交通电路处理 10

第十一章道岔电流监测曲线图11.1感应式电流互感器工作原理11.2霍尔传感器工作原理11.3直流道岔电流监测曲线图11.4交流道岔电流曲线解析与应用

11.1感应式电流互感器工作原理

11.1.1电流互感器工作原理电流互感器的工作原理与变压器的工作原理有异曲同工之处，其基本的工作原理就是按“电-磁-电”的转换过程来进行的，在一定程度上可以认为电流互感器是一种特殊的升压变压器。所不同的是，电流互感器是与被测对象的电流电路相串联，不同于电压互感器的并联，即电流互感器接入原线圈中的是电流，且初级(一次侧)线圈数少于次级(二次侧)线圈数。另外，电流互感器二次侧几乎工作在短路状态。

电流互感器的原理图如图11-1所示。其同变压器的工作原理一样，即初级线圈的电流I1在铁芯中产生交变的磁通ϕ，然后交变的磁通通过电磁感应在次级线圈中产生感应电流I2。图11-1电流互感器原理图

11.1.2穿心式电流互感器

穿心式电流互感器本身结构不设一次绕组，载流(负荷电流)导线L1与L2穿过由硅钢片压卷制成的圆形铁芯(或其他形状)，起一次绕组作用。二次绕组直接均匀地缠绕在圆形铁芯上，与仪表、继电器、变送器等电流线圈的二次负荷串联形成闭合回路。其原理如图11-2所示。图11-2穿心式电流互感器原理图

穿心式电流互感器电流的变比根据一次绕组穿过互感器铁芯中的匝数确定，穿心匝数越多，变比就越小；反之，穿心匝数越少，变比就越大。

I1与I2的关系为

I1 = NI2

(11-2)

式中：I1为穿心一匝时一次侧的额定电流；I2为二次侧感生电流；N为穿心匝数。

穿心式电流互感器的接线与普通电流互感器类似，只是一次侧接线需从互感器的P1面穿过，P2面出来，二次侧接线则与普通互感器完全相同。接线方式如图11-3所示。

在测量时，穿心式电流互感器二次侧回路线圈阻抗非常小，因而穿心式电流互感器二次侧回路接近于短路。在实际应用中，为了安全考虑，穿心式电流互感器二次侧S2一般需要接地。图11-3穿心式电流互感器的接线方式图

11.2霍尔传感器工作原理

11.2.1霍尔效应大量的研究揭示，参与导体材料导电过程的不仅有带负电的电子，还有带正电的空穴。固体材料中定向移动的载流子(带负电的电子和带正电的空穴)在外加磁场的作用下，因为受到洛仑兹力的作用而使轨迹发生偏移，分别向导体材料的两侧积累，积累的电荷又会形成垂直于电流方向的电场，最终使载流子受到的洛仑兹力与电场斥力相平衡，从而在导体材料的两侧建立起一个稳定的电势差，即为霍尔电压。这种现象就称霍尔效应。

1.霍尔原理

在磁场B中有一个霍尔半导体片(假设霍尔半导体片中的电粒子带负电)，让一恒定电流I从左向右通过该半导体片(电子移动方向由右至左)，并使电流方向与磁场方向垂直，如图11-4(a)所示。此时电子在洛仑兹力的作用下，就会向半导体的下侧偏移；同理，若霍尔半导体片中的电粒子为空穴(正电)，那么在洛仑兹力的作用下，就向半导体的上侧偏移，如图11-4(b)所示。

由于电粒子被约束在了固体材料中，又分别向两侧聚积，结果使半导体片在上下方向上产生电位差，这就是所谓的霍尔电压。图11-4霍尔效应示意图

2.霍尔电压的大小

图10-5为霍尔元原理结构示意图。设霍尔电压形成的电场为EH，则电流粒子所受的电场力为eEH；粒子所受的洛仑兹力为evB。由上面的讨论可知，当粒子受的电场力与洛仑兹力相等时，霍尔半导体片上下两侧电荷的积累就达到平衡，故有

式中，v是载流子在电流方向上的平均漂移速度。

设霍尔半导体片的宽为h，厚度为d，载流子浓度为n，霍尔电压为UH，则

由式(11-3)和式(11-4)可得图11-5霍尔元原理结构示意图

又由于I = neSv，其中S = hd(S为半导电体片的横截面积)，可得

代入式(11-5)，得图11-6霍尔元电压形成示意图

由霍尔效应的原理可知，霍尔电压的大小取决于霍尔常数，它与半导体材质有关，与所通过的电流及磁场强度成正比(d为半导体材料的厚度，通常是不变的)。

对于一个给定的霍尔元件，当偏置电流I固定时，UH将完全取决于磁场强度B，于是通过霍尔电压值便可知磁场强度；同样，当磁场强度固定时，则由霍尔电压便可得出电流的大小。这就是我们可利用霍尔元件来测量电流大小的原因。

