直流牽引供電系統(tǒng)新型傳感器的研究

常倫凱 叢培建 張馬龍 常寶波 宋金川

（1.煙臺(tái)東方威斯頓電氣有限公司，264011，煙臺(tái)；2.廣州東芝白云電器設(shè)備有限公司開發(fā)設(shè)計(jì)部，510460，廣州；3.天津凱發(fā)電氣股份有限公司研發(fā)中心，300384，天津∥第一作者，工程師）

城市軌道交通系統(tǒng)中，地鐵機(jī)車的牽引系統(tǒng)是直流供電的，對(duì)直流設(shè)備的測(cè)量和控制時(shí)，必須有相應(yīng)的設(shè)備，將大電流高電壓的直流量轉(zhuǎn)換為小電流低電壓的信號(hào)量，再提供給直流保護(hù)測(cè)控裝置。目前常用的方法是在供電主回路中串聯(lián)毫歐級(jí)的電阻，這個(gè)電阻通常稱為分流器，將分流器兩端的信號(hào)經(jīng)過隔離和信號(hào)調(diào)理后提供給直流保護(hù)測(cè)控裝置。由于這種直接測(cè)量的方式，系統(tǒng)要求隔離電壓為AC 15 k V，而常用的信號(hào)隔離器一般都是AC 2 k V，且只能輸出測(cè)量信號(hào)，不能輸出寬范圍的信號(hào)給直流保護(hù)測(cè)控裝置，這就給隔離器的選型帶來了很大的難度。

為了解決隔離問題，一般采用電光電模式或電磁電模式，但這兩種模式不僅要求將信號(hào)隔離，隔離器的供電回路也需要隔離，這就加大了系統(tǒng)復(fù)雜性和技術(shù)難度，大大降低系統(tǒng)的可靠性，也導(dǎo)致測(cè)量精度降低。另外，在這樣復(fù)雜的電光電或電磁電模式下，信號(hào)的傳輸都是單向的，沒有握手及重傳機(jī)制，在受到干擾的情況下容易丟數(shù)據(jù)。

針對(duì)傳統(tǒng)的傳感器在隔離、可靠性等方面的弱點(diǎn)，提出了能夠解決隔離難度大的新型傳感器方式。采用閉環(huán)電流傳感器，測(cè)量方法簡單，容易工程化，大大提高了傳感器的可靠性。

1 傳統(tǒng)的傳感器方式

直流牽引供電系統(tǒng)中，目前常用的測(cè)量方法是接觸式測(cè)量方式，如圖1所示。在供電主回路中串聯(lián)毫歐級(jí)的電阻，這個(gè)電阻通常稱為分流器，分流器充當(dāng)取樣電阻的功能，將分流器兩端的信號(hào)接入隔離放大器，經(jīng)過隔離和信號(hào)調(diào)理后提供給直流保護(hù)測(cè)控裝置。

圖1 直流牽引供電系統(tǒng)圖

接觸式測(cè)量方式方法直接、原理簡單。如圖2所示，隔離放大器由3個(gè)端口組成，分別是電源輸入端口、信號(hào)輸入端口和信號(hào)輸出端口（其中信號(hào)輸出端口可以是多組）。這3個(gè)端口要求相互隔離，即既要求信號(hào)輸入與輸出之間隔離，也要求信號(hào)輸入輸出與電源輸入之間也要隔離，且隔離電壓要達(dá)到AC 15 k V，以保證對(duì)設(shè)備和人身的高安全性。在工業(yè)控制領(lǐng)域所用到的信號(hào)隔離器，其隔離電壓一般只有AC 2 k V，且只能輸出測(cè)量信號(hào)，不能輸出寬范圍的信號(hào)給直流保護(hù)測(cè)控裝置，不適合應(yīng)用在直流牽引供電系統(tǒng)中。

