一种气动供能的电力机车用电子式电压互感器*

徐 雁，孙 文，马 坦

（华中科技大学　电气与电子工程学院，湖北武汉430074）

一种气动供能的电力机车用电子式电压互感器*

徐 雁，孙 文，马 坦

（华中科技大学电气与电子工程学院，湖北武汉430074）

当前电力机车常用的电磁式电压互感器具有动态范围小、易发生铁磁谐振和输出不能短路等缺点，且在机车过电分相的过程中易产生过电压。针对这一情况，提出了一种新的检测方案，该方案使用电容分压、光纤传递信号。在高压电路供能方面，首次提出了一种气动供能方式，且具有安全可靠、电气隔离等突出优点。研究表明容性电容互感器可有效抑制过电分相时的过电压，大大提高绝缘可靠性；结合光纤传递信号，气动供能实现了完全的电隔离。相较于传统互感器，该设计在绝缘、体积、准确度、安全性方面均有明显优势。模型样机测试显示，该设计性能优良，可满足电力机车需求。

电压互感器；光纤；电容；机车；气动供能

我国经济的高速发展对铁路运输提出了越来越高的要求。电力机车同内燃机车、燃气轮机车相比具有功率大、速度快、效率高、环保等突出优点，因此电气化铁路在提高铁路运输能力的同时能够显著降低运营成本、优化能源结构、提高能源效率、降低碳排放。近年来，随着高速铁路的快速发展，我国的铁路电气化迎来了新一波发展高潮。目前无论是从现有条件还是政策上看，铁路电气化已是我国铁路事业发展的大趋势［1］。

然而新的技术带来新的问题，由于行车密度和电力机车速度的提高，高速列车的运行对设备可靠性、人员素质、管理等诸多方面提出了更高的要求［2］。高压电压互感器是电力机车上重要的高压设备，电力机车时速提高的同时，高压电压互感器的运行环境发生了重大改变，更加频繁的绝缘故障严重影响了电力机车的安全运行，同时我国电力机车保有量庞大。

因此探讨传统电磁式高压互感器故障原因，提出新的电压测量方法解决绝缘问题具有实用价值和理论意义。

1　过电分相时不同负载对过电压的影响

过电分相一直困扰着高速铁路的牵引供电系统［3-4］，统计表明，牵引网中的跳闸事故大部分与电力机车过电分相有关，而不同类型的电压互感器会对电力机车过电分相的暂态过程造成不同的影响，从而引起过电压现象。

机车运行中可能出现过电压已被关注［5-6］，过电分相频繁发生绝缘事故则是研究的热点，理论研究和实际运行及测试显示：过电分相暂态过程中出现的过电压和并联谐振是事故的根源［7-9］。消除绝缘故障的关键是要找准其产生原因，并提出可靠且可行的解决方法。

1.1机车过电分相暂态过程分析

电力机车断电之后进入关节式电分相之前的简化电路模型如图1所示［10］。

图1　过电分相等效电路

图1中，移动负载为电压互感器；SA，SB和SC模拟受电弓与牵引网的分合；CA B，CB A，C0为中性线分布电容；UA，RA，LA，CA为供电臂A等效参数；UB，RB，LB，CB为供电臂B等效参数。SA，SC，SB依次闭合断开来模拟机车过电分相。参数设置：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，负载CL=0.25 nF，LL=9.9×104H在过电分相之前，受电弓与供电臂A相接触由供电臂A供电，之后机车驶向无电区，SC闭合。驶过一段距离之后SA断开，接近供电臂B后，SB闭合，SC断开，过电分相完成。移动负载中，R、L、C取不同值代表不同类型的电压互感器。

下面对电磁感应原理（忽略C）和电容分压原理（忽略L）测量高电压的暂态过程进行仿真，观察其过电压和谐振情况。根据高铁典型线路参数和已有牵引网电路网络模型，模拟机车过电分相。设机车速度为200 km/h，额定供电电压为25 k V，电磁式和电容式测量均采用典型互感器参数值，分别模拟两种情况。

