自取能传感器在牵引回流监测设备上的应用

赵 青，周启斌，杨 博，杨 林

0 引言

电气化铁路高速发展，对牵引供电系统和信号系统的技术要求越来越高，但是牵引供电系统的回流过大和不平衡电流一直影响着信号设备的安全可靠性，轨道绝缘和信号设备绝缘被烧事件接连不断。现阶段，轨道、吸上线和接触网回流线构成牵引回流的主要路径，然而判断牵引回流回路的通断及回流的大小只能通过人工在天窗时间点进行测试，但回流的大小与列车位置、速度相关，因此需要实现实时在线监测。电气化铁路牵引供电回流在线监测设备的研制至关重要，但制约设备的瓶颈是设备自身的供电技术。

供电电源是回流监测设备正常工作的基本保障，但设备沿线路分布在野外，环境复杂，如果通过电缆实现外部电源供电，成本较高、施工困难，难以实现；其次监测设备需要小型化，通过电池供电，不但加大了设备的体积和重量，且更换电池前须对接触网断电；另外，回流在线监测设备应不间断采集回流数据，要求设备在低能耗下能良好工作。本文研究一款在回流监测设备中应用的电感自取能电源。

目前，设备的本地供电方式有自取能线圈[1]、激光取能[2]、太阳能供电、高压电容分压取能[3]等方式，与这些供电方式相比，直接从回流电缆上感应取能的供电方式具有设备简单、能量转换效率高、应用灵活等优点。牵引回流监测终端设备需要小型化，便于安装，并且可在牵引回流线路低电流的情况下顺利启动。依此要求，研究的自取能线圈采用小型、开合式（直接卡在牵引回流线路上，不需要断电安装）、新型软磁合金材料。

1 自取能电源结构设计

牵引回流线路中的电流具有以下特点：电流普遍较小，一般维持在1～60 A；在列车通过时会有瞬时增大的趋势；无列车通过时也会有小额的电流通过。因此自取能供电装置应在回流线上流经的电流范围内能够稳定功率输出，即使线路电流过大或短路时，依然能够正常工作；在电流过小时，能依靠储能单元保证监测终端设备正常工作。

自取能供电装置由取能和储能两部分构成，如图1 所示。自取能单元由感应式自取能线圈、冲击保护模块和整流模块构成，本文重点介绍感应式自取能线圈。

图1 自取能供电装置的构成

感应式自取能是根据电磁感应的原理，当有变化的电流经过回流线时引起线圈电磁场的变化，从而感应自生成能源，因此线圈需有较强的磁场，而选择合适的铁心材料（电阻）可以消除极易存在的线圈磁饱和现象，从而提高自取能线圈的输出功率。

2 自取能线圈的选取

2.1 自取能传感器材料介绍

根据磁化的难易程度，铁磁材料可以分为硬磁材料、软磁材料。软磁材料的矫顽力较低，易磁化至饱和，且饱和磁通密度大，但去掉外磁场后极易退磁，被广泛用于电力领域，如制造电动机、变压器、电感器等设备。常用的软磁材料有铁氧体、坡莫合金（铁镍合金）、铁硅合金（硅钢片）、非晶及微晶合金等[4]。

本文所述自取能线圈铁心采用软磁合金中的铁镍合金（镍含量在35%～90%）。铁镍合金是应用非常广泛的软磁合金，通过适当的工艺可以有效控制其磁性能，使其具备很高的弱磁场导磁率。铁镍合金的饱和磁感应强度一般在0.6～1.0 T，奥斯特的矫顽力可以低至2‰、矩形系数接近1甚至0。铁镍合金为面心立方晶体结构，具有很好的塑性，可以加工成1 μm 的超薄带及各种使用形态。

