中低速磁浮列車傳感器防浪涌設計及改進*

翟毅濤，吳　峻，曾曉榮,2

(1.國防科技大學 機電工程與自動化學院， 湖南 長沙　410073；

2.中國人民解放軍73685部隊， 江蘇 南京　210000)

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中低速磁浮列車傳感器防浪涌設計及改進*

翟毅濤1，吳峻1，曾曉榮1,2

(1.國防科技大學 機電工程與自動化學院， 湖南 長沙410073；

2.中國人民解放軍73685部隊， 江蘇 南京210000)

摘要：為提高磁浮列車懸浮傳感器的可靠性，分析在雷擊、電源干擾等工況條件下的浪涌產生機理，確定浪涌沖擊試驗的內容，從通流量的角度說明已有防浪涌電路設計的可行性,并指出其在高溫環(huán)境下在可靠性方面存在的不足。分別從降壓和分流的角度進行分析，通過在原有電路中并接大容量電容的方式降低浪涌對敏感器件的沖擊，從而提高傳感器電源的抗浪涌沖擊能力。

關鍵詞：磁浮列車；懸浮傳感器；浪涌；可靠性

中低速磁浮列車是近年來發(fā)展迅速的一項先進的軌道交通工具。與一般輪軌列車不同，磁浮列車采用電磁力支撐車體，采用直線電機牽引列車運行，車體與軌道無接觸。對于磁浮列車來說，穩(wěn)定懸浮是車輛安全、可靠運行的基礎，而懸浮傳感器作為獲取電磁鐵懸浮間隙數(shù)據的列車關鍵設備，其可靠性直接關系到懸浮的穩(wěn)定乃至列車的安全性。由于線路高架及列車自身供電方式的影響，浪涌沖擊成為影響傳感器可靠性的重要因素，其作為一種特殊的電磁干擾，持續(xù)時間長、能量大，往往會造成元件或設備的損毀。因此，提高傳感器的浪涌沖擊抗擾度十分必要。

接地、分流和屏蔽是浪涌防護的基本手段[1]。如避雷針可以通過提供低阻抗路徑將雷電能量泄放至大地，避雷網可以形成“法拉第籠”阻隔閃電的脈沖電磁場從空間入侵的通道。但這些措施一般用于避免建筑物遭受雷擊的影響。對于懸浮傳感器而言，應采用浪涌防護器件將直接雷或感應雷的能量分流。目前常見的浪涌防護器件包括氣體放電管、壓敏電阻、瞬態(tài)電壓抑制器(Transient Voltage Suppressor, TVS)、固體放電管等，各種器件的電流吸收能力、鉗位電壓、響應速度等性能有較大差異[2]?？紤]到傳感器的工作狀況，文獻[3]中采用了壓敏電阻和TVS組合保護的方式，并得到了較為滿意的試驗結果，但卻忽略了傳感器的工況環(huán)境可能導致的隱患。闡述傳感器可能遭受的浪涌產生機理，對原有保護電路在實際高溫環(huán)境下可能存在的可靠性隱患進行分析，提出在原電路前端并接大容量電容的方式降低浪涌對器件的沖擊。分析和試驗結果證明了所采用方案的有效性。

1浪涌的產生機理

磁懸浮列車軌道采取高架方式，整個線路及車輛處于露天環(huán)境中，因此列車不可避免地會受到雷擊等惡劣天氣影響。線路設備遭受雷擊頻度N可表示為[1，4]

N=K·γ·b·h·l×0.001

(1)

其中，K為一年中雷電日數(shù)，b為架空線兩邊引雷寬度系數(shù)，h為架空線高度，l為線路長度。唐山磁懸浮試驗線軌道離地高度在3～10 m，因此，相較于一般輪軌列車，磁懸浮列車更容易受到雷擊影響。一般來說，雷電直接擊中車體的可能性較小。更為普遍的情況是，雷電擊中列車運行線路臨近的大地、高大物體以及云間放電等通過電磁感應在列車線路上產生雷電電涌。磁懸浮列車運行時車體與F形軌道無直接接觸，因此F軌上的感應雷電不會直接作用于車輛懸浮單元及走行單元的器件，但傳感器與F軌的位置十分接近，F(xiàn)軌上的感應雷電仍可能耦合至傳感器造成干擾。此外，車輛由受流軌供電，受流軌感應到的瞬間過電壓會直接對整車的供電產生影響，進而影響傳感器的正常工作。