（1）SC在0.015 s闭合，SA在0.815 s（UA过零点）时打开，SB在3.315 s（UB相位71.3°）闭合，即模拟受电弓在A相电压过零点断电时的有利过程。

电压在互感器工作范围内，电磁式和电容式正常运行无饱和，受电弓在供电电压A的负向过零点处失电，滑行2.5 s后再接通B相。根据实际工况，仿真模拟电压互感器所承受的电压，结果如图2、图3。电磁式过电压最大峰值为61.5 k V未超工作限制，整个过程中工作频率没有变化，无谐振。电容式最大峰值为25 k V，频率没有变化，无谐振。

图2　电磁互感器电压波形（过零断电未饱和）

图3　电容互感器电压波形（过零断电未饱和）

（2）SC在0.02 s闭合，SA在0.82 s（UA正峰值处）时打开，SB在3.32 s（UB相位150°）闭合即模拟受电弓峰值断电的最不利过程。

在上述设定条件下，机车过电分相过程中与B相合闸时，电磁互感器铁芯饱和，过电压超出互感器耐受范围，仿真结果如图4。过电压最大峰值达90 k V，暂态过程中工作频率变化，有高频谐振。电容互感器过电压最大峰值为50 k V，频率无变化，无谐振现象。

图4　电磁互感器电压波形（峰值断电铁芯饱和）

图5　电容互感器电压波形（峰值断电）

由仿真分析可知：（1）在有利条件下过分相，采用电容互感器较电磁互感器过电压小；最不利条件下，电容互感器过电压仍小于电磁互感器，其过电压最大峰值为工作电压峰值与中性线残余电压之和，低于互感器耐压限值。（2）电磁互感器过电压时铁芯饱和，极易引发高频谐振；电容互感器则无谐振。（3）电容式较电磁式电压互感器更适合用于牵引网，有利于降低过电压，避免绝缘事故。

2　电容分压器原理及结构

分析可知，容性互感器可以大幅降低过电压的幅度，避免绝缘事故，较电磁式互感器更适合电力机车使用。基于以上考虑，本方案采用了如图6所示结构，采用电容分压，二次负载可等效为一个非感性阻抗。由于不含感抗，不会发生铁磁谐振，同时采用无油结构，互感器的体积也将大幅减小，有利于电力机车的高速运行和减小互感器振动。

图6　电压互感器原理图

在图6中，当R（C+CE）＜ω（ω为ui的角频率）时：

分压器输出的电压信号是与高电压信号成比例的微分信号。在电容器结构上，本方案采用了一种同轴结构，如图7。易知变比K为：

式（2）中ε0为真空绝对介电常数；εr为相对介电常数；ω为角频率；R为并联电阻；r1为金属电极半径；r2为分压金属圆筒内径；l为同轴电容长度。

可见，通过测量u1并经过积分变换可以获知牵引网的高电压。

图7　电容分压器结构图

图7中，高压金属电极和分压金属圆筒组成高压电容C，接地金属圆筒和分压金属圆筒组成低压电容CE。引线从圆筒底部引出，外面套有金属底座起到屏蔽作用。接地金属筒套外有绝缘套管，内部采用环氧树脂填充。在这种结构中，接地金属圆筒起到了屏蔽作用，有效避免了寄生电容的影响，同时对电磁干扰起到很好的屏蔽作用，稳定性良好［11］。

3　气动供能设计

3.1气动供能原理

电容分压器带负载的能力较弱，从图6中可以看出当负载ZL≫R时才能保证输出电压的稳定和精度，因此必须使用电子电路采集电压信号并进行积分等处理，此时则涉及到电子电路供能问题。该问题是整个互感器可靠稳定工作的关键，也是大多数电子式互感器设计所面临的技术难题。电力系统中常见供电方式有感应取能、太阳能、电容分压、电池、激光等方式.这些供电方式有不稳定、可靠性差或价格高昂等问题，也不适用于牵引网。

