摘要：單向?qū)ㄑb置屬于地鐵雜散電流防護(hù)系統(tǒng)中重要的環(huán)，作用重要,，其中由LEM電流傳感器構(gòu)成的防逆流保護(hù),、電壓傳感器構(gòu)成的自動消弧裝置是重要的功能，本文簡要介紹了該傳感器的選型方案,、具體參數(shù)及具體應(yīng)用,，并給出了信號接收處理的電路模型。
關(guān)鍵詞：電流傳感器 電壓傳感器 單向?qū)ㄑb置
0 引言
現(xiàn)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(shè),，但交通的擁擠狀況還是得不到*，地鐵以便捷,、的特點(diǎn)近年得到了各發(fā)達(dá)城市的大力建造,，已成為城市中重要的交通工具。單向?qū)ㄑb置作為地鐵系統(tǒng)中防止雜散電流擴(kuò)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(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)鋼筋中雜散電流的產(chǎn)生與防護(hù)，并著重說明傳感器在單向?qū)ㄑb置中的應(yīng)用,。
1 雜散電流的產(chǎn)生及危害
許多城市的地鐵牽引供電系統(tǒng)是直流架空接觸網(wǎng)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(jié)構(gòu)鋼筋,。在地鐵長期的運(yùn)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(chǎn)生雜散電流,。地鐵整體道床、隧道,、架橋內(nèi)的結(jié)構(gòu)鋼筋為雜散電流的通路,。雜散電流進(jìn)入金屬通路時，不對金屬產(chǎn)生腐蝕,，在離開金屬通路時通過與金屬周圍的電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng),，對金屬造成腐蝕。如果雜散電流腐蝕防護(hù)措施做的不好,，將對地鐵的結(jié)構(gòu)鋼筋,、周圍建筑物鋼筋、金屬管道造成腐蝕,，降低建筑結(jié)構(gòu)或地下金屬管道網(wǎng)的使用壽命,。
2 單向?qū)ㄑb置在雜散電流防護(hù)中的作用
雜散電流防護(hù)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(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕的措施,。另方面是從腐蝕程度上加以緩解，采取內(nèi)部鋼軌措施,，如在地下,、地上鋼軌之間加絕緣結(jié)、過江隧道兩端加絕緣結(jié),、車輛段鋼軌與正線鋼軌間加絕緣結(jié)等,，防止雜散電流進(jìn)入地下、過江隧道等保護(hù)區(qū)域,。在這類措施中就要用到單向?qū)ㄑb置,。
2.1 單向?qū)ㄑb置原理
單向?qū)ㄑb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(dāng)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(jīng)監(jiān)測單元處理后,，報(bào)上位系統(tǒng)。圖1為單向?qū)ㄑb置原理及與軌道絕緣結(jié)的安裝示意圖,。
圖1 單向?qū)ㄑb置原理及與軌道絕緣結(jié)安裝示意圖
2.2 單向?qū)ㄑb置的安裝形式
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?qū)ㄑb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(hù)應(yīng)采取加積的措施,，為此采用了圖2所示的道鋼軌防護(hù)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(jié)上加單向?qū)ㄑb置，這樣,，當(dāng)列車在水下隧道沉管區(qū)段運(yùn)行時,，列車電流通過單向?qū)ㄑb置回流至牽引所，而當(dāng)列車在水下隧道沉管以外區(qū)段運(yùn)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(nèi)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。
3 單向?qū)ㄑb置構(gòu)成
3.1 主回路
單向?qū)ㄑb置主回路由整流二管,、開關(guān),、保護(hù)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(lián),，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?qū)ㄑb置主回路原理圖
3.2電流傳感器在保護(hù)單元中的應(yīng)用
單向?qū)ㄑb置的保護(hù)分為逆流保護(hù)、短路保護(hù)及過壓保護(hù),。
逆流保護(hù)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(dāng)設(shè)備在關(guān)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?qū)üδ芏鬟^反向電流,，該支路上的電流傳感器即時到該反向電流，經(jīng)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(dāng)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(xiàn)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(dá)2000A,，副邊額定輸出為4V電壓信號，省去了設(shè)置副邊采樣電阻的麻煩,，應(yīng)用十分方便,。該型傳感器具有很的，線度εL小于±1%,，響應(yīng)時間tr小于20μS,，使用±12～15供電，耗電低,，采用對開式結(jié)構(gòu),，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(yùn)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(hù)設(shè)定值-2.7V,，U2為ULN2804A達(dá)林頓晶體管陣列,，作為繼電器K1（G2R-1A/12VDC）的驅(qū)動回路。
