張西哲　趙張強

(西安永電電氣有限責任公司，陜西 西安 710016)

　　摘要：單向導通裝置屬于地鐵雜散電流防護系統中重要的一環，作用非常重要，其中由LEM電流傳感器構成的防逆流保護、電壓傳感器構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、具體參數及具體應用，并給出了信號接收處理的電路模型。

　　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根本改善，地鐵以便捷、快速的特點近年得到了各發達城市的大力建造，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構鋼筋的腐蝕，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，從而產生雜散電流。地鐵整體道床、隧道、高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，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構鋼筋腐蝕的措施。另一方面是從腐蝕程度上加以緩解，采取內部鋼軌隔離措施，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。當整流管發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，經監測單元處理后，報上位控制系統。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

   以廣州地鐵一號線珠江隧道沉管區段及上海地鐵四號線黃浦江隧道沉管區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，相對其他隧道區間的雜散電流防護應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，在絕緣結上加單向導通裝置，這樣，當列車在水下隧道沉管區段運行時，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極管、隔離開關、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，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。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，當設備在關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檢測到該反向電流，經由檢測系統處理后，向上位監測系統發出二極管故障報警信號。

   本系統正常情況下，流過電流傳感器的最大正向電流為直流750A，當一支二極管發生短路擊穿時，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，省去了設置副邊采樣電阻的麻煩，應用十分方便。該型傳感器具有很高的精度，線性度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。

   當某一支路二極管發生反向擊穿而流過的反向電流超過設定值（為1000A）時，根據計算，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，從上位監控系統來的信號通過K1觸點回復回去，完成二極管反向擊穿故障的信號報警過程。

   當列車在線路上正常運行或處于再生制動運行狀態時，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，中間設置一塊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一定值時，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，使用電壓傳感器檢測絕緣結兩端的電位差，并傳入到可控硅觸發裝置，當觸發裝置檢測到該電位差超過設定值時，發送觸發信號使可控硅導通，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V_Pmax可達±187.5V，當原邊額定有效值電壓V_PN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，將電流信號轉變為電壓信號。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選擇最大阻值為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，相對其它品牌的產品，具有：（1）精度高、響應時間短；（2）電流傳感器副邊輸出為電壓信號，后續電路簡單；（3）采用對開式結構，維護方便；（4）適應-40 ~ +85℃的工作環境；（5）原副邊安全隔離等優點，完全滿足地鐵行業寬廣的溫度范圍、惡劣的噪聲、強烈的沖擊、振動這些對傳感器產品可靠性的非常高的要求。

   LEM 是全球電量傳感器的知名制造者，也是電量傳感器領域的領導者。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，滿足和超越他們的期望，提供5年質量保證”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節能環保型產品。現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、生產、加工環節的效率、減少浪費，要采用節能、降耗、節水、環保的先進技術設備和產品，改造或淘汰消耗高、污染大的落后生產能力、工藝和產品，促進可再生能源的發展。LEM傳感器在單向導通裝置中的應用正是為了節約電能、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，其運行狀態穩定，數據傳輸可靠，充分體現了LEM傳感器技術領先、性能優良、可靠性高的優勢。

[1]王兆安　張明勛.電力電子設備設計和應用手冊[M].北京：機械工業出版社，2002

[2]汪園園.雜散電流分區域防護問題的研究[J].北京：鐵道標準設計.2002，6

[3]鐵路專用選型手冊　電量隔離傳感器[Z].北京：北京萊姆電子有限公司，2003，5

作者簡介：張西哲（1972- ），男，高級工程師，從事地鐵地面設備產品研究與開發

          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研究

          工作單位：西安永電電氣有限責任公司

          通信方式：西安市經濟技術開發區文景北路15號捷力大廈