现今各大城市的汽车拥有量急剧增加，虽然各地政府加大了道路的建设，但交通的拥挤状况还是得不到根本改善，地铁以便捷、快速的特点近年得到了各发达城市的大力建造，已成为城市中重要的交通工具。单向导通装置作为地铁系统中防止杂散电流扩散的重要组成部分，在深圳、广州、上海、北京等城市得到了广泛的应用，其作用在于减少杂散电流对过江隧道、高架桥及其周围建筑中结构钢筋的腐蚀，提高隧道和高架桥的使用寿命。以下分析地铁系统结构钢筋中杂散电流的产生与防护，并着重说明传感器在单向导通装置中的应用。

   许多城市的地铁牵引供电系统是直流架空接触网供电制式，以钢轨作为牵引回流的通道，在地铁系统中，钢轨直接安装在整体道床上，通过防震绝缘垫和道床结构钢筋隔离。在地铁长期的运营过程中，灰尘、污水、道渣、金属粉末等吸附在防震绝缘垫上，减小了钢轨和整体道床之间的泄漏阻抗，钢轨中的电流通过这些污染物流入到整体道床中，从而产生杂散电流。地铁整体道床、隧道、高架桥内的结构钢筋为杂散电流的通路。杂散电流进入金属通路时，不对金属产生腐蚀，在离开金属通路时通过与金属周围的电解质发生化学反应，对金属造成腐蚀。如果杂散电流腐蚀防护措施做的不好，将对地铁的结构钢筋、周围建筑物钢筋、金属管道造成腐蚀，降低建筑结构或地下金属管道网的使用寿命。

   杂散电流防护采取的措施，一方面为减少杂散电流泄漏总量，或减少杂散电流对第一层结构钢筋腐蚀的措施。另一方面是从腐蚀程度上加以缓解，采取内部钢轨隔离措施，如在地下、地上钢轨之间加绝缘结、过江隧道两端加绝缘结、车辆段钢轨与正线钢轨间加绝缘结等，防止杂散电流进入地下、过江隧道等保护区域。在这类措施中就要用到单向导通装置。

   单向导通装置的主要器件为整流二极管，作用是使钢轨中电流只流向一个方向，而在另一个方向截止。当整流管发生反向击穿流过反向电流时，串接在该支路上的电流传感器可以检测到该电流，经监测单元处理后，报上位控制系统。图1为单向导通装置原理及与轨道绝缘结的安装示意图。
                       

图1　单向导通装置原理及与轨道绝缘结安装示意图

   以广州地铁一号线珠江隧道沉管区段及上海地铁四号线黄浦江隧道沉管区段过江隧道处单向导通装置的安装为例，对于处在水下的隧道，相对其他隧道区间的杂散电流防护应采取更加积极的措施，为此采用了图2所示的道钢轨隔离防护措施。
 

图2　水下隧道钢轨隔离

   其基本原理是将水下隧道钢轨与其它正线钢轨隔离，在绝缘结上加单向导通装置，这样，当列车在水下隧道沉管区段运行时，列车电流通过单向导通装置回流至牵引所，而当列车在水下隧道沉管以外区段运行时，列车电流通过与钢轨平行的回流电缆。其效果是水下隧道沉管区段内的钢轨电流将减少，钢轨电位低，从而使该段钢轨泄漏的杂散电流减少，对该段的钢轨及隧道钢筋防腐蚀有利。

   单向导通装置主回路由整流二极管、隔离开关、保护单元及自动消弧装置等组成。其中整流二极管为6个二极管支路并联，在每个支路均串有一个快速熔断器和一个电流传感器，以组成信号采集、分析和输出系统。主回路原理图如图3所示。
 

图3 单向导通装置主回路原理图

   单向导通装置的保护分为逆流保护、短路保护及过压保护。

逆流保护由电流传感器来完成，电流传感器串接在每个二极管支路上，其方向与支路电流方向一致。正常情况下电流传感器流过的是正向电流，当设备在关断情况下其反向电压超过二极管所能承受的最大反向电压值时，某个支路的二极管可能发生击穿，使其失去单向导通功能而流过反向电流，该支路上的电流传感器即时检测到该反向电流，经由检测系统处理后，向上位监测系统发出二极管故障报警信号。

   本系统正常情况下，流过电流传感器的最大正向电流为直流750A，当一支二极管发生短路击穿时，流过传感器的最大反向电流不会超过1000A，考虑到出现大电流时传感器要能正常检测，不至于传感器饱和，所以选取LEM公司的BLFK1500-S3型电流传感器，其原边额定有效值电流为1500A，测量范围可达2000A，副边额定输出为一4V电压信号，省去了设置副边采样电阻的麻烦，应用十分方便。该型传感器具有很高的精度，线性度ε_L小于±1%，响应时间t_r小于20μS，使用±12～15供电，耗电低，采用对开式结构，原边与副边之间高度绝缘，安装、更换均十分方便，免去了拆卸铜母排的麻烦。传感器输出信号接收处理的电路模型如图4所示。
 

