基本介紹
- 中文名：動車組車載寬頻電壓互感器
- 外文名：Voltage transformer of wide frequency formotor train unit
- 工作特點：牽引電機工作頻帶較寬
- 考慮因素一：鐵心磁感應強度不能飽和
- 考慮因素二：滿足一定精度
- 鐵心材料：超微晶合金材料
背景,電壓互感器原理和作用,寬頻電壓互感器原理設計,寬頻電壓互感器基本參數計算,
背景
行車安全是鐵路的永恆主題，鐵路提速後對現代車輛的安全性提出了更加嚴格的要求，過去那種主要依靠司機與檢修人員的經驗和直覺對車輛運行參數進行簡單判斷的做法已經不能適應現代鐵路運輸對“安全、高效”的要求。車輛運行過程中的不準確的參數記錄會給車輛的運行安全帶來隱患同時也給檢修帶來困難。鐵路系統要實現車輛的智慧型化，其首要任務是實時檢測車輛的運行狀態並能將檢測到的數據傳送給計算機系統，這樣計算機系統必能做出有據可依的判斷。建設資源節約型、環境友好型社會是實現可持續發展的重大戰略任務。
國內對新型軟磁材料的研究不斷深入，目的就是節約能源和原材料、增大一次成型率。現在已經批量生產多種軟磁材料，而超微晶材料以其優良的性能在互感器行業得到了較為廣泛的套用。對於傳統電壓互感器，首先是鐵心材料精度不夠。傳統電壓互感器採用矽鋼片材料，初始磁導率太低，難以滿足測量精度的需要。同時動車組牽引電機運行在較寬頻率內，高頻段的鐵耗不可忽略，傳統互感器精度難以保證。只有從鐵心材料上改進才能提高電壓互感器性能，根據相關數據，超微晶合金材料的初始磁導率能達到矽鋼片的幾十倍到上百倍，最大磁導率是矽鋼片的幾十倍。相比下，超微晶合金材料能充分滿足精度的需要。同時隨著計算機控制技術的發展，如何把測得的電壓信號交予計算機且進行參數分析，是目前研究的熱點和難點。
電壓互感器原理和作用
電壓互感器是將高電壓按比例關係變換成或更低等級標準電壓的特種變壓器。一般電壓互感器分為測量級和保護級，基本結構為：一次線圈、二次線圈分別繞在鐵心上，鐵心與線圈之間以及兩個線圈之間保持絕緣隔離，接線如圖。其一次繞組與電力系統的線路並聯，二次繞組連線測量裝置、繼電保護裝置等。電壓互感器的一次與二次側進行有效隔離以防止高低壓側直接的電聯繫，同時低壓二次側需安全接地以保護人身與二次電力設備的安全。電力系統中用到的電壓互感器，除了上述結構外，還包括一個零序電壓線圈，與繼電器相連線。當系統出現単相接地故障時，此線圈產生的零序電壓能夠使繼電器動作，從而切斷故障線路以保護電力設備。兩類電壓互感器與各種裝置配合分別完成電的測量和對故障的保護控制，電力系統的安全、穩定與與電壓互感器可靠性和準確度關係密切。
寬頻電壓互感器原理設計
電壓互感器設計既要考慮鐵心不能飽和又要滿足精度的需要，影響鐵心飽和的因素就是磁感應強度的取值，精度主要由鐵心材料決定。對電壓互感器鐵心材料進行選取，同時針對動車組牽引電機的額定參數進行計算，使動車組專用的寬頻電壓互感器，既能滿足動車組牽引系統的特殊性，它同時又是一種節能型低功率電壓互感器，充分利用超微晶合金的優良性能，保證損耗小同時實現低功率輸出。
節能型低功率電壓互感器的提出
目前的電壓互感器需要長期掛網的，隨著時間的增長這類電器設備的功率消耗，是電網中一部分能量損失。從全國乃至世界範圍內來看，互感器設備的用量巨大，其耗電將是一個很大的數，在全世界都在努力關注構建設節約節能型社會的今天，這是一個不容忽視的問題。
電子式電壓互感器用於高電壓等級時才具有經濟性和優勢，且與電壓等級成正比，因為只有在高電等級的互感器上，絕緣複雜、體積大、CT飽和、造價高等缺點才表現顯著。因此不應在電力系統各電壓等級都盲目地推廣和使用電子式互感器。在低電壓等級，特別是對於35kV以下，釆用電子式互感器是不必要和不經濟的，而適時釆用低功率互感器是一個既現實又經濟方案。低功率互感器一般選用高磁導率的鐵心材料，這樣能充分保證電壓互感器的精度。