當(dāng)某支路二管發(fā)生反向擊穿而流過的反向電流過設(shè)定值（為1000A）時,，根據(jù)計(jì)算,，電流傳感器副邊輸出個小于-2.7V的電壓信號U1，U1經(jīng)過LM124組成的電壓跟隨器,，與REF比較,，這時U1＜REF，則運(yùn)放輸出為+15V,，使U2導(dǎo)通,，繼電器K1線圈得電，觸點(diǎn)閉合,，從上位監(jiān)控系統(tǒng)來的信號通過K1觸點(diǎn)回復(fù)回去,，完成二管反向擊穿故障的信號過程。
3.3電壓傳感器在自動消弧裝置中的應(yīng)用 當(dāng)列車在線路上正常運(yùn)行或處于再生制動運(yùn)行狀態(tài)時,，絕緣結(jié)兩端都可能產(chǎn)生電位差,。鋼軌絕緣結(jié)處的絕緣間隙只有5mm多，中間設(shè)置塊5mm的絕緣墊,。弓網(wǎng),、輪軌磨擦產(chǎn)生金屬粉塵吸附在絕緣墊上,，減小了絕緣電阻。當(dāng)絕緣結(jié)兩端的電位差達(dá)到值時,，沿面放電,，并產(chǎn)生火花。為了避免絕緣結(jié)處軌道由于沿面放電而燒損,，設(shè)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(jié)兩端的電位差,，并傳入到可控硅觸發(fā)裝置,，當(dāng)觸發(fā)裝置到該電位差過設(shè)定值時，發(fā)送觸發(fā)信號使可控硅導(dǎo)通,，可控硅導(dǎo)通后消除了絕緣結(jié)兩端的電位差而不再產(chǎn)生電弧,，避免了燒毀軌道。
絕緣結(jié)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VPmax可達(dá)±187.5V,，當(dāng)原邊額定值電壓VPN為125V時,，副邊額定值電流為50mA，該型傳感器具有很的,，線度εL小于0.1%,，響應(yīng)時間tr為10～13μS，使用±12～15供電,，耗電低,，可在-40 ~ +85℃的工作環(huán)境中應(yīng)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(shè)置采樣電阻,，將電流信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘枴＝^緣結(jié)的起弧電壓在10～15V,，根據(jù)計(jì)算,，電壓傳感器的副邊輸出電流為4～6mA，REF為保護(hù)設(shè)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(diào)電位器,，型號為3362P-1-102。當(dāng)傳感器的輸出VDCLEM大于REF時,，觸發(fā)U2，使K1線圈得電,，觸點(diǎn)閉合,，這時可給可控硅門施加5V的觸發(fā)信號，使可控硅導(dǎo)通,，從而短接絕緣結(jié),，消除打火隱患。
在單向?qū)ㄑb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(chǎn)品,，具有：（1）、響應(yīng)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(jié)構(gòu),，維護(hù)方便,；（4）適應(yīng)-40 ~ +85℃的工作環(huán)境；（5）原副邊等優(yōu)點(diǎn),，地鐵行業(yè)寬廣的溫度范圍,、惡劣的噪聲、強(qiáng)烈的沖擊,、振動這些對傳感器產(chǎn)品的的要求,。
4 結(jié)束語
LEM 是電量傳感器的制造者，也是電量傳感器領(lǐng)域的,。LEM的產(chǎn)品線豐富,，測量電流、電壓范圍寬,，對于不同的應(yīng)用,，幾乎都可以找到對應(yīng)的產(chǎn)品。LEM以“為客戶提升綜合價值,，了解和預(yù)見客戶的需求,，和越他們的期望，提供5年質(zhì)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(yīng)用于AC/DC整流、UPS以及新能源領(lǐng)域，如：風(fēng)能,、太陽能和微型渦輪機(jī)等環(huán)保型產(chǎn)品?，F(xiàn)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(chǎn),、加工環(huán)節(jié)的效率、減少浪費(fèi),，要采用,、降耗、節(jié)水,、環(huán)保的設(shè)備和產(chǎn)品,，改造或淘汰消耗、污染大的落后生產(chǎn)能力,、工藝和產(chǎn)品,，促進(jìn)可再生能源的發(fā)展。LEM傳感器在單向?qū)ㄑb置中的應(yīng)用正是為了節(jié)約電能,、減少浪費(fèi),，促進(jìn)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?qū)ㄑb置,，使用電流傳感器228個,，電壓傳感器10個，其運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定,，數(shù)據(jù)傳輸可靠,，充分體現(xiàn)了LEM傳感器、能,、的優(yōu)勢,。
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