（兰州石化公司动力厂）
摘要：电力系统中运行、检测的电气量分为模拟量与数字量两种，最初对电压、电流的检测，人们采用分流器或分压器的方法。后来，随着技术的发展，发明了互感器实现对交流电压、电流的测量。随着技术进步，电力系统中开始采用霍尔传感器完成电压、电流测量功能。本论文通过对分流器、互感器、霍尔传感器工作原理的研究，深入剖析各自的特点，针对电力系统运行需要，提出改进建议，为提高测量精度，适应生产需要，安全稳定供电，提供技术参考。
关键字：测量；磁场；霍尔元件
正文
1、互感器工作原理
在电力系统中，传输的对象是电能，采用高电压、大电流输送，电压高达几十甚至上百万伏。电流高达几百乃至几千安培，在这种情况下，无法直接用仪表进行测量，而必须采用间接测量的方法。之前介绍的分流器，虽然也可以完成这个测量任务，但由于分流器是直接连接在主电路中，测量电路与主电路之间无法实现电气隔离，对于测量设备的耐压绝缘等级要求极高，危险性较大。另外，测量电压需要并联在输电线路两端采样，分流器无法直接测量电压，因而，就需要研制新的电压、电流测量元件。
随着科学技术的进步，人们根据电磁感应原理，研制出了互感器。互感器顾名思义，是依靠电磁感应现象中互感原理工作。当导体中通过电流，在电流的周围与其垂直的空间内，会立即出现磁场，磁场的强弱、方向与电流之间存在一定的数学关系，简单描述为B=kI/R。磁场的强弱及方向随着电流的变化而变化，这个变化的磁场又在周围空间激发出与之互相垂直的电场，此时，只要将另一个导体放在这个电场中，就会在导体中产生感应电动势，如果导体能够组成闭合回路，则会产生感应电流。这个感应电动势就是通常所说的感生电动势。根据导体环绕的匝数之比，就可以控制感生电动势与原电压之间的比例关系，可以根据需要，升高或者降低电压。
根据上述电磁感应原理，制作的元件就是互感器，具体的结构是用不封口的绝缘硅钢片彼此叠制成矩形，构成变压器的铁芯。然后在铁芯的两边缠绕导线，与输电线路连接的一侧称为原边或主回路，与测量仪表连接的一侧称为副边或次回路。电力输电线路的交变电压U1、电流I1通入原边，首先在铁芯中感应出与之成一定比例关系的交变磁场B，该磁场沿着铁芯穿过另一侧的副边，由于磁场B的大小和方向都是周期性变化的，因而能在副边线圈内感应出电动势U2，当副边线圈与测量仪表构成闭合回路后，就能进一步产生感应电流I2。由于原、副边线圈匝数比值一定，所以原、副边电压U1/U2、电流I1/I2的值也是确定的，只要测量出U2和I2，就可以间接计算出原边电压U1、电流I2，实现测量高电压、大电流的目的。
通过上述论述，可以发现，变压器实际是利用电磁感应原理，借助磁场B，将原、副边电气量联系起来，按照一定的比例关系，利用小电压、小电流，去表示大电压、大电流。
2、霍尔传感器的原理
霍尔传感器是利用霍尔效应工作的一种新型传感器。首先介绍霍尔效应，当电流通过导体，在导体两侧施加外部磁场，此时导体内的移动电荷在洛伦兹力的作用下，开始向与电流和磁场构成的平面相垂直的方向运动，正、负电荷不断向两个相反方向运动，在导体这两个方向上就会聚集大量的异种电荷，而电荷间就会出现电场，这个电场正是由受到洛伦兹力作用而移动的电荷构成[1]。根据电场原理，随着时间的增加，集聚的正负电荷会越来越多，电荷间的电场就越来越强。这个电场对于流动的电流同样会产生影响，电场会对移动电荷产生电场力，这个电场力的方向刚好和其之前所受的洛伦兹力方向相反，起到一种反制效果。随着电荷不断的积累，电场不断增强，电场力不断增加，当电场力和洛伦兹力大小相等时，后续再流进导体的移动电荷所受合力为零，就不再发生偏转，而沿着导体直接穿过。
而导体内部聚集电荷产生的电场同时会产生一个电势差，这个电势差的大小与外部所加磁场以及导体内电流值之间存在严格的数学关系，因而只要测量出电势差，就可以计算外部磁场和电流的大小，这就是霍尔效应。
霍尔传感器是利用霍尔效应制作的一种磁场传感器。主要利用的就是霍尔效应中导体两端产生的电势差与外部磁场之间的严格数学对应关系，说白了，就是用测得的电压值间接测量外部磁场的强度。
目前较为成熟的霍尔传感器是磁平衡式霍尔传感器，也叫霍尔闭环电流传感器，也称补偿式传感器，即主回路被测电流Ip在聚磁环处所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检测零磁通的工作状态。
磁平衡式电流传感器的具体工作过程为：当主回路有一电流通过时，在导线上产生的磁场被聚磁环聚集并感应到霍尔器件上，所产生的信号输出用于驱动相应的功率运算模块并使其导通，从而获得一个补偿电流Is。这一电流再通过多匝绕组产生磁场，该磁场与被测电流产生的磁场正好相反，因而补偿了原来的磁场，使霍尔器件的输出逐渐减小，当与Ip与匝数相乘所产生的磁场相等时，Is不再增加，这时的霍尔器件起指示零磁通的作用，此时可以通过Is来平衡。被测电流的任何变化都会破坏这一平衡。一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有信号输出。经功率放大后，立即就有相应的电流流过次级绕组以对失衡的磁场进行补偿。从磁场失衡到再次平衡，所需的时间理论上不到1μs，这是一个动态平衡的过程。
3、互感器、霍尔传感器优缺点对比
3.1互感器受限于自身所依赖的电磁感应原理，只能测量交变电流，无法测量直流电流。而且，普通的互感器一般只适合测量50HZ的正弦波形。霍尔传感器由于使用霍尔效应和磁平衡反馈原理，可以对任意波形的电流、电压进行测量。无论直流、交流、脉冲等任何波形都可以测量。而且，对于电力系统中较为重要的瞬时峰值也可以很好地进行测量。霍尔传感器能够准确、迅速地对系统电流波形做出反应，这些功能都是互感器所不具备的。
3.2由于霍尔传感器原边和副边之间仅仅依靠磁场差值联系，所以两者之间存在极高的电气隔离，隔离电压可以达到10000v/mm。这使得霍尔传感器具有极高的安全性。
3.3霍尔传感器依靠磁场差值反馈平衡，极其细微的磁场不平衡都会被功率运算电路放大、检测、补偿，其精度高于0.1%，这个精度适用于目前任何波形的测量。
3.4基于磁平衡反馈补偿原理，霍尔传感器不存在磁饱和的情况，使得其测量线性度极高，可优于0.1%。而变压器在大电流情况下，往往互感器选型的问题，出现磁饱和现象，导致测量失真。
3.5霍尔传感器基于反馈补偿原理，响应时间极短，理论值可达到1μs，完全能够满足电力系统各类保护需要。同时，测量频率的带宽可达1MHz。而测量幅值电流可达5000kA.。
3.6霍尔传感器技术成熟，结构简单、牢固，且相比互感器，具有体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀等优点。
4、结论
本论文从原理结构层面入手，详细研究对比分流器、互感器、霍尔传感器的适用条件以及各自的优缺点，为生产运行提前做好技术参考，为系统运行改进做好技术储备。
参考文献
[1]江缉光，刘秀成.电路原理[M].清华大学出版社，2007—03—01：175.