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　　關鍵詞：電流傳感器　電壓傳感器  單向導通裝置

   現今各大城市的汽車擁有量急劇增加，雖然各地政府加大了道路的建設，但交通的擁擠狀況還是得不到*，地鐵以便捷、的特點近年得到了各發(fā)達城市的大力建造，已成為城市中重要的交通工具。單向導通裝置作為地鐵系統(tǒng)中防止雜散電流擴散的重要組成部分，在深圳、廣州、上海、北京等城市得到了的應用，其作用在于減少雜散電流對過江隧道、架橋及其周圍建筑中結構鋼筋的腐蝕，提隧道和架橋的使用壽命。以下分析地鐵系統(tǒng)結構鋼筋中雜散電流的產生與防護，并著重說明傳感器在單向導通裝置中的應用。

   許多城市的地鐵牽引供電系統(tǒng)是直流架空接觸網供電制式，以鋼軌作為牽引回流的通道，在地鐵系統(tǒng)中，鋼軌直接安裝在整體道床上，通過防震絕緣墊和道床結構鋼筋。在地鐵長期的運營過程中，灰塵、污水、道渣、金屬粉末等吸附在防震絕緣墊上，減小了鋼軌和整體道床之間的泄漏阻抗，鋼軌中的電流通過這些污染物流入到整體道床中，從而產生雜散電流。地鐵整體道床、隧道、架橋內的結構鋼筋為雜散電流的通路。雜散電流進入金屬通路時，不對金屬產生腐蝕，在離開金屬通路時通過與金屬周圍的電解質發(fā)生化學反應，對金屬造成腐蝕。如果雜散電流腐蝕防護措施做的不好，將對地鐵的結構鋼筋、周圍建筑物鋼筋、金屬管道造成腐蝕，降低建筑結構或地下金屬管道網的使用壽命。

   雜散電流防護采取的措施，方面為減少雜散電流泄漏總量，或減少雜散電流對*層結構鋼筋腐蝕的措施。另方面是從腐蝕程度上加以緩解，采取內部鋼軌措施，如在地下、地上鋼軌之間加絕緣結、過江隧道兩端加絕緣結、車輛段鋼軌與正線鋼軌間加絕緣結等，防止雜散電流進入地下、過江隧道等保護區(qū)域。在這類措施中就要用到單向導通裝置。

   單向導通裝置的主要器件為整流二管，作用是使鋼軌中電流只流向個方向，而在另個方向截止。當整流管發(fā)生反向擊穿流過反向電流時，串接在該支路上的電流傳感器可以到該電流，經監(jiān)測單元處理后，報上位系統(tǒng)。圖1為單向導通裝置原理及與軌道絕緣結的安裝示意圖。
                       

 

圖1　單向導通裝置原理及與軌道絕緣結安裝示意圖

   以廣州地鐵號線珠江隧道沉管區(qū)段及上海地鐵四號線黃浦江隧道沉管區(qū)段過江隧道處單向導通裝置的安裝為例，對于處在水下的隧道，相對其他隧道區(qū)間的雜散電流防護應采取加積的措施，為此采用了圖2所示的道鋼軌防護措施。
 

 

圖2　水下隧道鋼軌

   其基本原理是將水下隧道鋼軌與其它正線鋼軌，在絕緣結上加單向導通裝置，這樣，當列車在水下隧道沉管區(qū)段運行時，列車電流通過單向導通裝置回流至牽引所，而當列車在水下隧道沉管以外區(qū)段運行時，列車電流通過與鋼軌平行的回流電纜。其效果是水下隧道沉管區(qū)段內的鋼軌電流將減少，鋼軌電位低，從而使該段鋼軌泄漏的雜散電流減少，對該段的鋼軌及隧道鋼筋防腐蝕有利。

   單向導通裝置主回路由整流二管、開關、保護單元及自動消弧裝置等組成。其中整流二管為6個二管支路并聯，在每個支路均串有個熔斷器和個電流傳感器，以組成信號采集、分析和輸出系統(tǒng)。主回路原理圖如圖3所示。
 

 

圖3 單向導通裝置主回路原理圖

   單向導通裝置的保護分為逆流保護、短路保護及過壓保護。

逆流保護由電流傳感器來完成，電流傳感器串接在每個二管支路上，其方向與支路電流方向致。正常情況下電流傳感器流過的是正向電流，當設備在關斷情況下其反向電壓過二管所能承受的zui大反向電壓值時，某個支路的二管可能發(fā)生擊穿，使其失去單向導通功能而流過反向電流，該支路上的電流傳感器即時到該反向電流，經由系統(tǒng)處理后，向上位監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出二管故障信號。

   本系統(tǒng)正常情況下，流過電流傳感器的zui大正向電流為直流750A，當支二管發(fā)生短路擊穿時，流過傳感器的zui大反向電流不會過1000A，考慮到出現大電流時傳感器要能正常，不至于傳感器飽和，所以選取LEM公司的BLFK1500-S3型電流傳感器，其原邊額定值電流為1500A，測量范圍可達2000A，副邊額定輸出為4V電壓信號，省去了設置副邊采樣電阻的麻煩，應用十分方便。該型傳感器具有很的，線度ε_L小于±1%，響應時間t_r小于20μS，使用±12～15供電，耗電低，采用對開式結構，原邊與副邊之間度絕緣，安裝、換均十分方便，免去了拆卸銅母排的麻煩。傳感器輸出信號接收處理的電路模型如圖4所示。
 