就列車自身而言，傳感器信號處理電路的電源為330 V強電經DC-DC后的24 V直流供電，電路內部又經過DC-DC轉換為±15 V的間隙傳感器供電和5 V的處理芯片供電。盡管理論上330 V強電與傳感器所用24 V相隔離，但330 V強電同時供給電磁鐵，盡管電磁鐵斬波器自身頻率并不高，但其開關動作仍可能產生高的di/dt和dv/dt形成干擾源[5]，通過先輻射再傳導的方式將浪涌干擾耦合至傳感器所在線路。雖然傳感器電源在設計時具有一定的電壓容限，但浪涌過高電壓和能量仍可能造成傳感器電源波動過大甚至損壞，導致傳感器的失效。

2傳感器的浪涌抗擾度等級

根據2008年修訂的《GBT17626.5浪涌(沖擊)抗擾度試驗》附錄中對信號發(fā)生器和試驗等級的選擇的說明[6]，結合磁浮列車的實際工況，認為傳感器的安裝類別為3類，即“電源電纜和信號電纜平行敷設的電氣環(huán)境”。傳感器電源為24 V直流供電，沒有單獨的地線(Protecting Earthing, PE)，因此對電源線進行幅值為1.0 kV的差模浪涌試驗。浪涌試驗信號發(fā)生器選擇為1.2/50 μs(8/20 μs)組合波信號發(fā)生器。試驗配置如圖1所示。

圖1　傳感器浪涌試驗配置圖Fig.1　Configure of the surge test for the sensor

對于信號線而言，標準“不建議對實際長度短于10 m的數(shù)據電纜進行試驗”，而且由于信號線為平衡驅動差分接收的485傳輸方式，且采用屏蔽雙絞線，信號通道自身的抗干擾能力較強，因此在浪涌抗擾度設計中不作專門的考慮。

3浪涌抑制方案及其可行性分析

對傳感器電源線上的浪涌抑制初步采用文獻[3]中所述方案。在該方案中，采用兩級防護，第一級采用MYG20G10K470型壓敏電阻作粗保護，第二級采用SMDJ30CA型TVS作精細保護，兩級之間用電感退耦，保證壓敏電阻比TVS先動作，以使組合保護電路發(fā)揮各器件的優(yōu)點，提高抗浪涌沖擊能力。

對浪涌沖擊的抑制主要是采用瞬變干擾吸收器件對過電壓進行鉗位吸收，通過使浪涌能量回流或泄放至大地，因此，浪涌保護器件的通流能力是一個重要指標。對于1.2/50 μs浪涌發(fā)生器，其內阻為2 Ω，因此對應于1 kV的浪涌峰值電壓，最大浪涌電流為500 A。MYG20G10K470型壓敏電阻的最大通流容量為1000 A，滿足前級保護元件的通流容量應大于最大浪涌電流的一般規(guī)則。SMDJ30CA型TVS的鉗位電壓為48.4 V，峰值功率為3000 W。當TVS工作于峰值功率狀態(tài)時，流經TVS的電流大小約為78.1 A。壓敏電阻與TVS并聯(lián)且先后分流，從而起到保護作用。試驗中所觀測到的電流峰值Ip約為429 A，因此，就通流量而言，所選器件滿足浪涌抑制的要求。

然而僅僅考慮實驗室的情況還遠遠不能滿足傳感器作為一個產品對抗浪涌沖擊干擾的要求。作為新型交通工具上十分重要的部件，必須考慮其在工作環(huán)境下的表現(xiàn)。上述方案還存在以下隱患：