11.2.2开环式霍尔电流传感器

开环式霍尔电流传感器(也称直接式电流传感器)，由磁芯、霍尔元件(也有双霍尔元件)和放大电路构成。磁芯上有一开口气隙，将霍尔元件放置其中，如图11-7所示。当霍尔导体流过电流时，在气隙处产生磁场，由此，霍尔元件就会输出与磁场强度成正比的电压信号，放大电路将该电压信号放大输出(有时也可变换成电流信号输出)。

这类直接将霍尔电压由运放电路进行放大处理后提供给检测仪器或控制设备的传感器，就是所谓的直接检测式霍尔电流传感器。这类传感器耐压等级高，设备简单，成本低，性能稳定，但是其精度受环境变化的影响较大，动态响应很不理想，所以在要求精度高的测量系统中很少使用，而通常采用电流补偿式或平衡式原理构成的霍尔传感器。图11-7开环式霍尔电流传感器结构示意图

11.2.3闭环式霍尔电流传感器

闭环式霍尔电流传感器又称零磁通霍尔电流互感器、零磁通互感器、磁平衡式霍尔电流传感器等。其结构如图11-8所示，由磁芯、霍尔元件、放大电路和次级补偿绕组等组成。与开环式相比，闭环式霍尔电流传感器多了次级补偿绕组，这使得其性能得到了大幅度提升。图11-8开环式霍尔电流传感器结构示意图

这里的放大电路接收霍尔元件的输出电压，将其放大为电流信号后，再由电路将其电流提供给次级补偿绕组，使其在气隙处所形成的磁场与初级电流所产生的磁场大小相等，且方向相反，故而形成了负反馈闭环控制电路。

当次级电流过小，其产生的磁场不足以抵消初级磁场时，放大电路将输出更大的电流；反之，放大电路就减小输出电流，从而维持气隙处的磁场平衡。若初级电流(被测电流)发生变化，气隙处磁场平衡被破坏，负反馈闭环控制电路同样会调节次级输出的电流，使磁场重新达到平衡。

理论上来说，气隙处将一直维持在零磁通状态，保持平衡，这也是零磁通互感器及磁平衡式霍尔电流传感器名称的由来。又由于补偿电流Is的大小总是跟随初级电流Ip的变化而变化，故可以由Is的大小知道Ip的大小，这样利用霍尔电流互感器就可测量电流的大小，特别是直流电流(因为它无法利用普通的电流互感器来完成取样测量)。

总之，闭环式霍尔电流传感器采用了单或双霍尔元件，并工作在零磁通状态，它利用平衡的手段实现对未知电流的测量，所以精度高，应用广泛。其思路就如利用天平测量物质的质量一样。它具有如下特点：

(1)测量范围宽，可测量各种电流，如直流、交流、脉冲电流等。

(2)电气隔离性能好。

(3)测量精度高，线性度好。

(4)抗外界电磁和温度等因素的干扰能力强。

(5)电流上升率大，响应速度快。

(6)过载能力强。

(7)体积小，重量轻，安装简单、方便。

11.2.4霍尔电流传感器在信号监测中的应用

霍尔电流传感器，在许多方面都有应用，这里主要介绍其在信号测量方面的应用。

1.直流道岔电流监测

在信号设备的微机监测系统中对直流电流的监测通常都采用了闭环式霍尔电流传感器。如对ZD6道岔在启动时的电机线圈中的电流监测，就是采用的这种传感器。如图11-9所示为利用霍尔电流传感器采集ZD6电机电流原理图。图11-10是用于ZD6道岔电机的电流传感器实物图。图11-9利用霍尔电流传感器采集ZD6电机电流原理图图11-10用于ZD6道岔电机的电流传感器实物图

2.交流道岔电流采样模块

霍尔电流传感器不仅用于对直流电的采集，也可用于对交流电的采集。目前用于信号微机监测系统中的电流、有功功率传感器也是利用霍尔原理来实现的，用它可对交流道岔电源三相线中的电流进行采集，并能结合电压的大小计算出电机有功功率。图11-11为交流道岔电流/有功功率传感器实物图(其中右边的白色模块为开关量采集模块)。图11-11交流道岔电流/有功功率传感器实物图