 

圖4　電流傳感器輸出信號接收處理示意圖

   上圖中的U1A、U1B為LM124運算放大器，組成傳感器輸出信號的接收、比較電路，電源采用±15V供電，REF為保護設定值-2.7V，U2為ULN2804A達林頓晶體管陣列，作為繼電器K1（G2R-1A/12VDC）的驅動回路。

   當某支路二管發(fā)生反向擊穿而流過的反向電流過設定值（為1000A）時，根據計算，電流傳感器副邊輸出個小于-2.7V的電壓信號U1，U1經過LM124組成的電壓跟隨器，與REF比較，這時U1＜REF，則運放輸出為+15V，使U2導通，繼電器K1線圈得電，觸點閉合，從上位監(jiān)控系統(tǒng)來的信號通過K1觸點回復回去，完成二管反向擊穿故障的信號過程。

   當列車在線路上正常運行或處于再生制動運行狀態(tài)時，絕緣結兩端都可能產生電位差。鋼軌絕緣結處的絕緣間隙只有5mm多，中間設置塊5mm的絕緣墊。弓網、輪軌磨擦產生金屬粉塵吸附在絕緣墊上，減小了絕緣電阻。當絕緣結兩端的電位差達到值時，沿面放電，并產生火花。為了避免絕緣結處軌道由于沿面放電而燒損，設置了自動消弧裝置，其電路原理圖見圖5。
 

 

圖5　自動消弧裝置原理圖

   該自動消弧裝置有二個輸入端M、N，分別與正線軌道和車庫端軌道連接，使用電壓傳感器絕緣結兩端的電位差，并傳入到可控硅觸發(fā)裝置，當觸發(fā)裝置到該電位差過設定值時，發(fā)送觸發(fā)信號使可控硅導通，可控硅導通后消除了絕緣結兩端的電位差而不再產生電弧，避免了燒毀軌道。

   絕緣結兩端的電位差正常情況下不會過110V，在選擇傳感器時充分考慮到過電壓，所以選取LEM公司的AV100-125電流輸出型電壓傳感器，其原邊電壓測量范圍V_Pmax可達±187.5V，當原邊額定值電壓V_PN為125V時，副邊額定值電流為50mA，該型傳感器具有很的，線度ε_L小于0.1%，響應時間t_r為10～13μS，使用±12～15供電，耗電低，可在-40 ~ +85℃的工作環(huán)境中應用。傳感器輸出信號接收處理的電路模型如下圖所示。
 

 

   該電路模型與圖的類似，這里只說明傳感器輸出信號處理的不同之處。AV100-125為電流輸出型，因此必須設置采樣電阻，將電流信號轉變?yōu)殡妷盒盘?。絕緣結的起弧電壓在10～15V，根據計算，電壓傳感器的副邊輸出電流為4～6mA，REF為保護設定值5V，所以采樣電阻可在833～1.25kΩ之間選取，上圖中的采樣電阻R3選擇zui大阻值為2k的可調電位器，型號為3362P-1-102。當傳感器的輸出VDCLEM大于REF時，觸發(fā)U2，使K1線圈得電，觸點閉合，這時可給可控硅門施加5V的觸發(fā)信號，使可控硅導通，從而短接絕緣結，消除打火隱患。

   在單向導通裝置中選用LEM公司的BLFK1500-S3型電流傳感器及AV100-125型電壓傳感器，相對其它的產品，具有：（1）、響應時間短；（2）電流傳感器副邊輸出為電壓信號，后續(xù)電路簡單；（3）采用對開式結構，維護方便；（4）適應-40 ~ +85℃的工作環(huán)境；（5）原副邊等優(yōu)點，地鐵行業(yè)寬廣的溫度范圍、惡劣的噪聲、強烈的沖擊、振動這些對傳感器產品的的要求。

   LEM 是電量傳感器的制造者，也是電量傳感器領域的。LEM的產品線豐富，測量電流、電壓范圍寬，對于不同的應用，幾乎都可以找到對應的產品。LEM以“為客戶提升綜合價值，了解和預見客戶的需求，和越他們的期望，提供5年質量”的價值觀和原則，越來越得到客戶的依賴。

   LEM的電量傳感器大量應用于AC/DC整流、UPS以及新能源領域，如：風能、太陽能和微型渦輪機等環(huán)保型產品。現今能源和自然資源日益短缺，這就要求我們提能源開發(fā)、生產、加工環(huán)節(jié)的效率、減少浪費，要采用、降耗、節(jié)水、環(huán)保的設備和產品，改造或淘汰消耗、污染大的落后生產能力、工藝和產品，促進可再生能源的發(fā)展。LEM傳感器在單向導通裝置中的應用正是為了節(jié)約電能、減少浪費，促進能源的再利用。目前我公司已為四個城市地鐵線路提供了38臺單向導通裝置，使用電流傳感器228個，電壓傳感器10個，其運行狀態(tài)穩(wěn)定，數據傳輸可靠，充分體現了LEM傳感器、能、的優(yōu)勢。