圖2 隔離放大器

要想達(dá)到AC 15 k V的高隔離電壓等級(jí)，還得采取特殊的方法，電光電模式就是常用的方法之一。如圖3所示，其隔離原理是先將輸入的模擬信號(hào)經(jīng)過AD采樣轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，然后經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換，通過光纖傳送到輸出側(cè)；在輸出側(cè)經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換和信號(hào)調(diào)理，輸出所需要的模擬量。另外，電源的隔離采用固定頻率且無反饋的高頻開關(guān)電源，其中的高頻變壓器的隔離電壓也設(shè)計(jì)成AC 15 k V，不過體積較大。目前德國的西門子（Sie mens）、英國的霍克西利（Hawker Siddeley）和意大利的MS，都采用電光電模式。另一種方法是以Knick為代表的電磁電模式，類似于電光電模式，只是通過電磁耦合來傳遞數(shù)字信號(hào)而已。

圖3 電光電模式

接觸式測(cè)量方式，測(cè)試設(shè)備和被測(cè)系統(tǒng)相互干擾，導(dǎo)致測(cè)量精度低，可靠性差。上述兩種隔離模式，雖然達(dá)到了隔離的目的，但實(shí)現(xiàn)起來成本高，技術(shù)難度大，目前也只有少數(shù)幾家公司掌握了核心技術(shù)，特別是Knick的產(chǎn)品中，大量地使用了新工藝和新材料，如硬件堆棧工藝和平板變壓器等，一般公司難以實(shí)現(xiàn)。另外，在數(shù)字傳輸過程中，傳輸方向是單向的，沒有握手信號(hào)和信號(hào)重發(fā)機(jī)制，在遇到干擾時(shí)，只能是被動(dòng)地丟幀。

2 新型傳感器方式

根據(jù)霍爾效應(yīng)可知：① 在一定的工作電流I下，霍爾電壓UH與外磁場(chǎng)感應(yīng)強(qiáng)度B成正比；②在一定的外磁場(chǎng)中，霍爾電壓UH與通過霍爾片的工作電流強(qiáng)度I成正比。

2.1 霍爾傳感器的工作原理

霍爾電流傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)原理制成的，一般由原邊電路、聚磁環(huán)、霍爾器件、次級(jí)線圈和放大電路等部件組成。根據(jù)有無次級(jí)線圈，又分為閉環(huán)式和開環(huán)式2種。在實(shí)際應(yīng)用中，以閉環(huán)式為主。

圖4所示為閉環(huán)電流傳感器，其主回路被測(cè)電流IP在聚磁環(huán)處產(chǎn)生的磁場(chǎng)通過一個(gè)次級(jí)線圈電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)進(jìn)行補(bǔ)償，從而使霍爾器件處于零磁通的工作狀態(tài)。由安培定律可知，流過導(dǎo)體的電流IP會(huì)在導(dǎo)體的周圍產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，而繞在磁心上的N匝線圈，如果通1／N倍的反相電流，就可以抵消原邊電流IP所產(chǎn)生的磁場(chǎng)。霍爾傳感器是安裝在磁心的開口間隙中，如果原副邊的磁通不平衡，磁通就不為零，則霍爾傳感器就會(huì)有電壓信號(hào)輸出。該信號(hào)經(jīng)過高增益的放大器放大后，自動(dòng)調(diào)節(jié)二側(cè)次電流以抵消原副邊不平衡產(chǎn)生的偏差。因此，在磁心開口間隙中，由二次側(cè)電流所產(chǎn)生的磁通始終能夠抵消原邊電流I所產(chǎn)生的磁通。

圖4 閉環(huán)電流傳感器

2.2 基于閉環(huán)電流傳感器原理的新型傳感器

由于閉環(huán)電流傳感器始終處于零磁通的平衡狀態(tài)，磁路中的鐵心不會(huì)飽和，測(cè)量范圍寬，從零到500 k A的電流都能實(shí)現(xiàn)。在此技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)對(duì)傳感器的要求，研制出了該新型傳感器。

該新型傳感器的實(shí)現(xiàn)方法，是在傳感器中將聚磁環(huán)分成N（N≥2）個(gè)斷口，每個(gè)斷口都植入霍爾器件，再配置N組次級(jí)線圈及對(duì)應(yīng)不同放大倍數(shù)的信號(hào)調(diào)理電路，就組成N組不同量程、不同帶寬、不同輸出型式的新型傳感器。其輸出可以分別接入直流保護(hù)測(cè)控裝置、計(jì)量儀表、監(jiān)控及遠(yuǎn)動(dòng)裝置。

