|
張西哲 趙張強(qiáng)
(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(hù)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(hù)、電壓傳感器構(gòu)成的自動(dòng)消弧裝置是重要的功能，本文簡(jiǎn)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(hào)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(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、北京等城市得到了廣泛的應(yīng)用，其作用在于減少雜散電流對(duì)過(guò)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(hù)，并著重說(shuō)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(guò)防震絕緣墊和道床結(jié)構(gòu)鋼筋隔離。在地鐵長(zhǎng)期的運(yùn)營(yíng)過(guò)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(guò)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(jìn)入金屬通路時(shí)，不對(duì)金屬產(chǎn)生腐蝕，在離開金屬通路時(shí)通過(guò)與金屬周圍的電解質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對(duì)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(duì)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，一方面為減少雜散電流泄漏總量，或減少雜散電流對(duì)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(guò)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(guò)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極管，作用是使鋼軌中電流只流向一個(gè)方向，而在另一個(gè)方向截止。當(dāng)整流管發(fā)生反向擊穿流過(guò)反向電流時(shí)，串接在該支路上的電流傳感器可以檢測(cè)到該電流，經(jīng)監(jiān)測(cè)單元處理后，報(bào)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(hào)線珠江隧道沉管區(qū)段及上海地鐵四號(hào)線黃浦江隧道沉管區(qū)段過(guò)江隧道處單向?qū)ㄑb置的安裝為例，對(duì)于處在水下的隧道，相對(duì)其他隧道區(qū)間的雜散電流防護(hù)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(hù)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(yùn)行時(shí)，列車電流通過(guò)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(shí)，列車電流通過(guò)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(duì)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(hù)單元及自動(dòng)消弧裝置等組成。其中整流二極管為6個(gè)二極管支路并聯(lián)，在每個(gè)支路均串有一個(gè)快速熔斷器和一個(gè)電流傳感器，以組成信號(hào)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(guò)壓保護(hù)。
逆流保護(hù)由電流傳感器來(lái)完成，電流傳感器串接在每個(gè)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(guò)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(guò)二極管所能承受的最大反向電壓值時(shí)，某個(gè)支路的二極管可能發(fā)生擊穿，使其失去單向?qū)üδ芏鬟^(guò)反向電流，該支路上的電流傳感器即時(shí)檢測(cè)到該反向電流，經(jīng)由檢測(cè)系統(tǒng)處理后，向上位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出二極管故障報(bào)警信號(hào)。
本系統(tǒng)正常情況下，流過(guò)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(shí)，流過(guò)傳感器的最大反向電流不會(huì)超過(guò)1000A，考慮到出現(xiàn)大電流時(shí)傳感器要能正常檢測(cè)，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(cè)量范圍可達(dá)2000A，副邊額定輸出為一4V電壓信號(hào)，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(shí)間tr小于20μS，使用±12～15供電，耗電低，采用對(duì)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(hào)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(hào)接收處理示意圖
上圖中的U1A、U1B為L(zhǎng)M124運(yùn)算放大器，組成傳感器輸出信號(hào)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(dòng)回路。
當(dāng)某一支路二極管發(fā)生反向擊穿而流過(guò)的反向電流超過(guò)設(shè)定值（為1000A）時(shí)，根據(jù)計(jì)算，電流傳感器副邊輸出一個(gè)小于-2.7V的電壓信號(hào)U1，U1經(jīng)過(guò)LM124組成的電壓跟隨器，與REF比較，這時(shí)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(lái)的信號(hào)通過(guò)K1觸點(diǎn)回復(fù)回去，完成二極管反向擊穿故障的信號(hào)報(bào)警過(guò)程。
3.3電壓傳感器在自動(dòng)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(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，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(dá)到一定值時(shí)，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(dòng)消弧裝置，其電路原理圖見圖5。
圖5 自動(dòng)消弧裝置原理圖
該自動(dòng)消弧裝置有二個(gè)輸入端M、N，分別與正線軌道和車庫(kù)端軌道連接，使用電壓傳感器檢測(cè)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(cè)到該電位差超過(guò)設(shè)定值時(shí)，發(fā)送觸發(fā)信號(hào)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(huì)超過(guò)110V，在選擇傳感器時(shí)充分考慮到過(guò)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(cè)量范圍VPmax可達(dá)±187.5V，當(dāng)原邊額定有效值電壓VPN為125V時(shí)，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(shí)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(hào)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(shuō)明傳感器輸出信號(hào)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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。絕緣結(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選擇最大阻值為2k的可調(diào)電位器，型號(hào)為3362P-1-102。當(dāng)傳感器的輸出VDCLEM大于REF時(shí)，觸發(fā)U2，使K1線圈得電，觸點(diǎn)閉合，這時(shí)可給可控硅門極施加5V的觸發(fā)信號(hào)，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(duì)其它品牌的產(chǎn)品，具有：（1）精度高、響應(yīng)時(shí)間短；（2）電流傳感器副邊輸出為電壓信號(hào)，后續(xù)電路簡(jiǎn)單；（3）采用對(duì)開式結(jié)構(gòu)，維護(hù)方便；（4）適應(yīng)-40 ~ +85℃的工作環(huán)境；（5）原副邊安全隔離等優(yōu)點(diǎn)，完全滿足地鐵行業(yè)寬廣的溫度范圍、惡劣的噪聲、強(qiáng)烈的沖擊、振動(dòng)這些對(duì)傳感器產(chǎn)品可靠性的非常高的要求。
4 結(jié)束語(yǔ)
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(cè)量電流、電壓范圍寬，對(duì)于不同的應(yīng)用，幾乎都可以找到對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品。LEM以“為客戶提升綜合價(jià)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(jià)值觀和原則，越來(lái)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(yáng)能和微型渦輪機(jī)等節(jié)能環(huán)保型產(chǎn)品�，F(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(fèi)，要采用節(jié)能、降耗、節(jié)水、環(huán)保的先進(jìn)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(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(gè)城市地鐵線路提供了38臺(tái)單向?qū)ㄑb置，使用電流傳感器228個(gè)，電壓傳感器10個(gè)，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傳感器技術(shù)領(lǐng)先、性能優(yōu)良、可靠性高的優(yōu)勢(shì)。
參考文獻(xiàn)
[1]王兆安 張明勛.電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002
[2]汪園園.雜散電流分區(qū)域防護(hù)問(wèn)題的研究[J].北京：鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì).2002，6
[3]鐵路專用選型手冊(cè) 電量隔離傳感器[Z].北京：北京萊姆電子有限公司，2003，5
作者簡(jiǎn)介：張西哲（1972- ），男，高級(jí)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(qiáng)（1975- ），男，工程師，長(zhǎng)期從事電氣自動(dòng)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(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)文景北路15號(hào)捷力大廈
|
