直流牵引供电系统新型传感器的研究

常伦凯 丛培建 张马龙 常宝波 宋金川

（1.烟台东方威斯顿电气有限公司，264011，烟台；2.广州东芝白云电器设备有限公司开发设计部，510460，广州；3.天津凯发电气股份有限公司研发中心，300384，天津∥第一作者，工程师）

城市轨道交通系统中，地铁机车的牵引系统是直流供电的，对直流设备的测量和控制时，必须有相应的设备，将大电流高电压的直流量转换为小电流低电压的信号量，再提供给直流保护测控装置。目前常用的方法是在供电主回路中串联毫欧级的电阻，这个电阻通常称为分流器，将分流器两端的信号经过隔离和信号调理后提供给直流保护测控装置。由于这种直接测量的方式，系统要求隔离电压为AC 15 k V，而常用的信号隔离器一般都是AC 2 k V，且只能输出测量信号，不能输出宽范围的信号给直流保护测控装置，这就给隔离器的选型带来了很大的难度。

为了解决隔离问题，一般采用电光电模式或电磁电模式，但这两种模式不仅要求将信号隔离，隔离器的供电回路也需要隔离，这就加大了系统复杂性和技术难度，大大降低系统的可靠性，也导致测量精度降低。另外，在这样复杂的电光电或电磁电模式下，信号的传输都是单向的，没有握手及重传机制，在受到干扰的情况下容易丢数据。

针对传统的传感器在隔离、可靠性等方面的弱点，提出了能够解决隔离难度大的新型传感器方式。采用闭环电流传感器，测量方法简单，容易工程化，大大提高了传感器的可靠性。

1 传统的传感器方式

直流牵引供电系统中，目前常用的测量方法是接触式测量方式，如图1所示。在供电主回路中串联毫欧级的电阻，这个电阻通常称为分流器，分流器充当取样电阻的功能，将分流器两端的信号接入隔离放大器，经过隔离和信号调理后提供给直流保护测控装置。

图1 直流牵引供电系统图

接触式测量方式方法直接、原理简单。如图2所示，隔离放大器由3个端口组成，分别是电源输入端口、信号输入端口和信号输出端口（其中信号输出端口可以是多组）。这3个端口要求相互隔离，即既要求信号输入与输出之间隔离，也要求信号输入输出与电源输入之间也要隔离，且隔离电压要达到AC 15 k V，以保证对设备和人身的高安全性。在工业控制领域所用到的信号隔离器，其隔离电压一般只有AC 2 k V，且只能输出测量信号，不能输出宽范围的信号给直流保护测控装置，不适合应用在直流牵引供电系统中。

图2 隔离放大器

要想达到AC 15 k V的高隔离电压等级，还得采取特殊的方法，电光电模式就是常用的方法之一。如图3所示，其隔离原理是先将输入的模拟信号经过AD采样转换成数字信号，然后经过电光转换，通过光纤传送到输出侧；在输出侧经过光电转换，将光信号转换成电信号，再经过DA转换和信号调理，输出所需要的模拟量。另外，电源的隔离采用固定频率且无反馈的高频开关电源，其中的高频变压器的隔离电压也设计成AC 15 k V，不过体积较大。目前德国的西门子（Sie mens）、英国的霍克西利（Hawker Siddeley）和意大利的MS，都采用电光电模式。另一种方法是以Knick为代表的电磁电模式，类似于电光电模式，只是通过电磁耦合来传递数字信号而已。

图3 电光电模式

接触式测量方式，测试设备和被测系统相互干扰，导致测量精度低，可靠性差。上述两种隔离模式，虽然达到了隔离的目的，但实现起来成本高，技术难度大，目前也只有少数几家公司掌握了核心技术，特别是Knick的产品中，大量地使用了新工艺和新材料，如硬件堆栈工艺和平板变压器等，一般公司难以实现。另外，在数字传输过程中，传输方向是单向的，没有握手信号和信号重发机制，在遇到干扰时，只能是被动地丢帧。

2 新型传感器方式

根据霍尔效应可知：① 在一定的工作电流I下，霍尔电压UH与外磁场感应强度B成正比；②在一定的外磁场中，霍尔电压UH与通过霍尔片的工作电流强度I成正比。

2.1 霍尔传感器的工作原理

霍尔电流传感器是根据霍尔效应原理制成的，一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、次级线圈和放大电路等部件组成。根据有无次级线圈，又分为闭环式和开环式2种。在实际应用中，以闭环式为主。