图8　气动供能原理图

满足本设计要求的供能方式应具有以下基本特征：可以连续稳定工作、可靠性高、实现一、二次侧电隔离、免维护，同时又具有需求功率小等特点。基于电力机车运行条件，首次提出并设计了一种微型气动供能系统，原理如图8所示。利用机车自带的风源系统提供的压缩气体带动车顶气动发电机，气动发电机（气动马达和直流发电机组成）将压缩气体的动能转化为电能供车顶靠近高压侧的测量电路使用。这个过程中能量由气体管道传递，不存在电气联系，且压缩气体可以直接从受电弓附近的控制管路获取，安装方便。

3.2气动马达选择

在气压传动领域，将压缩空气压力转换为旋转机械能的执行机构，目前应用最广泛的是气动马达也叫风动马达。气动马达的结构主要有齿轮式、活塞式、叶片式、膜片式、透平式等几种结构，目前市场上常见的气动马达主要有叶片式和活塞式两种。出于容易维修和便于采购成品等因素考虑，只考虑常见的两种结构：活塞式和叶片式。活塞式气动马达具有很多突出的优点：气密性好、效率高、输出扭矩大、调整扭矩方便。然而活塞式气动马达转速低、结构复杂、制造困难、外形尺寸大且维修不便、价格过高。叶片式气动马达具有功率密度高、体积小、结构简单、出力均匀、转速高和便于维修等特点，最适合本方案。其结构如图9和图10，其由定子、转子、叶片3部分组成。转子和定子偏心安装，偏心距为e。定子上有进气和出气孔，转子上铣有径向长槽，叶片可以在槽上滑动。转子转动时，依靠离心力将叶片压在定子内表面形成单独的密闭腔体。压缩气体由A孔进入，空气压力作用在两侧叶片上，由于定子、转子是偏心安装，两侧叶片存在压力差推动转子逆时针转动，废气通过C孔进行一次排出，残余气体通过B孔再次排出。

图9　叶片式气动马达原理图

图10　气动发电机转动部分结构图

3.3叶片式气动马达和直流发电机的选型

选择气动马达取决于3个因素：功率、转速、工作压力。在本方案中，功率由电路板的功耗决定，为了获得足够的裕度，选择额定功率为5 W左右的微型叶片式气动马达和直流发电机。工作压力由机车空气管路系统工作压力决定，以目前的资料来看，普遍在0.6 M Pa，这也是常用气动工具的使用压力。最后匹配直流发电机和气动马达的转速即可。图11为气动马达的实物图。

图11　叶片式气动马达实物图

该供电方法利用电力机车本身的风源系统提供能量，安装方便、稳定可靠，完全不受振动、温度、电磁干扰等影响，可在恶劣环境下工作。同时该方法与外界无电气联系，完全由气体压力供能，绝缘性能良好。

气动马达和直流发电机经过了长期的发展，都有了比较高的可靠性与稳定性。另外本方案所需电源功率非常小，气动供能系统负载较低，进一步保证了整个系统的可靠性。

4　总体设计方案及技术要求

根据T B/T 3038-2002《电气化铁道50 k V、25 k V电压互感器》和G B/T 1402-2010《轨道交通牵引供电系统电压》规定，其绝缘水平和耐压水平分别如表1，表2［12-13］。

表1　电压互感器绝缘水平　kV

表2　测量级电压互感器精度表（0.8～1.2UN）

由第一节的仿真可知电容分压式电压互感器，即使在最不利条件下过电分相，其过电压也远低于电压互感器的绝缘耐压水平，可大大降低机车过电分相的绝缘故障，本设计选用的是电容分压方案。

电力机车用电子式电压互感器的基本设计思想在于利用电容分压降低电力机车过电分相中出现的过电压，采用光纤传递数字信号，气动供能提供信号处理模块所需能量，使一、二次侧完全电隔离。其结构如图12所示。电容分压器将高电压转化为低电压信号，送入信号采集模块进行处理。在信号采集模块中将模拟信号转换为数字信号，再经过电光转换通过光纤传递给车厢内的信号处理模块。光信号在信号处理模块中还原成数字信号，交由控制单元中的单片机处理，用于显示有效值，同时向控制保护及计量设备提供模拟信号量和实时数字信号采样序列。信号采集模块是微功耗模块，其能量由电力机车风源系统的管道压缩空气提供。

