一種氣動供能的電力機車用電子式電壓互感器*

徐 雁，孫 文，馬 坦

（華中科技大學　電氣與電子工程學院，湖北武漢430074）

一種氣動供能的電力機車用電子式電壓互感器*

徐 雁，孫 文，馬 坦

（華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北武漢430074）

當前電力機車常用的電磁式電壓互感器具有動態范圍小、易發生鐵磁諧振和輸出不能短路等缺點，且在機車過電分相的過程中易產生過電壓。針對這一情況，提出了一種新的檢測方案，該方案使用電容分壓、光纖傳遞信號。在高壓電路供能方面，首次提出了一種氣動供能方式，且具有安全可靠、電氣隔離等突出優點。研究表明容性電容互感器可有效抑制過電分相時的過電壓，大大提高絕緣可靠性；結合光纖傳遞信號，氣動供能實現了完全的電隔離。相較于傳統互感器，該設計在絕緣、體積、準確度、安全性方面均有明顯優勢。模型樣機測試顯示，該設計性能優良，可滿足電力機車需求。

電壓互感器；光纖；電容；機車；氣動供能

我國經濟的高速發展對鐵路運輸提出了越來越高的要求。電力機車同內燃機車、燃氣輪機車相比具有功率大、速度快、效率高、環保等突出優點，因此電氣化鐵路在提高鐵路運輸能力的同時能夠顯著降低運營成本、優化能源結構、提高能源效率、降低碳排放。近年來，隨著高速鐵路的快速發展，我國的鐵路電氣化迎來了新一波發展高潮。目前無論是從現有條件還是政策上看，鐵路電氣化已是我國鐵路事業發展的大趨勢［1］。

然而新的技術帶來新的問題，由于行車密度和電力機車速度的提高，高速列車的運行對設備可靠性、人員素質、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車上重要的高壓設備，電力機車時速提高的同時，高壓電壓互感器的運行環境發生了重大改變，更加頻繁的絕緣故障嚴重影響了電力機車的安全運行，同時我國電力機車保有量龐大。

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

1　過電分相時不同負載對過電壓的影響

過電分相一直困擾著高速鐵路的牽引供電系統［3-4］，統計表明，牽引網中的跳閘事故大部分與電力機車過電分相有關，而不同類型的電壓互感器會對電力機車過電分相的暫態過程造成不同的影響，從而引起過電壓現象。

機車運行中可能出現過電壓已被關注［5-6］，過電分相頻繁發生絕緣事故則是研究的熱點，理論研究和實際運行及測試顯示：過電分相暫態過程中出現的過電壓和并聯諧振是事故的根源［7-9］。消除絕緣故障的關鍵是要找準其產生原因，并提出可靠且可行的解決方法。

1.1機車過電分相暫態過程分析

電力機車斷電之后進入關節式電分相之前的簡化電路模型如圖1所示［10］。

圖1　過電分相等效電路

圖1中，移動負載為電壓互感器；SA，SB和SC模擬受電弓與牽引網的分合；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；UB，RB，LB，CB為供電臂B等效參數。SA，SC，SB依次閉合斷開來模擬機車過電分相。參數設置：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，之后機車駛向無電區，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。移動負載中，R、L、C取不同值代表不同類型的電壓互感器。

下面對電磁感應原理（忽略C）和電容分壓原理（忽略L）測量高電壓的暫態過程進行仿真，觀察其過電壓和諧振情況。根據高鐵典型線路參數和已有牽引網電路網絡模型，模擬機車過電分相。設機車速度為200 km/h，額定供電電壓為25 k V，電磁式和電容式測量均采用典型互感器參數值，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）時打開，SB在3.315 s（UB相位71.3°）閉合，即模擬受電弓在A相電壓過零點斷電時的有利過程。

電壓在互感器工作范圍內，電磁式和電容式正常運行無飽和，受電弓在供電電壓A的負向過零點處失電，滑行2.5 s后再接通B相。根據實際工況，仿真模擬電壓互感器所承受的電壓，結果如圖2、圖3。電磁式過電壓最大峰值為61.5 k V未超工作限制，整個過程中工作頻率沒有變化，無諧振。電容式最大峰值為25 k V，頻率沒有變化，無諧振。