3.电流/功率传感器的连接

提速道岔采用的是三相交流电动转辙机，微机监测系统对其电流的监测是分别对电机中A、B、C三相交流电流进行采样，然后用曲线图的方式显示出来。

从道岔控制电路图可知，三相电流是经过断相保护器输出的，其前端直接连接的是交流380 V电源，后端由1DQJ(1DQJF)前接点分送到电机的线圈上，电机三相绕组采用星形连接。微机监测系统选择在断相保护器的输出端来取样电机电流。

交流道岔电流/功率传感器的连接如图11-12所示。三相电流分别穿过三个孔，在传感器次级，每相电流都经过放大、整流、再放大，转换成A、B、C三路0～5 V直流电压，送到道岔采集板进行采样、处理，最后将结果送往站机，最终可通过曲线图的形式显示出来。图11-12交流道岔电流/功率传感器连接图

11.2.5道岔动作时间监测原理

同对直流道岔电机电流的监测一样，只有在道岔转换时才能检测到电流，而且也只有在道岔转换时开始监测才有意义。监测系统为能在道岔整个转换过程中用曲线图表达出电流的变化情况，必须知道道岔转换的起止时间。我们知道，道岔的转换时间是由1DQJ来决定的，即从1DQJ吸起到其落下的期间是道岔的转换时间，所以，监测系统要对1DQJ状态进行实时监测。可以采用开关量采集器对一组1DQJ进行监测。

下面介绍一种利用光电模块对1DQJ状态进行监测的原理，如图11-13所示。图11-13

1DQJ状态监测原理图

11.3直流道岔电流监测曲线图

对道岔电机电流的监测，监测系统最终是用曲线图表达出来的。监测系统通过采集1DQJ的吸起时间(通过开关量监测器监测其接点状态的改变得到)确定出曲线图横坐标的时间参数；通过用电流互感器(霍尔传感器)在1DQJ的线圈上采集出各时段的电机电流值(系统得到的是其数字量，后经过D/A转换)，最终以连续的曲线图形式给出(维护人员可随时从系统中调阅)。

11.3.1单机牵引电流曲线图

如图11-14所示是微机监测系统绘出的某单动道岔的电流曲线图(正常下的标准曲线)。转辙机转换道岔的过程可以分为三个过程：解锁、转换及锁闭。如果从1DQJ动作时间来划分其过程可分为5个阶段：1DQJ及2DQJ转极、解锁、转换、锁闭、1DQJ释放。图11-14

ZD6道岔标准电流曲线图

将相关继电器动作时间也考虑进来分析，可将道岔整个转换过程细分为9个时段，如图11-14中的T1～T10，每个时段的意义如下：

(1) T1～T2为1DQJ后接点离开至2DQJ转极完成的时段(≤0.3 s)。在曲线图上表现为一个很短时间内电流为0的线段。

(2) T2～T3为电机线圈激磁时段，也称电机上电时间(≤0.05 s)。在这个时段，曲线上出现了一个电流突然增大的尖峰，这是因为电机刚接通的瞬间，电机中的转子还没有转动，其中无感生电流，电路中的电阻主要是线圈的电阻，故电流很大。峰顶值通常为6～10 A，若峰值过高，说明电机线圈有匝间短路的情况。

(3) T3～T4为道岔解锁、尖轨释密贴力，同时也使自动开闭器打开(两组速动接点分别接通1、4排静接点)时段。此时电机已经启动完成，转速在升高，所以电流平顺下落。这个过程中动作齿轮锁闭圆弧在动作齿条削尖齿内滑动(动作齿轮转过32.9°)。若在这个过程中曲线有台阶或鼓包，则是因为道岔密贴调整过紧造成解脱困难。

(4) T4～T5为解锁与带动动作杆的过渡时段。在动作齿轮带动齿条块动作时，与动作齿条相连的动作杆在杆件内有5 mm以上空动距离，这时电机的负载很小，故电流继续回落，并过渡到道岔转换过程。

(5) T5～T6为电机拖动尖轨移动的时段。此段时间内电流比较平稳，其谷底值与T4～T5或T6～T7段的平值之差不应大于0.4 A(图中两条横虚线之间的值)。其平均值一般在0.75 A左右。电流大小决定了转换阻力的大小，如果动作电流过大，则表明转换阻力大，说明工务尖轨有转换障碍(如根部阻力大、滑床板缺油、尖轨吊板等)。如果动作曲线波动大，则表明道岔存在电气或机械方面的问题。

