系统的新型传感系统，其特征在于：所述霍尔电流感应模块外装有保护外壳。

9.根据权利要求7所述的一种直流牵引供电系统的新型传感系统，其特征在于：所述霍尔电流感应模块、电源模块、信号通信模块、计量控制模块和检测模块之间的相互连接均使用KMPW-2.0mm2的带屏蔽层的双绞线，且屏蔽层接地。

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