第一，傳感器所在位置十分靠近電磁鐵，由于電磁鐵熱量的輻射和傳導，傳感器所處的溫度環(huán)境十分惡劣，唐山中低速磁懸浮試驗線現(xiàn)場實測到的傳感器表面溫度甚至可達80℃，而電路板所在的傳感器內部由于密封的緣故可能溫度更高。高溫情況下保護器件的性能會有所下降，必須降額使用。

第二，壓敏電阻在暫態(tài)過程中吸收脈沖能量過大時，會造成熱量的積累，最終導致熱擊穿，從而造成壓敏電阻短路；當外部施加的瞬態(tài)電場強度過高或外部絕緣水平較差時，在強電場作用下，沿元件側表會發(fā)生放電；當壓敏電阻承受多次浪涌沖擊時會出現(xiàn)劣化現(xiàn)象，其通流能力下降顯著[7-8]。較高的環(huán)境溫度也將使上述熱致失效的狀況加劇。

第三，擊穿電壓較低的TVS在高溫反偏條件下易發(fā)生表面漏電流較大的現(xiàn)象，熱電綜合效應將最終導致TVS表面短路[9]。當前一級壓敏電阻的保護能力降低或失效時，TVS將承受原設計之外的更大能量，導致過電應力損傷甚至燒毀[10]。

由于傳感器殼體內部空間十分有限，如采用更大通流能力的器件會占用過多的體積，器件過高過重還會增加振動應力，導致引線斷裂、焊盤脫落等情況。因此，必須尋找更適合的解決方案。

4磁浮列車傳感器浪涌對策的改進

基于以上考慮，須對原設計方案加以改進。在原保護電路最前端并接耐壓100 V的220 μF電解電容可以解決這一問題，這是因為：

第一，浪涌電壓方面，從頻率響應的角度來看，不考慮后級電路時，對浪涌發(fā)生器有效輸出阻抗R、耦合電容C與大容量電容C1串聯(lián)這一回路，在電容C1上所分得的電壓應為：

(2)

其中，Up根據試驗的等級確定，而ФC1(s)為與電容C1有關的頻率的函數(shù)。當C1=220 μF時，ФC1(s)的幅值-頻率譜如圖2所示。

圖2　ФC1(s)的幅值-頻率譜Fig.2　Bode diagram of ФC1(s)

由文獻[11]的分析可知，對于1.2/50 μs浪涌電壓波形來說，頻譜的拐點頻率約為2.3 kHz，在低于2.3 kHz的頻率范圍內包含了浪涌的絕大部分能量。而計算可得ФC1(s)拐點的頻率約為4.7 kHz，增益至少為-22.4 dB，因此并接220 μF大電容可以使浪涌電壓幅值衰減至少-22.4 dB。

對電容上的浪涌殘壓進行仿真。根據國際電工技術委員會(International Electrotechnical Commission, IEC)標準，對于1.2/50 μs浪涌電壓波形可描述為：

(3)

其中：k為補償系數(shù)，取1.037；τ1為波前系數(shù)，取0.404 7 μs，τ2為波長系數(shù)，取68.22 μs；Up為開路浪涌電壓峰值，根據實驗的等級確定。

以標準規(guī)定的+1000 V浪涌波形作為輸入，仿真得到電容C1兩端的電壓波形如圖3所示，可以看到浪涌殘壓已經降至40 V左右。

圖3　仿真得到的浪涌殘壓波形Fig.3　Residual voltage of surge in simulation

第二，浪涌電流方面，由于大電容相對于高頻信號的阻抗十分小，當其與壓敏電阻、TVS等并聯(lián)時可以分擔很大一部分電流，從而大大減小了壓敏電阻和TVS所承受的沖擊。

對流經C1的電流進行仿真。同樣，考慮IEC標準規(guī)定的8/20 μs浪涌電流波形：

(4)

其中，補償系數(shù)k取值為0.012 43，波前系數(shù)τ3取值3.911 μs。Ip為短路浪涌電流峰值，根據試驗等級取幅值為500 A。

根據之前未并聯(lián)大電容時的試驗情況，可以估算出承受浪涌時壓敏電阻和TVS的等效電阻約為0.33 Ω。當并聯(lián)220 μF電容后，仿真得到流經電容支路的電流如圖4所示。由圖可見，近200 A的電流流經了C1支路，從而緩解了其他保護器件受到的沖擊。