(6) T6～T7为尖轨爬轨时段。因其阻力微弱增大，故曲线略有上扬。如果上升值比较高，说明尖轨有落轨的情况。

(7) T7～T8为尖轨密贴至道岔锁闭时段(≤0.25 s)。它是尖轨与基本轨增加密贴力的时段，也是道岔锁闭时段。这时由于尖轨的阻力增加，使得电机的转速稍有下降，所以有曲线尾部略有上翘的现象，但电流不应高于T6～T7时段平均值0.25 A以上。若大于此值表明道岔密贴调整过紧。在道岔进行4 mm试验时，在T8后会出现一串逐渐下滑的波动段，波峰与波谷间的电流之差不应大于0.35 A，若大于此值则为摩擦带不良。

(8) T8～T9为电机断电后释放磁能的时段(≤0.05 s)。也为道岔完成锁闭后，自动开闭器速动接点断开电路的转换时间。

(9) T9～T10为1DQJ缓放时段(≥0.4 s)。此时自动开闭器已经切断了电机电路，电流为0，直到1DQJ经缓放(缓放时间不小于0.4 s)后落下。所以曲线最后有一段电流为0的线段。通过此归0时段的长度，可以观察1DQJ缓放时间是否符合要求。

电流曲线也可看作三个过程(与道岔的转换三个过程对应：解锁、转换及锁闭)，这三个过程是：

(1)解锁阶段：T1～T4，正常时间小于0.6 s。

(2)转换阶段：T4～T7，其时间的长短视转换阻力而变。一般取此时段的平均电流作为道岔的动作电流。

(3)锁闭阶段：T7～T9，正常时间不大于0.3 s。

ZD6一个单动道岔的转换时间大约在3 s左右。

11.3.2多动道岔电流曲线图

双动、三动及四动道岔其动作过程是串接的，当第一动转换完毕后，自动开闭器接点自动切断动作电流，同时接通第二动的电流，以此类推。因此可知多动电流曲线是单动的组合。

如图11-15所示的曲线图是某双动道岔电流曲线图，其中一动为单机牵引的道岔电流曲线图，二动为双机牵引的道岔电流曲线图。图11-15双动道岔电流曲线图

11.3.3利用曲线图分析故障举例

1.因摩擦连接器故障造成的电流曲线变化

如图11-16所示为某双机牵引道岔的第一动道岔电机电流曲线图。图11-16某双机牵引道岔的第一动道岔电机异常电流曲线图

2.因X1与X2短路故障造成的电流曲线变化

如图11-17所示为某双机牵引道岔在由定位向反位转换时的第一动道岔电机电流曲线图。从图中可以看出道岔刚启动后，电流就突然断电归零了。结合观察熔断情况，发现反位DF220的熔断器RD2烧断。依据此现象，可初步断定为X1与X2短路故障。图11-17由定位向反位转换时第一动道岔电机异常电流曲线图

11.4交流道岔电流曲线解析与应用

11.4.1交流道岔标准电流曲线图如图11-18所示是三相交流电机道岔正常动作时的理想电流曲线图(由定位转向反位时)。为表达方便，A相电流用粗实线、B相电流用细实线、C相电流用虚线表示(电流重叠部分用粗实线表示)。图11-18交流道岔电流曲线(定→反)标准图

下面主要以道岔由定位向反位转换时所形成的曲线为例，分别对各部分曲线的意义做一说明。

1.解锁区曲线分析

道岔刚开始向定位启动时，从1DQJ励磁至2DQJ转极完成期间，原表示电路的室外部分是接通的(道岔未动，自动开闭器还处在原位)。因1DQJ与1DQJF先后吸起后，它们的前接点就将动作电源接入了现位置下的电路中，通过整流支路使得A、B相串联起来(当由反位向定位转换时A、C相串联)，所以两者有相同的提前电流曲线，如图11-18中所示开始时的两个重叠曲线。

这时的电流通路如图11-19所示。图11-19交流道岔解锁时(定→反)A、B相电流通路示意图

2.动作区曲线分析

动作区即为转辙机带动尖轨转换的过程。如果道岔在转换过程中所受阻力不变，则动作区曲线平滑，否则就会出现毛尖现象。当阻力达到不能使道岔尖轨移动的程度时，即会出现挤岔，电机空转，电流上升，此时所呈现出的电流值称挤岔电流(但通常不会大于2.7 A)。

信号维护人员通过此曲线的变化情况可分析出道岔在转换过程中是否正常，或设备是否完好等，以便能及时发现道岔存在的问题，达到实现状态维修的目的。

3.解锁区曲线分析

解锁区曲线是指尖轨已转换到位之后，到自动开闭器(或速动开关组)切断启动电路为止这一时间段的电流曲线。从图中可看到三条曲线是基本吻合的，但只有B相电流是直接回零了，而A与C相却没有直接回零，只是延时了一段时间，于是形成了一个台阶曲线，进入到缓放区。