图4所示为闭环电流传感器，其主回路被测电流IP在聚磁环处产生的磁场通过一个次级线圈电流所产生的磁场进行补偿，从而使霍尔器件处于零磁通的工作状态。由安培定律可知，流过导体的电流IP会在导体的周围产生一个磁场，而绕在磁心上的N匝线圈，如果通1／N倍的反相电流，就可以抵消原边电流IP所产生的磁场。霍尔传感器是安装在磁心的开口间隙中，如果原副边的磁通不平衡，磁通就不为零，则霍尔传感器就会有电压信号输出。该信号经过高增益的放大器放大后，自动调节二侧次电流以抵消原副边不平衡产生的偏差。因此，在磁心开口间隙中，由二次侧电流所产生的磁通始终能够抵消原边电流I所产生的磁通。

图4 闭环电流传感器

2.2 基于闭环电流传感器原理的新型传感器

由于闭环电流传感器始终处于零磁通的平衡状态，磁路中的铁心不会饱和，测量范围宽，从零到500 k A的电流都能实现。在此技术基础上，结合城市轨道交通直流牵引供电系统对传感器的要求，研制出了该新型传感器。

该新型传感器的实现方法，是在传感器中将聚磁环分成N（N≥2）个断口，每个断口都植入霍尔器件，再配置N组次级线圈及对应不同放大倍数的信号调理电路，就组成N组不同量程、不同带宽、不同输出型式的新型传感器。其输出可以分别接入直流保护测控装置、计量仪表、监控及远动装置。

新型传感器的主要技术参数如下。

（1）检出电流：－500 k A～0～＋500 k A。

（2）输出电压／电流：－10 V～0～＋10 V，负载＞3 kΩ；－20 mA～0～＋20 mA，负载＜500Ω。其中至少有一路为10倍的检出电流的额定值，接入直流保护测控装置。

（3）输出精度：（1±1.5%）500 k A以内。

（4）响应速度：0.1 ms。

（5）输出温度特性：±1%，±25℃（0～50℃）。

（6）电源：DC±15 V，350 mA以下。

（7）冲击耐压：贯通孔与端子之间±1.2／50μs，单极性全波电压20 k V。

和传统的传感器相比，新型传感器具有如下技术特点：

（1）应用场合新，直接套入750 V或1 500 V直流开关柜的主供电回路，替代传统的分流器和隔离放大器组合；

（2）隔离耐压高，冲击电压＞20 k V；

（3）多组输出，且有专门的回路接入直流保护测控装置；

（4）测量范围宽，从零到500 k A，与直流开关的开断容量相匹配；

（5）安装和维护简单，性能稳定可靠。

量程为500 k A的这种新型传感器，其实物如图5所示，为黑色工程塑料外壳，并用环氧树脂浇注；其外形尺寸（长宽高）为380 mm×270 mm×100 mm，适合安装在空间狭小的直流牵引柜中。为了便于工程安装，传感器需选择合适的孔尺寸。一般开孔尺寸的长和宽分别比铜排大50 mm即可。

图5 闭环电流传感器实物图

3 工程化应用

新型传感器在轨道交通直流牵引系统中的典型应用如图6所示。系统由传感器主体回路、供电回路、信号输出回路、测试回路及计量控制回路组成。各回路分别介绍如下。

图6 闭环电流传感器典型应用

（1）主体回路——传感器套入供电主回路的铜排，与一次侧系统完全隔离。安装时要注意传感器与主回路的铜排要垂直。

（2）供电回路——传感器的工作电源为DC±15 V，由开关电源提供。开关电源的前端需加装滤波器，以防止外部干扰。

（3）信号输出回路——传感器提供2种模式的信号输出，一种是电压型，另一种是电流环型。其中电流环型因负载能力强，抗干扰性能好，工程上比较常用。

（4）测试回路——传感器还提供1路测试回路输出，用于检验传感器的信号输出性能。

（5）计量控制回路——计量控制回路包括直流计量表、测控仪表、直流保护装置等设备。

值得注意的是，信号输出回路、测试回路及电源回路的接线，必须采用KMPW－2.0 mm2带屏蔽层的双绞线，且屏蔽层必须接地，以防止干扰。

目前该传感器已配合某型号的直流牵引成套柜，进入工程样机的型式试验阶段。

4 结语

针对直流牵引供电系统中传统的传感器在隔离、可靠性等方面的弱点，提出一种新型传感器替代传统的分流器和隔离放大器组合。该新型传感器测量方法简单，容易工程化，大大提高了传感器的可靠性。目前该闭环传感器已在自主开发的直流成套开关柜中得以应用。

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