新型傳感器的主要技術(shù)參數(shù)如下。

（1）檢出電流：－500 k A～0～＋500 k A。

（2）輸出電壓／電流：－10 V～0～＋10 V，負(fù)載＞3 kΩ；－20 mA～0～＋20 mA，負(fù)載＜500Ω。其中至少有一路為10倍的檢出電流的額定值，接入直流保護(hù)測(cè)控裝置。

（3）輸出精度：（1±1.5%）500 k A以內(nèi)。

（4）響應(yīng)速度：0.1 ms。

（5）輸出溫度特性：±1%，±25℃（0～50℃）。

（6）電源：DC±15 V，350 mA以下。

（7）沖擊耐壓：貫通孔與端子之間±1.2／50μs，單極性全波電壓20 k V。

和傳統(tǒng)的傳感器相比，新型傳感器具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）應(yīng)用場(chǎng)合新，直接套入750 V或1 500 V直流開關(guān)柜的主供電回路，替代傳統(tǒng)的分流器和隔離放大器組合；

（2）隔離耐壓高，沖擊電壓＞20 k V；

（3）多組輸出，且有專門的回路接入直流保護(hù)測(cè)控裝置；

（4）測(cè)量范圍寬，從零到500 k A，與直流開關(guān)的開斷容量相匹配；

（5）安裝和維護(hù)簡單，性能穩(wěn)定可靠。

量程為500 k A的這種新型傳感器，其實(shí)物如圖5所示，為黑色工程塑料外殼，并用環(huán)氧樹脂澆注；其外形尺寸（長寬高）為380 mm×270 mm×100 mm，適合安裝在空間狹小的直流牽引柜中。為了便于工程安裝，傳感器需選擇合適的孔尺寸。一般開孔尺寸的長和寬分別比銅排大50 mm即可。

圖5 閉環(huán)電流傳感器實(shí)物圖

3 工程化應(yīng)用

新型傳感器在軌道交通直流牽引系統(tǒng)中的典型應(yīng)用如圖6所示。系統(tǒng)由傳感器主體回路、供電回路、信號(hào)輸出回路、測(cè)試回路及計(jì)量控制回路組成。各回路分別介紹如下。

圖6 閉環(huán)電流傳感器典型應(yīng)用

（1）主體回路——傳感器套入供電主回路的銅排，與一次側(cè)系統(tǒng)完全隔離。安裝時(shí)要注意傳感器與主回路的銅排要垂直。

（2）供電回路——傳感器的工作電源為DC±15 V，由開關(guān)電源提供。開關(guān)電源的前端需加裝濾波器，以防止外部干擾。

（3）信號(hào)輸出回路——傳感器提供2種模式的信號(hào)輸出，一種是電壓型，另一種是電流環(huán)型。其中電流環(huán)型因負(fù)載能力強(qiáng)，抗干擾性能好，工程上比較常用。

（4）測(cè)試回路——傳感器還提供1路測(cè)試回路輸出，用于檢驗(yàn)傳感器的信號(hào)輸出性能。

（5）計(jì)量控制回路——計(jì)量控制回路包括直流計(jì)量表、測(cè)控儀表、直流保護(hù)裝置等設(shè)備。

值得注意的是，信號(hào)輸出回路、測(cè)試回路及電源回路的接線，必須采用KMPW－2.0 mm2帶屏蔽層的雙絞線，且屏蔽層必須接地，以防止干擾。

目前該傳感器已配合某型號(hào)的直流牽引成套柜，進(jìn)入工程樣機(jī)的型式試驗(yàn)階段。

4 結(jié)語

針對(duì)直流牽引供電系統(tǒng)中傳統(tǒng)的傳感器在隔離、可靠性等方面的弱點(diǎn)，提出一種新型傳感器替代傳統(tǒng)的分流器和隔離放大器組合。該新型傳感器測(cè)量方法簡單，容易工程化，大大提高了傳感器的可靠性。目前該閉環(huán)傳感器已在自主開發(fā)的直流成套開關(guān)柜中得以應(yīng)用。

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