一種氣動(dòng)供能的電力機(jī)車用電子式電壓互感器*

徐 雁，孫 文，馬 坦

（華中科技大學(xué)　電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430074）

一種氣動(dòng)供能的電力機(jī)車用電子式電壓互感器*

徐 雁，孫 文，馬 坦

（華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，湖北武漢430074）

當(dāng)前電力機(jī)車常用的電磁式電壓互感器具有動(dòng)態(tài)范圍小、易發(fā)生鐵磁諧振和輸出不能短路等缺點(diǎn)，且在機(jī)車過電分相的過程中易產(chǎn)生過電壓。針對(duì)這一情況，提出了一種新的檢測(cè)方案，該方案使用電容分壓、光纖傳遞信號(hào)。在高壓電路供能方面，首次提出了一種氣動(dòng)供能方式，且具有安全可靠、電氣隔離等突出優(yōu)點(diǎn)。研究表明容性電容互感器可有效抑制過電分相時(shí)的過電壓，大大提高絕緣可靠性；結(jié)合光纖傳遞信號(hào)，氣動(dòng)供能實(shí)現(xiàn)了完全的電隔離。相較于傳統(tǒng)互感器，該設(shè)計(jì)在絕緣、體積、準(zhǔn)確度、安全性方面均有明顯優(yōu)勢(shì)。模型樣機(jī)測(cè)試顯示，該設(shè)計(jì)性能優(yōu)良，可滿足電力機(jī)車需求。

電壓互感器；光纖；電容；機(jī)車；氣動(dòng)供能

我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展對(duì)鐵路運(yùn)輸提出了越來越高的要求。電力機(jī)車同內(nèi)燃機(jī)車、燃?xì)廨啓C(jī)車相比具有功率大、速度快、效率高、環(huán)保等突出優(yōu)點(diǎn)，因此電氣化鐵路在提高鐵路運(yùn)輸能力的同時(shí)能夠顯著降低運(yùn)營(yíng)成本、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、提高能源效率、降低碳排放。近年來，隨著高速鐵路的快速發(fā)展，我國(guó)的鐵路電氣化迎來了新一波發(fā)展高潮。目前無(wú)論是從現(xiàn)有條件還是政策上看，鐵路電氣化已是我國(guó)鐵路事業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)［1］。

然而新的技術(shù)帶來新的問題，由于行車密度和電力機(jī)車速度的提高，高速列車的運(yùn)行對(duì)設(shè)備可靠性、人員素質(zhì)、管理等諸多方面提出了更高的要求［2］。高壓電壓互感器是電力機(jī)車上重要的高壓設(shè)備，電力機(jī)車時(shí)速提高的同時(shí)，高壓電壓互感器的運(yùn)行環(huán)境發(fā)生了重大改變，更加頻繁的絕緣故障嚴(yán)重影響了電力機(jī)車的安全運(yùn)行，同時(shí)我國(guó)電力機(jī)車保有量龐大。

因此探討傳統(tǒng)電磁式高壓互感器故障原因，提出新的電壓測(cè)量方法解決絕緣問題具有實(shí)用價(jià)值和理論意義。

1　過電分相時(shí)不同負(fù)載對(duì)過電壓的影響

過電分相一直困擾著高速鐵路的牽引供電系統(tǒng)［3-4］，統(tǒng)計(jì)表明，牽引網(wǎng)中的跳閘事故大部分與電力機(jī)車過電分相有關(guān)，而不同類型的電壓互感器會(huì)對(duì)電力機(jī)車過電分相的暫態(tài)過程造成不同的影響，從而引起過電壓現(xiàn)象。

機(jī)車運(yùn)行中可能出現(xiàn)過電壓已被關(guān)注［5-6］，過電分相頻繁發(fā)生絕緣事故則是研究的熱點(diǎn)，理論研究和實(shí)際運(yùn)行及測(cè)試顯示：過電分相暫態(tài)過程中出現(xiàn)的過電壓和并聯(lián)諧振是事故的根源［7-9］。消除絕緣故障的關(guān)鍵是要找準(zhǔn)其產(chǎn)生原因，并提出可靠且可行的解決方法。