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。

在上述設定條件下，機車過電分相過程中與B相合閘時，電磁互感器鐵芯飽和，過電壓超出互感器耐受范圍，仿真結果如圖4。過電壓最大峰值達90 k V，暫態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，頻率無變化，無諧振現象。

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小；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鐵芯飽和，極易引發高頻諧振；電容互感器則無諧振。（3）電容式較電磁式電壓互感器更適合用于牽引網，有利于降低過電壓，避免絕緣事故。

2　電容分壓器原理及結構

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車使用。基于以上考慮，本方案采用了如圖6所示結構，采用電容分壓，二次負載可等效為一個非感性阻抗。由于不含感抗，不會發生鐵磁諧振，同時采用無油結構，互感器的體積也將大幅減小，有利于電力機車的高速運行和減小互感器振動。

圖6　電壓互感器原理圖

在圖6中，當R（C+CE）＜ω（ω為ui的角頻率）時：

分壓器輸出的電壓信號是與高電壓信號成比例的微分信號。在電容器結構上，本方案采用了一種同軸結構，如圖7。易知變比K為：

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

可見，通過測量u1并經過積分變換可以獲知牽引網的高電壓。

圖7　電容分壓器結構圖

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，內部采用環氧樹脂填充。在這種結構中，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，同時對電磁干擾起到很好的屏蔽作用，穩定性良好［11］。

3　氣動供能設計

3.1氣動供能原理

電容分壓器帶負載的能力較弱，從圖6中可以看出當負載ZL?R時才能保證輸出電壓的穩定和精度，因此必須使用電子電路采集電壓信號并進行積分等處理，此時則涉及到電子電路供能問題。該問題是整個互感器可靠穩定工作的關鍵，也是大多數電子式互感器設計所面臨的技術難題。電力系統中常見供電方式有感應取能、太陽能、電容分壓、電池、激光等方式.這些供電方式有不穩定、可靠性差或價格高昂等問題，也不適用于牽引網。

圖8　氣動供能原理圖

滿足本設計要求的供能方式應具有以下基本特征：可以連續穩定工作、可靠性高、實現一、二次側電隔離、免維護，同時又具有需求功率小等特點。基于電力機車運行條件，首次提出并設計了一種微型氣動供能系統，原理如圖8所示。利用機車自帶的風源系統提供的壓縮氣體帶動車頂氣動發電機，氣動發電機（氣動馬達和直流發電機組成）將壓縮氣體的動能轉化為電能供車頂靠近高壓側的測量電路使用。這個過程中能量由氣體管道傳遞，不存在電氣聯系，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氣動馬達選擇

在氣壓傳動領域，將壓縮空氣壓力轉換為旋轉機械能的執行機構，目前應用最廣泛的是氣動馬達也叫風動馬達。氣動馬達的結構主要有齒輪式、活塞式、葉片式、膜片式、透平式等幾種結構，目前市場上常見的氣動馬達主要有葉片式和活塞式兩種。出于容易維修和便于采購成品等因素考慮，只考慮常見的兩種結構：活塞式和葉片式。活塞式氣動馬達具有很多突出的優點：氣密性好、效率高、輸出扭矩大、調整扭矩方便。然而活塞式氣動馬達轉速低、結構復雜、制造困難、外形尺寸大且維修不便、價格過高。葉片式氣動馬達具有功率密度高、體積小、結構簡單、出力均勻、轉速高和便于維修等特點，最適合本方案。其結構如圖9和圖10，其由定子、轉子、葉片3部分組成。轉子和定子偏心安裝，偏心距為e。定子上有進氣和出氣孔，轉子上銑有徑向長槽，葉片可以在槽上滑動。轉子轉動時，依靠離心力將葉片壓在定子內表面形成單獨的密閉腔體。壓縮氣體由A孔進入，空氣壓力作用在兩側葉片上，由于定子、轉子是偏心安裝，兩側葉片存在壓力差推動轉子逆時針轉動，廢氣通過C孔進行一次排出，殘余氣體通過B孔再次排出。

