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(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*,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(duì)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(shí),不對(duì)金屬產(chǎn)生腐蝕,在離開金屬通路時(shí)通過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,方面為減少雜散電流泄漏總量,或減少雜散電流對(duì)*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(gè)方向,而在另個(gè)方向截止。當(dāng)整流管發(fā)生反向擊穿流過反向電流時(shí),串接在該支路上的電流傳感器可以到該電流,經(jīng)監(jiān)測(cè)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(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(shí),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(shí),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(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置主回路由整流二管、開關(guān)、保護(hù)單元及自動(dòng)消弧裝置等組成。其中整流二管為6個(gè)二管支路并聯(lián),在每個(gè)支路均串有個(gè)熔斷器和個(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(gè)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(shí),某個(gè)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(shí)到該反向電流,經(jīng)由系統(tǒng)處理后,向上位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)出二管故障信號(hào)。
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(shí),流過傳感器的zui大反向電流不會(huì)過1000A,考慮到出現(xiàn)大電流時(shí)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(cè)量范圍可達(dá)2000A,副邊額定輸出為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。該型傳感器具有很的,線度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(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LM124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(shí),根據(jù)計(jì)算,電流傳感器副邊輸出個(gè)小于-2.7V的電壓信號(hào)U1,U1經(jīng)過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)來的信號(hào)通過K1觸點(diǎn)回復(fù)回去,完成二管反向擊穿故障的信號(hào)過程。
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(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(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)過110V,在選擇傳感器時(shí)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(cè)量范圍VPmax可達(dá)±187.5V,當(dāng)原邊額定值電壓VPN為125V時(shí),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(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zui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)其它的產(chǎn)品,具有:(1)、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(dòng)這些對(duì)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(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,和越他們的期望,提供5年質(zhì)量”的價(jià)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。現(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(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、能、的優(yōu)勢(shì)。
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