1.1機(jī)車過電分相暫態(tài)過程分析

電力機(jī)車斷電之后進(jìn)入關(guān)節(jié)式電分相之前的簡(jiǎn)化電路模型如圖1所示［10］。

圖1　過電分相等效電路

圖1中，移動(dòng)負(fù)載為電壓互感器；SA，SB和SC模擬受電弓與牽引網(wǎng)的分合；CA B，CB A，C0為中性線分布電容；UA，RA，LA，CA為供電臂A等效參數(shù)；UB，RB，LB，CB為供電臂B等效參數(shù)。SA，SC，SB依次閉合斷開來模擬機(jī)車過電分相。參數(shù)設(shè)置：C0=4.02 nF，CA B=CB A= 14.85 nF，CA=CB=2.8μF，LA=LB=26.1 m H，RA= RB=2.7 Ω，負(fù)載CL=0.25 nF，LL=9.9×104H在過電分相之前，受電弓與供電臂A相接觸由供電臂A供電，之后機(jī)車駛向無(wú)電區(qū)，SC閉合。駛過一段距離之后SA斷開，接近供電臂B后，SB閉合，SC斷開，過電分相完成。移動(dòng)負(fù)載中，R、L、C取不同值代表不同類型的電壓互感器。

下面對(duì)電磁感應(yīng)原理（忽略C）和電容分壓原理（忽略L）測(cè)量高電壓的暫態(tài)過程進(jìn)行仿真，觀察其過電壓和諧振情況。根據(jù)高鐵典型線路參數(shù)和已有牽引網(wǎng)電路網(wǎng)絡(luò)模型，模擬機(jī)車過電分相。設(shè)機(jī)車速度為200 km/h，額定供電電壓為25 k V，電磁式和電容式測(cè)量均采用典型互感器參數(shù)值，分別模擬兩種情況。

（1）SC在0.015 s閉合，SA在0.815 s（UA過零點(diǎn)）時(shí)打開，SB在3.315 s（UB相位71.3°）閉合，即模擬受電弓在A相電壓過零點(diǎn)斷電時(shí)的有利過程。

電壓在互感器工作范圍內(nèi)，電磁式和電容式正常運(yùn)行無(wú)飽和，受電弓在供電電壓A的負(fù)向過零點(diǎn)處失電，滑行2.5 s后再接通B相。根據(jù)實(shí)際工況，仿真模擬電壓互感器所承受的電壓，結(jié)果如圖2、圖3。電磁式過電壓最大峰值為61.5 k V未超工作限制，整個(gè)過程中工作頻率沒有變化，無(wú)諧振。電容式最大峰值為25 k V，頻率沒有變化，無(wú)諧振。

圖2　電磁互感器電壓波形（過零斷電未飽和）

圖3　電容互感器電壓波形（過零斷電未飽和）

（2）SC在0.02 s閉合，SA在0.82 s（UA正峰值處）時(shí)打開，SB在3.32 s（UB相位150°）閉合即模擬受電弓峰值斷電的最不利過程。

在上述設(shè)定條件下，機(jī)車過電分相過程中與B相合閘時(shí)，電磁互感器鐵芯飽和，過電壓超出互感器耐受范圍，仿真結(jié)果如圖4。過電壓最大峰值達(dá)90 k V，暫態(tài)過程中工作頻率變化，有高頻諧振。電容互感器過電壓最大峰值為50 k V，頻率無(wú)變化，無(wú)諧振現(xiàn)象。

圖4　電磁互感器電壓波形（峰值斷電鐵芯飽和）

圖5　電容互感器電壓波形（峰值斷電）

由仿真分析可知：（1）在有利條件下過分相，采用電容互感器較電磁互感器過電壓??；最不利條件下，電容互感器過電壓仍小于電磁互感器，其過電壓最大峰值為工作電壓峰值與中性線殘余電壓之和，低于互感器耐壓限值。（2）電磁互感器過電壓時(shí)鐵芯飽和，極易引發(fā)高頻諧振；電容互感器則無(wú)諧振。（3）電容式較電磁式電壓互感器更適合用于牽引網(wǎng)，有利于降低過電壓，避免絕緣事故。

2　電容分壓器原理及結(jié)構(gòu)

分析可知，容性互感器可以大幅降低過電壓的幅度，避免絕緣事故，較電磁式互感器更適合電力機(jī)車使用。基于以上考慮，本方案采用了如圖6所示結(jié)構(gòu)，采用電容分壓，二次負(fù)載可等效為一個(gè)非感性阻抗。由于不含感抗，不會(huì)發(fā)生鐵磁諧振，同時(shí)采用無(wú)油結(jié)構(gòu)，互感器的體積也將大幅減小，有利于電力機(jī)車的高速運(yùn)行和減小互感器振動(dòng)。