常用的软磁铁镍合金有1J50、1J79、1J85 等型。1J50 具有较好的加工性能，饱和磁感应强度比硅钢稍低，但磁导率比硅钢高几十倍，且铁损比硅钢低2 倍左右，适合用于较高频率的变压器；电阻率比硅钢片高，空载电流小，适合用于100 W 以下的小型较高频率变压器。1J79 具有高的初始磁导率，综合性能好，适用于弱磁场工作的各种变压器、互感器、磁放大器、扼流圈铁心等。1J85 的初始磁导率可达10 万以上，磁感应强度可达1.6 T，磁滞损失很小，热稳定性和可加工性好，非常适用于弱信号的低频或高频输入输出变压器、共模电感及高精度、高灵敏度的电流互感器。本文选用1J85 感应线圈铁心材料。

2.2 自取能传感器的磁心形状

本文研究的自取能线圈需要安装在电气化铁路牵引回流线路上，不可能在已建的线路上断开电缆安装，所以闭合式线圈将限制自取能设备的应用。本文选择开合式线圈，可以直接卡在回流线路的电缆上，并且可以带电操作，方便安装和维护。开合式磁心可以选择环形或E 形。环形磁心泄漏磁通低，在共模噪声滤波器中应用广泛，本文选用圆环形取能磁心。环形磁心通过使用超薄带形铁镍合金材料，在独特的环形缠绕带材的机器上进行紧密缠绕加工，然后通过切割机切割成两个半环的开口形状，以利于安装；对磁心边缘进行打磨，使其光滑平整，尽量减小间隙。

2.3 参数计算

2.3.1 线圈气隙影响分析

选用圆环形取能磁心切割成两个半环的开口形状设计，直接卡在牵引回流线路中的电缆上，导致线圈气隙的存在。自取能线圈结构如图2 所示。

图2 自取能线圈结构

设一次电流（载流导体中电流）为If，二次电流为I2，励磁电流为I0，额定电流比为N，绕组电阻为R2，铁心截面积为S，叠片系数为K，平均磁路长为L，空气磁导率为μ0，铁心相对磁导率为μr，两端气隙长度分别为d1、d2，气隙和铁心中的磁通密度为B，磁强度为H，则有

式中：f为一次电流的频率。

式中：ωI为磁势；Hk为某物质磁场强度；Lk为某物质磁路长度。

由于ωI= 1，得出励磁电流计算式为

式中：H1铁心磁场强度，H2为气隙磁场强度。

从式（4）可以看出，μ0和μr决定了励磁电流的大小，且μr>>μ0，因此气隙对励磁电流的影响较大[5]，故减少线圈气隙可以降低励磁电流的损失。

2.3.2 取能线圈磁心截面积计算

磁心截面积的计算较常用的方法是面积乘积法，即磁心横截面积与线圈有效窗口面积的乘积：式中：AP为磁心截面积表征量，cm4；Ae为磁心横截面积，cm2；Aw为磁心的窗口面积，cm2；P0为输出功率，W；ΔB为磁通密度变化量，T，一般取0.2～0.3 T；fT为变压器的工作频率，Hz；K为结构系数，推挽正激电路K取0.014。

本文选择的1J85 铁镍合金是一种高磁导率、高频率低损耗材料，饱和磁感应强度大于0.78 T。电路工作频率50 Hz，设计要求输出功率达90 W，为获得更好的适用性，磁通密度变化量计算时取0.2 T，根据式（5）计算得所需的磁心AP= 0.554 8 cm4。

牵引回流取能传感器由于线径和空间的原因，选取10 mm×10 mm 截面积参数。这样开环磁心实际面积大于理论计算值，可满足设计要求。

2.4 取能传感器匝数确定及实验

自取能线圈一次绕组为牵引回流线路，匝数为N1（N1= 1）；二次绕组与输出电路模块连接，匝数为N2；一次侧电流为I1，二次侧电流为I2，励磁电流为I0。根据电磁感应原理可知：