圖4　仿真中C1支路的浪涌電流Fig.4　Current in C1 branch in simulation

從能量角度來看，電容本身可以存儲能量，浪涌到來時電容會有一個充放電的過程，所能存儲的能量大小與電容容值成正比，與施加在電容兩端的電壓大小的二次方成正比。因此，大電容可以暫時存儲很大一部分浪涌能量，之后緩慢釋放，從而保護后級電路。

考慮到電容可能被擊穿，在電容所在支路串聯(lián)貼片式微型保險絲，保險絲的熔斷電流小于傳感器的最大供電電流。當電容受浪涌影響被擊穿時，所在支路相當于短路，保險絲在秒級時間內即可熔斷，避免由于電容短路造成傳感器供電電源的損毀。

5試驗結果

湖南省計量院電磁兼容實驗室對傳感器的浪涌試驗進行了驗證。試驗中觀測到浪涌殘壓波形如圖5所示。

圖5　+1000 V浪涌殘壓波形Fig.5　Residual voltage of +1000 V surge

由圖5可以看出經過浪涌殘壓出現(xiàn)明顯的減幅振蕩的趨勢，電壓峰值在45 V左右，略高于仿真得到的電壓峰值，而檢測到該支路的電流峰值大小約179 A，略小于仿真結果。這是由于大電容所在支路串聯(lián)的微型保險絲增加了該支路的電阻所致。試驗結果說明了大電容的降壓和分流確實能夠減小浪涌對壓敏電阻和TVS的沖擊，從而使保護電路的整體抗浪涌沖擊能力得到了提高。

6結論

中低速磁浮列車作為一種交通工具，安全可靠是需要優(yōu)先考慮的要素。分析雷擊、電源干擾等工況下傳感器的浪涌沖擊產生機理，根據國家標準確定傳感器的浪涌試驗的實施方式。對原有的傳感器電源端口的浪涌保護設計從通流能力角度分析其可行性，同時指出在實際工況下由于環(huán)境溫度的影響可能存在器件可靠性降低的隱患。在原保護電路基礎上并接大容量電容，從降低浪涌殘壓和分流的角度分析大電容對浪涌的緩沖作用。仿真和試驗驗證了改進后的浪涌保護措施可以大大減小浪涌沖擊對原有保護器件的沖擊，從而提高傳感器電源的抗浪涌沖擊能力，使傳感器更加適應磁浮環(huán)境下的工程需求。

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Design and amelioration to prevent surge in sensors of the middle-low velocity maglev train

ZHAIYitao1,WUJun1,ZENGXiaorong1,2

(1.College of Mechatronics Engineering and Automation, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China;2.The PLA Unit 73685, Nanjing 210000, China)

Abstract：In order to improve the reliability of the levitation sensor in maglev train, the mechanism of the surge under the circumstances of thunder strike and power supply interference were analyzed, and the details of the surge experiment were confirmed. In view of current flow capacity, feasibility of the existing circuit design to suppress surge was explained, and the insufficiency of the reliability at high temperature was pointed out. From the analysis in the aspects of voltage reducing and current shunting, the impact of the surge to the sensitive components is reduced by a large-capacity capacitance shunted in front of the original circuit, and the capability of the sensor power to suppress surge is promoted.

Key words：maglev train; levitation sensor; surge; reliability

中圖分類號：TP212

文獻標志碼：A

文章編號：1001-2486(2016)01-181-04

作者簡介：翟毅濤(1985—)，男，陜西西安人，博士研究生，E-mail：zyt_maglev@163.com；吳峻(通信作者)，男，研究員，博士，碩士生導師，E-mail： wujun@maglev.cn

基金項目：國家科技支撐計劃資助項目(2012BAG07B01)

*收稿日期：2015-11-09

doi:10.11887/j.cn.201601029

http://journal.nudt.edu.cn