圖6　電壓互感器原理圖

在圖6中，當(dāng)R（C+CE）＜ω（ω為ui的角頻率）時(shí)：

分壓器輸出的電壓信號(hào)是與高電壓信號(hào)成比例的微分信號(hào)。在電容器結(jié)構(gòu)上，本方案采用了一種同軸結(jié)構(gòu)，如圖7。易知變比K為：

式（2）中ε0為真空絕對(duì)介電常數(shù)；εr為相對(duì)介電常數(shù)；ω為角頻率；R為并聯(lián)電阻；r1為金屬電極半徑；r2為分壓金屬圓筒內(nèi)徑；l為同軸電容長(zhǎng)度。

可見，通過測(cè)量u1并經(jīng)過積分變換可以獲知牽引網(wǎng)的高電壓。

圖7　電容分壓器結(jié)構(gòu)圖

圖7中，高壓金屬電極和分壓金屬圓筒組成高壓電容C，接地金屬圓筒和分壓金屬圓筒組成低壓電容CE。引線從圓筒底部引出，外面套有金屬底座起到屏蔽作用。接地金屬筒套外有絕緣套管，內(nèi)部采用環(huán)氧樹脂填充。在這種結(jié)構(gòu)中，接地金屬圓筒起到了屏蔽作用，有效避免了寄生電容的影響，同時(shí)對(duì)電磁干擾起到很好的屏蔽作用，穩(wěn)定性良好［11］。

3　氣動(dòng)供能設(shè)計(jì)

3.1氣動(dòng)供能原理

電容分壓器帶負(fù)載的能力較弱，從圖6中可以看出當(dāng)負(fù)載ZL?R時(shí)才能保證輸出電壓的穩(wěn)定和精度，因此必須使用電子電路采集電壓信號(hào)并進(jìn)行積分等處理，此時(shí)則涉及到電子電路供能問題。該問題是整個(gè)互感器可靠穩(wěn)定工作的關(guān)鍵，也是大多數(shù)電子式互感器設(shè)計(jì)所面臨的技術(shù)難題。電力系統(tǒng)中常見供電方式有感應(yīng)取能、太陽(yáng)能、電容分壓、電池、激光等方式.這些供電方式有不穩(wěn)定、可靠性差或價(jià)格高昂等問題，也不適用于牽引網(wǎng)。

圖8　氣動(dòng)供能原理圖

滿足本設(shè)計(jì)要求的供能方式應(yīng)具有以下基本特征：可以連續(xù)穩(wěn)定工作、可靠性高、實(shí)現(xiàn)一、二次側(cè)電隔離、免維護(hù)，同時(shí)又具有需求功率小等特點(diǎn)?；陔娏C(jī)車運(yùn)行條件，首次提出并設(shè)計(jì)了一種微型氣動(dòng)供能系統(tǒng)，原理如圖8所示。利用機(jī)車自帶的風(fēng)源系統(tǒng)提供的壓縮氣體帶動(dòng)車頂氣動(dòng)發(fā)電機(jī)，氣動(dòng)發(fā)電機(jī)（氣動(dòng)馬達(dá)和直流發(fā)電機(jī)組成）將壓縮氣體的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能供車頂靠近高壓側(cè)的測(cè)量電路使用。這個(gè)過程中能量由氣體管道傳遞，不存在電氣聯(lián)系，且壓縮氣體可以直接從受電弓附近的控制管路獲取，安裝方便。

3.2氣動(dòng)馬達(dá)選擇

在氣壓傳動(dòng)領(lǐng)域，將壓縮空氣壓力轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，目前應(yīng)用最廣泛的是氣動(dòng)馬達(dá)也叫風(fēng)動(dòng)馬達(dá)。氣動(dòng)馬達(dá)的結(jié)構(gòu)主要有齒輪式、活塞式、葉片式、膜片式、透平式等幾種結(jié)構(gòu)，目前市場(chǎng)上常見的氣動(dòng)馬達(dá)主要有葉片式和活塞式兩種。出于容易維修和便于采購(gòu)成品等因素考慮，只考慮常見的兩種結(jié)構(gòu)：活塞式和葉片式?；钊綒鈩?dòng)馬達(dá)具有很多突出的優(yōu)點(diǎn)：氣密性好、效率高、輸出扭矩大、調(diào)整扭矩方便。然而活塞式氣動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)速低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難、外形尺寸大且維修不便、價(jià)格過高。葉片式氣動(dòng)馬達(dá)具有功率密度高、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、出力均勻、轉(zhuǎn)速高和便于維修等特點(diǎn)，最適合本方案。其結(jié)構(gòu)如圖9和圖10，其由定子、轉(zhuǎn)子、葉片3部分組成。轉(zhuǎn)子和定子偏心安裝，偏心距為e。定子上有進(jìn)氣和出氣孔，轉(zhuǎn)子上銑有徑向長(zhǎng)槽，葉片可以在槽上滑動(dòng)。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，依靠離心力將葉片壓在定子內(nèi)表面形成單獨(dú)的密閉腔體。壓縮氣體由A孔進(jìn)入，空氣壓力作用在兩側(cè)葉片上，由于定子、轉(zhuǎn)子是偏心安裝，兩側(cè)葉片存在壓力差推動(dòng)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，廢氣通過C孔進(jìn)行一次排出，殘余氣體通過B孔再次排出。