圖9　葉片式氣動馬達原理圖

圖10　氣動發電機轉動部分結構圖

3.3葉片式氣動馬達和直流發電機的選型

選擇氣動馬達取決于3個因素：功率、轉速、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馬達和直流發電機。工作壓力由機車空氣管路系統工作壓力決定，以目前的資料來看，普遍在0.6 M Pa，這也是常用氣動工具的使用壓力。最后匹配直流發電機和氣動馬達的轉速即可。圖11為氣動馬達的實物圖。

圖11　葉片式氣動馬達實物圖

該供電方法利用電力機車本身的風源系統提供能量，安裝方便、穩定可靠，完全不受振動、溫度、電磁干擾等影響，可在惡劣環境下工作。同時該方法與外界無電氣聯系，完全由氣體壓力供能，絕緣性能良好。

氣動馬達和直流發電機經過了長期的發展，都有了比較高的可靠性與穩定性。另外本方案所需電源功率非常小，氣動供能系統負載較低，進一步保證了整個系統的可靠性。

4　總體設計方案及技術要求

根據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電壓》規定，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　測量級電壓互感器精度表（0.8～1.2UN）

由第一節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，其過電壓也遠低于電壓互感器的絕緣耐壓水平，可大大降低機車過電分相的絕緣故障，本設計選用的是電容分壓方案。

電力機車用電子式電壓互感器的基本設計思想在于利用電容分壓降低電力機車過電分相中出現的過電壓，采用光纖傳遞數字信號，氣動供能提供信號處理模塊所需能量，使一、二次側完全電隔離。其結構如圖12所示。電容分壓器將高電壓轉化為低電壓信號，送入信號采集模塊進行處理。在信號采集模塊中將模擬信號轉換為數字信號，再經過電光轉換通過光纖傳遞給車廂內的信號處理模塊。光信號在信號處理模塊中還原成數字信號，交由控制單元中的單片機處理，用于顯示有效值，同時向控制保護及計量設備提供模擬信號量和實時數字信號采樣序列。信號采集模塊是微功耗模塊，其能量由電力機車風源系統的管道壓縮空氣提供。

圖12　氣動供能電子式電壓互感器結構圖

5　系統性能測試

在模型樣機的研制過程中，為了驗證互感器的性能和功能進行了相關試驗測試。限于試驗室條件，重點對供電電源、電路板性能、整機性能3方面進行了測試。

5.1采集板功耗測試

測試目的是了解信號采集板的實際功耗，配合氣動供能方案。試驗器材：+12 V直流電源、數字電流表、信號采集板。

+12 V直流電源給信號采集板供電，用數字電流表測量電源電流大小。試驗結果為6.8 m A，功耗約為80 m W。

5.2氣動供能性能測試

本測試是為了驗證氣動供能系統供電電壓的穩定性及供能大小。接線原理圖如圖13。在試驗中，由于條件限制使用氧氣瓶提供壓縮氧氣模擬機車風源系統，通過壓力閥調整管道壓力到0.6 M Pa，直流發電機模擬負載為1 k Ω電阻。

圖13　氣動供能性能測試接線圖

室溫條件下測試了氣動供能的性能，觀察直流發電機的輸出電壓基本穩定在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準確度測試

本測試目的是確定原型機的電壓比例誤差和相位誤差。

電容分壓器、信號采集模塊、氣動供能部分、信號處理模塊、傳輸光纖等組成整個機車電壓互感器。按圖14接線，在試驗室室溫條件下進行了高壓誤差檢驗，結果如圖15，其中UN=25 k V。

圖14　整機接線圖

圖15　整機誤差曲線

從測試結果看，室溫時本系統在0.4～1.2倍額定電壓下，電壓誤差優于2‰，相位誤差小于±2′。

6　結束語

高速鐵路的快速發展給機車用電壓互感器提出了更高的要求，本文結合電容分壓器和氣動供能提出了一種新的機車用電壓互感器，完成了理論分析、系統設計和相關試驗，且氣動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

*強電磁工程與新技術國家重點試驗室提供開放基金項目（2013 K F001）

徐雁（1963—）女，副教授（2015-03-17）