根据法拉第电磁感应定律，计算二次侧电压e2：

式中：S为磁通所穿过的面积；φm为励磁产生的磁通（与平衡二次侧线圈感应的磁动势大小相等，方向相反）；KP为叠片系数。可以看出，因为二次电压e2恒定，铁心的磁场强度和磁感应密度与二次侧线圈的匝数有关。当一次侧电流固定时，线圈二次侧的匝数越多，对应的磁场强度反而越小，铁心越不容易饱和，二次侧感应电流越小，取能线圈输出的功率也越小[6]。

本次设计了两款磁心。磁心材料均为铁镍合金，磁心截面积分别为10 mm×10 mm（以下称为1010磁心）和10 mm×20 mm（以下称为1020 磁心）。

分别选用1010 和1020 两种磁心，通过如图3所示的电气测试电路进行测试，寻求最优匝数，保证取能线圈工作在非饱和区域时输出的功率最大。

图3 测试电路示意图

典型测试条件：磁心材料为铁镍合金，磁心的绕线线径为0.44 mm，T常温= 25 ℃。

图4 所示为不同磁心取能传感器在不同绕线匝数下取能能力参数测试结果曲线。

图4 取能磁心取电能力测试曲线

经测试，1020 磁心取能传感器在500 Ω负载电阻下，取最大功率绕线匝数为320 匝，1020 取能传感器在1 000 Ω负载电阻下，取最大功率绕线匝数为450 匝。本次设计选取负载500 Ω，绕线匝数320 匝为取能传感器绕线匝数。

2.5 生产工艺要求

自取能传感器生产过程包括参数设计、卷带成型、退火、固化成型、切割、剖面处理、绕线、高低温测试。每一步流程需有严格要求，否则将影响线圈的性能质量。例如退火处理时需根据1J85 铁镍合金的特性设计退火曲线，具体性能见表1～表3。将表面喷涂了绝缘树脂的铁镍合金环以中心线为基准切割成两个半环，切割过程中切割断面不能有起层开裂等现象，将切好的两个铁镍合金半环断面进行研磨处理，以达到更好的取能效果。

表1 1J85 铁镍合金化学成分 wt%

表2 1J85 铁镍合金物理性能

表3 1J85 铁镍合金力学性能

对本文设计的自取能传感器进行温度性能和盐雾性能实验，实验所得数据如图5、图6 所示。

图5 自取能传感器温度实验结果

图6 盐雾实验结果

从图5 可以看出，取能传感器并联电阻500 Ω和电阻1 kΩ的测试曲线与空载时的测试曲线相比，取能线圈输出的电压值有所降低，但是接入负载后电源的输出电压曲线更加平稳，尤其负载为500 Ω时最平滑，满足本文选取负载500 Ω的设计目的。同时验证了取能线圈在-40～90 ℃高低温实验时能保持良好的性能。

对自取能传感器进行盐雾实验后，分别并联电阻500 Ω和电阻1 kΩ进行电压输出测试，电压测试曲线平稳，铁镍合金制成的自取能传感器具有良好的抗盐雾腐蚀能力。

3 结语

本文设计的感应式自取能电源线圈采用圆环开合式设计，便于安装，并考虑了气隙对取能电源输出功率的影响，通过严格的生产工艺尽量减少气隙；通过理论计算和电气实验确定了取能线圈的参数，并验证了取能质量。

该自取能电源已在电气化铁路牵引回流在线监测终端设备上使用，监测终端设备主要由中控电路板、超级电容、测量用传感器和本文设计的自取能线圈组成，线圈和测量用传感器采用开合设计，便于施工安装。当牵引回流线路电流不小于4 A 时，自取能装置可正常为监测终端设备供电，同时给超级电容充电；当牵引回流线路电流过低时，通过超级电容给监测设备供电。目前装有本文设计的自取能装置的吸上线电流监测设备已经在朔黄铁路上试应用，依靠感应牵引回流线路中的电流产生电能供给监测设备，截至目前，监测设备运行稳定。