圖9　葉片式氣動(dòng)馬達(dá)原理圖

圖10　氣動(dòng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)部分結(jié)構(gòu)圖

3.3葉片式氣動(dòng)馬達(dá)和直流發(fā)電機(jī)的選型

選擇氣動(dòng)馬達(dá)取決于3個(gè)因素：功率、轉(zhuǎn)速、工作壓力。在本方案中，功率由電路板的功耗決定，為了獲得足夠的裕度，選擇額定功率為5 W左右的微型葉片式氣動(dòng)馬達(dá)和直流發(fā)電機(jī)。工作壓力由機(jī)車空氣管路系統(tǒng)工作壓力決定，以目前的資料來看，普遍在0.6 M Pa，這也是常用氣動(dòng)工具的使用壓力。最后匹配直流發(fā)電機(jī)和氣動(dòng)馬達(dá)的轉(zhuǎn)速即可。圖11為氣動(dòng)馬達(dá)的實(shí)物圖。

圖11　葉片式氣動(dòng)馬達(dá)實(shí)物圖

該供電方法利用電力機(jī)車本身的風(fēng)源系統(tǒng)提供能量，安裝方便、穩(wěn)定可靠，完全不受振動(dòng)、溫度、電磁干擾等影響，可在惡劣環(huán)境下工作。同時(shí)該方法與外界無(wú)電氣聯(lián)系，完全由氣體壓力供能，絕緣性能良好。

氣動(dòng)馬達(dá)和直流發(fā)電機(jī)經(jīng)過了長(zhǎng)期的發(fā)展，都有了比較高的可靠性與穩(wěn)定性。另外本方案所需電源功率非常小，氣動(dòng)供能系統(tǒng)負(fù)載較低，進(jìn)一步保證了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。

4　總體設(shè)計(jì)方案及技術(shù)要求

根據(jù)T B/T 3038-2002《電氣化鐵道50 k V、25 k V電壓互感器》和G B/T 1402-2010《軌道交通牽引供電系統(tǒng)電壓》規(guī)定，其絕緣水平和耐壓水平分別如表1，表2［12-13］。

表1　電壓互感器絕緣水平　kV

表2　測(cè)量級(jí)電壓互感器精度表（0.8～1.2UN）

由第一節(jié)的仿真可知電容分壓式電壓互感器，即使在最不利條件下過電分相，其過電壓也遠(yuǎn)低于電壓互感器的絕緣耐壓水平，可大大降低機(jī)車過電分相的絕緣故障，本設(shè)計(jì)選用的是電容分壓方案。

電力機(jī)車用電子式電壓互感器的基本設(shè)計(jì)思想在于利用電容分壓降低電力機(jī)車過電分相中出現(xiàn)的過電壓，采用光纖傳遞數(shù)字信號(hào)，氣動(dòng)供能提供信號(hào)處理模塊所需能量，使一、二次側(cè)完全電隔離。其結(jié)構(gòu)如圖12所示。電容分壓器將高電壓轉(zhuǎn)化為低電壓信號(hào)，送入信號(hào)采集模塊進(jìn)行處理。在信號(hào)采集模塊中將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再經(jīng)過電光轉(zhuǎn)換通過光纖傳遞給車廂內(nèi)的信號(hào)處理模塊。光信號(hào)在信號(hào)處理模塊中還原成數(shù)字信號(hào)，交由控制單元中的單片機(jī)處理，用于顯示有效值，同時(shí)向控制保護(hù)及計(jì)量設(shè)備提供模擬信號(hào)量和實(shí)時(shí)數(shù)字信號(hào)采樣序列。信號(hào)采集模塊是微功耗模塊，其能量由電力機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)的管道壓縮空氣提供。

