對扼流變壓器阻抗測試方法的探討

呂大梅

(固安北信鐵路信號有限公司，河北廊坊 065500)

1 概述

25 Hz 相敏軌道電路是我國鐵路電氣化區(qū)段的主要制式，扼流變壓器作為軌道電路的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于軌道電路的發(fā)送端和接收端、或需要連通牽引電流的處所，起到導(dǎo)通和平衡牽引電流的作用。由于扼流變壓器的重要性，對它的電氣性能測試的準確度就顯得尤為重要。

25 Hz 相敏軌道電路用扼流變壓器主要分為BE系列扼流變壓器和BES 系列扼流變壓器，對于它們的阻抗測試方法，本文提出平衡電壓法測試和不平衡電壓法測試，對BE 系列扼流變壓器和BES 系列扼流變壓器分別進行理論計算和分析對比。盡管造成的偏差存在一定局限性，但也足以引起關(guān)注和重視。

2 測試方法介紹

1）平衡電壓法

對于BE 型和BES 型扼流變壓器，阻抗的測試電路為同一測試電路，如圖1 所示，此測試電路引用國家鐵路局發(fā)布的標準鐵路信號用變壓器 第七部分：BE 系列扼流變壓器（TB/T1869.7-2016 ）中5.5.1試驗電路 圖7 牽引線圈未經(jīng)磁化阻抗試驗電路。

圖1 牽引線圈未經(jīng)磁化阻抗試驗電路Fig.1 Impedance test circuits with unmagnetized traction coil

在圖1 所示測試電路中，R為變阻器，BE 為被測扼流變壓器。所謂平衡電壓法，即當(dāng)扼流變壓器按給定的測試條件通電時，需使R變阻器和BE 扼流變壓器上所分得的電壓盡量接近或相等，對于扼流變壓器阻抗值來說，即使R變阻器的阻值盡量接近扼流變壓器的阻抗值。

2）不平衡電壓法

通過平衡電壓法的介紹，不平衡電壓法即可理解為，當(dāng)扼流變壓器按給定的測試條件通電時，無需使R變阻器和BE 扼流變壓器上所分得的電壓盡量接近或相等，即無需使R變阻器的阻值盡量接近扼流變壓器的阻抗值。但平衡電壓法是絕對的，而不平衡電壓法是相對的，R變阻器的阻值是不確定的，而在此涉及的測試，選定R變阻器與BE 扼流變壓器的比值為1：10，并通過分析，可以確定此設(shè)定值為最佳測試狀態(tài)。

3 測試方法應(yīng)用分析

為使分析對比更加直觀明確，下面按BES 系列扼流變壓器和BE 系列扼流變壓器進行分類，分別對其應(yīng)用平衡電壓法和不平衡電壓法進行對比分析。

3.1 BES系列扼流變壓器應(yīng)用平衡電壓法和不平衡電壓法對比

對于BES 型扼流變壓器，其阻抗值為0.218 Ω（±5%），根據(jù)平衡電壓法和不平衡電壓法的設(shè)定要求，變阻器R在不同測試方法的設(shè)定值如下：

平衡電壓法R=0.2 Ω，為了方便計算，變阻器R阻值接近于扼流變壓器阻抗值。

不平衡電壓法R=2.0 Ω，變阻器R阻值是扼流變壓器阻值的10 倍左右。

結(jié)合圖1 測試電路，從直觀上看，平衡電壓法的效果是在整個測試電路中，扼流變壓器和變阻器R對總輸出電壓的分壓大致相等。這樣取值后，電壓表的示值在同一個數(shù)量級，就避免了電壓表不在同一個數(shù)量級而造成誤差，使電壓表讀數(shù)時的誤差降到最低，即在理論認知中的思維模式。

對比看來，不平衡電壓法使扼流變壓器和變阻器的分壓呈現(xiàn)1：10 的關(guān)系，電壓表的示值相差一個數(shù)量級。

直觀上，都會選取平衡電壓法，下面通過計算和數(shù)據(jù)分析，看哪種測試方法對扼流變壓器造成的偏差更小。

在上面的測試過程中，首先用電壓表測得U1和UR，讀取電壓表的示值，然后根據(jù)公式（1）：

計算得出被測扼流變壓器阻抗Z。

在平衡電壓法測試條件下，對電壓表的測試誤差可以忽略不計，因為電壓表在同等數(shù)量級下進行測試。

在不平衡電壓法測試條件下，U1的示值為1 V，UR的示值為9.174 V，則根據(jù)公式（1）可得：

在這個過程中，如果由于電壓表不在同一個數(shù)量級，那么，按照電壓表的精度等級，它的精度能夠達到10-3，即最不利是U的示值偏差0.001 V，那么，重新代入公式（1）得：

如果假定Z=0.218 Ω 為真值，那么，由于電壓表造成的絕對誤差為0.000 2 Ω。

在上面的分析過程中，盡可能的減小了電壓表帶來的誤差，但其實忽略了變阻器R帶來的誤差。變阻器R的誤差并不在測試過程中，而是在測試之前，因為變阻器R的阻值一般是用LCR 測試儀測試得出，測試儀的精度一般在10-3。那么，在不考慮電壓表測試誤差的情況下，再來分析R帶來的誤差。

