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張西哲 趙張強
(西安永電電氣有限責(zé)任公司，陜西 西安 710016)
摘要：單向?qū)ㄑb置屬于地鐵雜散電流防護系統(tǒng)中重要的一環(huán)，作用非常重要，其中由LEM電流傳感器構(gòu)成的防逆流保護、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根本改善，地鐵以便捷、快速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?qū)ㄑb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、北京等城市得到了廣泛的應(yīng)用，其作用在于減少雜散電流對過江隧道、高架橋及其周圍建筑中結(jié)構(gòu)鋼筋的腐蝕，提高隧道和高架橋的使用壽命。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，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)鋼筋隔離。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(chǎn)生雜散電流。地鐵整體道床、隧道、高架橋內(nèi)的結(jié)構(gòu)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(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置在雜散電流防護中的作用
雜散電流防護采取的措施，一方面為減少雜散電流泄漏總量，或減少雜散電流對第一層結(jié)構(gòu)鋼筋腐蝕的措施。另一方面是從腐蝕程度上加以緩解，采取內(nèi)部鋼軌隔離措施，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?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極管，作用是使鋼軌中電流只流向一個方向，而在另一個方向截止。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檢測到該電流，經(jīng)監(jiān)測單元處理后，報上位控制系統(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
以廣州地鐵一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)間的雜散電流防護應(yīng)采取更加積極的措施，為此采用了圖2所示的道鋼軌隔離防護措施。
圖2 水下隧道鋼軌隔離
其基本原理是將水下隧道鋼軌與其它正線鋼軌隔離，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置主回路由整流二極管、隔離開關(guān)、保護單元及自動消弧裝置等組成。其中整流二極管為6個二極管支路并聯(lián)，在每個支路均串有一個快速熔斷器和一個電流傳感器，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電流傳感器在保護單元中的應(yīng)用
單向?qū)ㄑb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極管支路上，其方向與支路電流方向一致。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超過二極管所能承受的最大反向電壓值時，某個支路的二極管可能發(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檢測到該反向電流，經(jīng)由檢測系統(tǒng)處理后，向上位監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)出二極管故障報警信號。
本系統(tǒng)正常情況下，流過電流傳感器的最大正向電流為直流750A，當(dāng)一支二極管發(fā)生短路擊穿時，流過傳感器的最大反向電流不會超過1000A，考慮到出現(xiàn)大電流時傳感器要能正常檢測，不至于傳感器飽和，所以選取LEM公司的BLFK1500-S3型電流傳感器，其原邊額定有效值電流為1500A，測量范圍可達2000A，副邊額定輸出為一4V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。該型傳感器具有很高的精度，線性度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)，原邊與副邊之間高度絕緣，安裝、更換均十分方便，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(shè)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(qū)動回路。
當(dāng)某一支路二極管發(fā)生反向擊穿而流過的反向電流超過設(shè)定值（為1000A）時，根據(jù)計算，電流傳感器副邊輸出一個小于-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，則運放輸出為+15V，使U2導(dǎo)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(fù)回去，完成二極管反向擊穿故障的信號報警過程。
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行或處于再生制動運行狀態(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)置一塊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)兩端的電位差達到一定值時，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，使用電壓傳感器檢測絕緣結(jié)兩端的電位差，并傳入到可控硅觸發(fā)裝置，當(dāng)觸發(fā)裝置檢測到該電位差超過設(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超過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±187.5V，當(dāng)原邊額定有效值電壓VPN為125V時，副邊額定有效值電流為50mA，該型傳感器具有很高的精度，線性度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)計算，電壓傳感器的副邊輸出電流為4～6mA，REF為保護設(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選擇最大阻值為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，觸點閉合，這時可給可控硅門極施加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，相對其它品牌的產(chǎn)品，具有：（1）精度高、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)，維護方便；（4）適應(yīng)-40 ~ +85℃的工作環(huán)境；（5）原副邊安全隔離等優(yōu)點，完全滿足地鐵行業(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(chǎn)品可靠性的非常高的要求。
4 結(jié)束語
LEM 是全球電量傳感器的知名制造者，也是電量傳感器領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。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，滿足和超越他們的期望，提供5年質(zhì)量保證”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等節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)品。現(xiàn)今世界能源和自然資源日益短缺，這就要求我們提高能源開發(fā)、生產(chǎn)、加工環(huán)節(jié)的效率、減少浪費，要采用節(jié)能、降耗、節(jié)水、環(huán)保的先進技術(shù)設(shè)備和產(chǎn)品，改造或淘汰消耗高、污染大的落后生產(chǎn)能力、工藝和產(chǎn)品，促進可再生能源的發(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，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?qū)ㄑb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(shù)據(jù)傳輸可靠，充分體現(xiàn)了LEM傳感器技術(shù)領(lǐng)先、性能優(yōu)良、可靠性高的優(yōu)勢。
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作者簡介：張西哲（1972- ），男，高級工程師，從事地鐵地面設(shè)備產(chǎn)品研究與開發(fā)
Tel:029-86498083 13630218026 E-mail：yelzxz@163.com
趙張強（1975- ），男，工程師，長期從事電氣自動化系統(tǒng)研究
工作單位：西安永電電氣有限責(zé)任公司
通信方式：西安市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)文景北路15號捷力大廈
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