圖12　氣動(dòng)供能電子式電壓互感器結(jié)構(gòu)圖

5　系統(tǒng)性能測(cè)試

在模型樣機(jī)的研制過程中，為了驗(yàn)證互感器的性能和功能進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)測(cè)試。限于試驗(yàn)室條件，重點(diǎn)對(duì)供電電源、電路板性能、整機(jī)性能3方面進(jìn)行了測(cè)試。

5.1采集板功耗測(cè)試

測(cè)試目的是了解信號(hào)采集板的實(shí)際功耗，配合氣動(dòng)供能方案。試驗(yàn)器材：+12 V直流電源、數(shù)字電流表、信號(hào)采集板。

+12 V直流電源給信號(hào)采集板供電，用數(shù)字電流表測(cè)量電源電流大小。試驗(yàn)結(jié)果為6.8 m A，功耗約為80 m W。

5.2氣動(dòng)供能性能測(cè)試

本測(cè)試是為了驗(yàn)證氣動(dòng)供能系統(tǒng)供電電壓的穩(wěn)定性及供能大小。接線原理圖如圖13。在試驗(yàn)中，由于條件限制使用氧氣瓶提供壓縮氧氣模擬機(jī)車風(fēng)源系統(tǒng)，通過壓力閥調(diào)整管道壓力到0.6 M Pa，直流發(fā)電機(jī)模擬負(fù)載為1 k Ω電阻。

圖13　氣動(dòng)供能性能測(cè)試接線圖

室溫條件下測(cè)試了氣動(dòng)供能的性能，觀察直流發(fā)電機(jī)的輸出電壓基本穩(wěn)定在13.2 V，電流約為13.2 m A，可輸出功率約為170 m W，滿足一次電路供能要求。

5.3準(zhǔn)確度測(cè)試

本測(cè)試目的是確定原型機(jī)的電壓比例誤差和相位誤差。

電容分壓器、信號(hào)采集模塊、氣動(dòng)供能部分、信號(hào)處理模塊、傳輸光纖等組成整個(gè)機(jī)車電壓互感器。按圖14接線，在試驗(yàn)室室溫條件下進(jìn)行了高壓誤差檢驗(yàn)，結(jié)果如圖15，其中UN=25 k V。

圖14　整機(jī)接線圖

圖15　整機(jī)誤差曲線

從測(cè)試結(jié)果看，室溫時(shí)本系統(tǒng)在0.4～1.2倍額定電壓下，電壓誤差優(yōu)于2‰，相位誤差小于±2′。

6　結(jié)束語(yǔ)

高速鐵路的快速發(fā)展給機(jī)車用電壓互感器提出了更高的要求，本文結(jié)合電容分壓器和氣動(dòng)供能提出了一種新的機(jī)車用電壓互感器，完成了理論分析、系統(tǒng)設(shè)計(jì)和相關(guān)試驗(yàn)，且氣動(dòng)供能為解決電子式互感器供能難題提供了新的思路。

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Electronic Voltage Transformer Powered with Pneu matic Energy Used on Electric Locomotives

X U Yan，S U N W en，M A T an
（School of Electrical&Electronic Engineering，H uazhong U niversity of Science and Technology，W uhan 430074 H ubei，China）

The traditional transformer used on electric Loco m otives has the major defects that small dynamic range，ferro-resonance and output circuit can＇t be shorted，and it will cause overvoltage w hile the loco m otives passing the articulated phase insulator.To solve this problem，a new design is presented in the paper.The applicant puts forward a new type of capacitor divider and uses optical fiber to transmit digital signals.In terms of power supply for circuit worked in high voltage environ ment，a pneu matic power system is firstly put forward w hich has the outstanding advantages such as safety，reliability and electricalisolation.Research shows that capacitor divider could greatly reduce the overvoltage and im prove the insulation reliability and with opticalfiber and pneu matic power system makes full electricalisolation.The new design shows excellentinsulation，small size，high measurement accuracy and satisfactory safety.The experiment proved that the new design had excellent properties and satisfied the requirement of electric loco m otive.

voltage transformer；optical fiber；capacitor；electric loco m otives；pneu matic power

U224.2+4

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.05.06

1008-7842（2015）05-0028-05

*強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室提供開放基金項(xiàng)目（2013 K F001）

徐雁（1963—）女，副教授（2015-03-17）