在平衡電壓法中，U1的示值為1 V，UR的示值為0.917 4 V，根據(jù)公式（1）可得：

如果變阻器R的測試偏差在0.001 Ω，則根據(jù)公式（1）可得：

如果假定Z=0.218 Ω 為真值，那么，造成的絕對誤差為0.001 1 Ω。

在不平衡電壓法中，UR的示值為1 V，R的示值為9.174 V，根據(jù)公式（1）得：

如果變阻器R的測試偏差在0.001 Ω，則根據(jù)公式（1）得：

如果假定Z=0.218 Ω 為真值，那么，造成的絕對誤差為0.000 1 Ω。

明顯可以看出，上面兩種測試方法造成的絕對誤差相差10 倍。在變阻器R的取值上，由于變阻器R的取值在允許范圍內(nèi)的誤差造成了扼流變壓器阻抗值Z的變化，相對誤差相差10 倍，相較于考慮降低電壓表造成的誤差，變阻器R的取值就顯得尤為重要。

另外，上面提到Z的阻值要求的上下浮動為5%，即阻值范圍為0.207 8～0.228 Ω，那么平衡電壓法造成的后果相當(dāng)于對Z 的浮動范圍縮小了1/10；而不平衡電壓法，對Z的浮動范圍縮小了1/100。這在另一方面體現(xiàn)R的取值對Z 的影響。

因此，在BES 型扼流變壓器阻抗測試過程中，可以得出，不平衡電壓法測試更優(yōu)于平衡電壓法測試。

3.2 BE系列扼流變壓器應(yīng)用平衡電壓法和不平衡電壓法對比

BE 型扼流變壓器的阻抗范圍約在0.8～1.2 Ω范圍內(nèi)，為了方便計算，假定它的阻抗是1 Ω。根據(jù)平衡電壓法和不平衡電壓法的設(shè)定要求：平衡電壓法R=1 Ω 變阻器R阻值與扼流變壓器阻抗值相等；不平衡電壓法R=10 Ω 變阻器R阻值是扼流變壓器阻值的10 倍。

在平衡電壓法條件下，同樣，對電壓表的測試誤差忽略不計，因為電壓表在同等數(shù)量級下進行測試；在不平衡電壓法條件下，U1的示值為1 V，UR的示值為10 V，則根據(jù)公式（1）可得：

在這個過程中，如果由于電壓表不在同一個數(shù)量級，那么按照電壓表的精度等級，它的精度能夠達到10-3，即最不利是U的示值偏差0.001 V，那么重新代入公式（1）得：

如果假定Z=1 Ω 為真值，那么，由于電壓表造成的絕對誤差為0.001 Ω。

如果在不考慮電壓表測試誤差的情況下，再來分析變阻器R帶來的誤差，在平衡電壓法中，U1的示值為1 V，變阻器R的示值也為1 V，根據(jù)公式（1）得：

如果變阻器R的測試偏差在0.001 Ω，則根據(jù)公式（1）得：

如果假定Z=1 Ω 為真值，那么，造成的絕對誤差為0.001 Ω。

在不平衡電壓法中，U1的示值為1 V，變阻器R的示值為10 V，根據(jù)公式（1）得：

如果變阻器R的測試偏差在0.001 Ω，則根據(jù)公式（1）可得：

如果假定Z=1 Ω 為真值，那么，造成的絕對誤差為0.000 1 Ω。

通過對BE 系列扼流變壓器的分析亦可以看出，不平衡電壓法測試同樣優(yōu)于平衡電壓法測試，只是對測試結(jié)果影響較小。

4 結(jié)束語

通過上述分析，盡管平衡電壓法在BE 系列扼流變壓器測試應(yīng)用中比BES 系列扼流變壓器測試應(yīng)用中對測試結(jié)果影響小，究其原因，應(yīng)該是BE 系列扼流變壓器相對于BES 系列扼流變壓器而言，其本身阻抗相對較大造成的。但對于這兩種測試方法，不平衡電壓法測試在選定R變阻器與扼流變壓器為10 倍關(guān)系條件下，確實更優(yōu)于平衡電壓法測試。同樣的方法，可以證明，在電壓表精度等級允許的范圍內(nèi)，采用R變阻器與扼流變壓器為10 倍關(guān)系條件下的不平衡電壓法為最優(yōu)法。如R變阻器與扼流變壓器相差過于懸殊，將會引入其他因素影響。

當(dāng)然，本文對此測試電路的分析可能存在片面性，如有其他因素影響，當(dāng)另做分析。本文旨在提出，在設(shè)計測試電路過程中，還需均衡考慮各方面因素，不可拘泥于理論認知或者慣性思維，盡可能通過數(shù)據(jù)分析、對比，設(shè)計出對測試結(jié)果影響最小的測試方法。