图12　气动供能电子式电压互感器结构图

5　系统性能测试

在模型样机的研制过程中，为了验证互感器的性能和功能进行了相关试验测试。限于试验室条件，重点对供电电源、电路板性能、整机性能3方面进行了测试。

5.1采集板功耗测试

测试目的是了解信号采集板的实际功耗，配合气动供能方案。试验器材：+12 V直流电源、数字电流表、信号采集板。

+12 V直流电源给信号采集板供电，用数字电流表测量电源电流大小。试验结果为6.8 m A，功耗约为80 m W。

5.2气动供能性能测试

本测试是为了验证气动供能系统供电电压的稳定性及供能大小。接线原理图如图13。在试验中，由于条件限制使用氧气瓶提供压缩氧气模拟机车风源系统，通过压力阀调整管道压力到0.6 M Pa，直流发电机模拟负载为1 k Ω电阻。

图13　气动供能性能测试接线图

室温条件下测试了气动供能的性能，观察直流发电机的输出电压基本稳定在13.2 V，电流约为13.2 m A，可输出功率约为170 m W，满足一次电路供能要求。

5.3准确度测试

本测试目的是确定原型机的电压比例误差和相位误差。

电容分压器、信号采集模块、气动供能部分、信号处理模块、传输光纤等组成整个机车电压互感器。按图14接线，在试验室室温条件下进行了高压误差检验，结果如图15，其中UN=25 k V。

图14　整机接线图

图15　整机误差曲线

从测试结果看，室温时本系统在0.4～1.2倍额定电压下，电压误差优于2‰，相位误差小于±2′。

6　结束语

高速铁路的快速发展给机车用电压互感器提出了更高的要求，本文结合电容分压器和气动供能提出了一种新的机车用电压互感器，完成了理论分析、系统设计和相关试验，且气动供能为解决电子式互感器供能难题提供了新的思路。

［1］ 刘诚哲，姜齐荣，魏应冬.电气化铁路电能质量问题及其综合治理［J］.电气工业，2010，（4）：61-63.

［2］ 郭知彼.电气化铁路电能质量问题及其综合治理［J］.变流技术与电力牵引，2006，（2）：71-72.

［3］ 黄 强.高速机动车组与供电［J］.电气时代，2011，（2）：36-37.

［4］ 李群湛.我国高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题［J］.铁道学报，2010，3（4）：119-124.

［5］ Luo L，W ang Y，Shi W D.Study on surge current and over-voltage of electric loco m otive transformer［C］.Electrical M achines and Systems，2008.IC E M S 2008.International Conference on.IE E E，2008：4403-4406.

［6］ Bartelt R，Oettmeier M，H eising C，et al.A dvanced simulation concept for interaction of railway grid representation and m odel power train of ac loco m otive［C］.Power Engineering，Energy and Electrical Drives，2009.P O WE R E N G＇09.International Conference on.IE E E，2009：267-272.

［7］ Zhi j ian Q，Mingguang L，Liang G，et al.Transient processes time series analysis of high-speed rai lway power traction and over-voltage protection［C］.Computer Distributed Control and Intell igent Environmental M onitoring（C D CIE M），2012 International Conference on.IEEE，2012：818-821.

［8］ 赵 峰，张泰伟，张 忠.接触网关节式电分相过电压的研究［J］.兰州交通大学学报，2009，28（1）：52-55.

［9］ 刘明光，路延安，魏宏伟，等.关节式电分相过电压试验研究［J］.电气化铁道，2007，（4）：15-17.

［10］ 宫衍圣.电力机车过关节式电分相过电压研究［J］.铁道学报，2008，30（4）：103-107.

［11］ Saitoh M，Kishim oto K，M aeda Y.Develop ment of the electronic instru ment transformers forintelligent substation［J］.T M T&D Review，2003，1（1）：1-6.

［12］ T B/T3038-2002 电气化铁道50 k V、25 k V电压互感器［S］.

［13］ G B/T1402-2010 轨道交通牵引供电系统电压［S］.

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

*强电磁工程与新技术国家重点试验室提供开放基金项目（2013 K F001）

徐雁（1963—）女，副教授（2015-03-17）