图4　电流传感器输出信号接收处理示意图

   上图中的U1A、U1B为LM124运算放大器，组成传感器输出信号的接收、比较电路，电源采用±15V供电，REF为保护设定值-2.7V，U2为ULN2804A达林顿晶体管阵列，作为继电器K1（G2R-1A/12VDC）的驱动回路。

   当某一支路二极管发生反向击穿而流过的反向电流超过设定值（为1000A）时，根据计算，电流传感器副边输出一个小于-2.7V的电压信号U1，U1经过LM124组成的电压跟随器，与REF比较，这时U1＜REF，则运放输出为+15V，使U2导通，继电器K1线圈得电，触点闭合，从上位监控系统来的信号通过K1触点回复回去，完成二极管反向击穿故障的信号报警过程。

   当列车在线路上正常运行或处于再生制动运行状态时，绝缘结两端都可能产生电位差。钢轨绝缘结处的绝缘间隙只有5mm多，中间设置一块5mm的绝缘垫。弓网、轮轨磨擦产生金属粉尘吸附在绝缘垫上，减小了绝缘电阻。当绝缘结两端的电位差达到一定值时，沿面放电，并产生火花。为了避免绝缘结处轨道由于沿面放电而烧损，设置了自动消弧装置，其电路原理图见图5。
 

图5　自动消弧装置原理图

   该自动消弧装置有二个输入端M、N，分别与正线轨道和车库端轨道连接，使用电压传感器检测绝缘结两端的电位差，并传入到可控硅触发装置，当触发装置检测到该电位差超过设定值时，发送触发信号使可控硅导通，可控硅导通后消除了绝缘结两端的电位差而不再产生电弧，避免了烧毁轨道。

   绝缘结两端的电位差正常情况下不会超过110V，在选择传感器时充分考虑到过电压，所以选取LEM公司的AV100-125电流输出型电压传感器，其原边电压测量范围V_Pmax可达±187.5V，当原边额定有效值电压V_PN为125V时，副边额定有效值电流为50mA，该型传感器具有很高的精度，线性度ε_L小于0.1%，响应时间t_r为10～13μS，使用±12～15供电，耗电低，可在-40 ~ +85℃的工作环境中应用。传感器输出信号接收处理的电路模型如下图所示。
 

   该电路模型与图的类似，这里只说明传感器输出信号处理的不同之处。AV100-125为电流输出型，因此必须设置采样电阻，将电流信号转变为电压信号。绝缘结的起弧电压在10～15V，根据计算，电压传感器的副边输出电流为4～6mA，REF为保护设定值5V，所以采样电阻可在833～1.25kΩ之间选取，上图中的采样电阻R3选择最大阻值为2k的可调电位器，型号为3362P-1-102。当传感器的输出VDCLEM大于REF时，触发U2，使K1线圈得电，触点闭合，这时可给可控硅门极施加5V的触发信号，使可控硅导通，从而短接绝缘结，消除打火隐患。

   在单向导通装置中选用LEM公司的BLFK1500-S3型电流传感器及AV100-125型电压传感器，相对其它品牌的产品，具有：（1）精度高、响应时间短；（2）电流传感器副边输出为电压信号，后续电路简单；（3）采用对开式结构，维护方便；（4）适应-40 ~ +85℃的工作环境；（5）原副边安全隔离等优点，完全满足地铁行业宽广的温度范围、恶劣的噪声、强烈的冲击、振动这些对传感器产品可靠性的非常高的要求。

   LEM 是全球电量传感器的知名制造者，也是电量传感器领域的领导者。LEM的产品线丰富，测量电流、电压范围宽，对于不同的应用，几乎都可以找到对应的产品。LEM以“为客户提升综合价值，了解和预见客户的需求，满足和超越他们的期望，提供5年质量保证”的价值观和原则，越来越得到客户的依赖。

   LEM的电量传感器大量应用于AC/DC整流、UPS以及新能源领域，如：风能、太阳能和微型涡轮机等节能环保型产品。现今世界能源和自然资源日益短缺，这就要求我们提高能源开发、生产、加工环节的效率、减少浪费，要采用节能、降耗、节水、环保的先进技术设备和产品，改造或淘汰消耗高、污染大的落后生产能力、工艺和产品，促进可再生能源的发展。LEM传感器在单向导通装置中的应用正是为了节约电能、减少浪费，促进能源的再利用。目前我公司已为四个城市地铁线路提供了38台单向导通装置，使用电流传感器228个，电压传感器10个，其运行状态稳定，数据传输可靠，充分体现了LEM传感器技术领先、性能优良、可靠性高的优势。