由於動車組變流器輸出電壓不高，採用電子式互感器會使成本過高，採用普通的高精度的電磁式互感器就可以滿足要求。現在電力系統不斷向著數位化、小型化和自動化的方向發展，對於車用電壓互感器可以嘗試輸出更小的電壓，能便於計算機處理，因此可以採用小功率電壓互感器。小功率電壓互感器具有電磁式互感器的結構和輸出低電的能力，是一種節能中壓電壓互感器，非常適合於車用狀況，輸出信號經簡單轉換就能連線計算機。對於本互感器，額定二次電壓為
。實現小功率是一項重要內容，保證二次側匝數較少，增加一次側匝數，使電壓互感器輸出較小的電壓，但誤差可能會有所增大。同時為了限值誤差，在鐵心材料上採用超微晶合金。這樣既實現低功率又實現二次側小電壓輸出，同時如果保持磁感應強度變，還可縮小一定的截面積。
電壓互感器鐵心材料其對二次電壓誤差影響主要包括鐵心尺寸（截面Ac和磁路長度lc）和鐵心材質（磁導率和損耗角）等因素。鐵心磁導率越大，電壓互感器精度越高；鐵心平均磁路長度越大，電壓互感器精度越低。因此為了減少電壓互感器的誤差，材料上選用高磁導率的超微晶合金鐵心，並且對鐵心尺寸大小和二次繞組的線徑進行優以化減少二次繞組內阻和平均磁路長度。由於電壓互感器採用超微晶合金，及輸出電壓小的特點，本實用新型電壓互感器在功耗上能做到以前電壓互感器的幾十分之一，產品重量和體積較以前電壓互感器小，測量精度至少提高一個等級。其具有靈敏性高、性能穩定、便於集成和易於工業批量生產等優點，是電壓互感器研究的一個新方向。其二次負荷較小加上高磁導率鐵心材料的使用，可以對大動態範圍的電壓進行測量。所有這些使得該電壓互感器具有非常廣闊的套用前景並能產生較大的經濟和社會效益。
對於動車組牽引電機測量系統，本電壓互感器測量系統基本部分包括：電壓互感器轉換部分、輸出信號轉換和計算機處理部分，如圖4.1。PWM波須經濾波電路變為正弦波，其濾波電路有專用設備。圖4.2為測量系統結構圖。總結起來，節能體現在兩方面：一是鐵心材料，超微晶合金材料的磁導率高於一般娃鋼片幾十倍，所以截面積不用設計太大，就能保證測量的精度；二是小電壓輸出，然後經取片機處理，軟體代替了一部分硬體，比傳統的大量的模擬電路測量能耗小。
寬頻電壓互感器鐵心造型
作為一種軟磁材料，我們希望它有較高的飽和磁感應強度高靜態特性高的初始磁導率、高的最大磁導率低的剩磁、低的矯頑力，或者磁場較大範圍內具有穩定的磁導率和較高的品質因數值、良好的動態磁特性低的高頻損耗、高的有效磁導率、高的電阻率等。從使用方面來說，它還應該具有工藝流程簡單、使用穩定性好，價格合理的特點。沒有一種軟磁材料能滿足上面所有要求，但超微晶合金具有工藝、性能及價格的綜合優勢。
在互感器設計製造中採取的減少其測量誤差主要方式有：適當增加線圈安匝數，減小繞組內阻抗，縮短有效磁路長度。其中最有效地減小誤差的方式就是選擇高磁導率的材料製造鐵心，電壓互感器鐵心採用的軟磁材料有三種：矽鋼片、坡莫合金及超微晶合金。目前來講，用量最大的鐵芯材料是冷軋矽鋼片，其次是超微晶合金及坡莫合金，主要用於生產製造高精度等級的互感器。設計如果變比小、線圈安匝數較少，或容積要求嚴格的情況下，採用冷軋矽鋼片往往不能達到測量精度的要求。
車用寬頻電壓互感器設計上需考慮的關鍵因素：避免互感器飽和，即飽和磁感應強度不應該過大；電壓互感器二次側輸出電壓不能過大，不利於計算機的處理；因頻率增加造成的鐵損耗加大不能忽略。表4.1為電壓互感器常用鐵心材料的參數比較，首先從飽和磁感應強度來看，超微晶合金和矽鋼片的取值較大，不易飽和，能夠滿足我們的需要。其次，從初始磁導率和最大磁導率來看，超微晶合金和坡莫合金明顯優於矽鋼合金，鐵損耗可忽略。根據相關數據，超微晶合金材料的初始磁導率能達到矽鋼片的幾十倍到上百倍，最大磁導率是矽鋼片的幾十倍如果採用矽鋼片，頻率增大引起鐵損耗過大，不能保證精度，而採用超微晶合金鐵損耗基本可以忽略。
寬頻電壓互感器基本參數計算
電壓互感器計算依據是：額定一、二次電壓，二次繞組準確級及極限輸出、額定頻率，絕緣水平。如果有剩餘電壓繞組，還要根據剩餘電壓繞組額定參數進行汁算。動車組牽引電機額定電壓為1287V，額定頻率為92Hz，電壓互感器二次側額定電壓為，進而進行各參數的選擇和計算。圖4.3電壓互感器立體圖，圖4.4為單相三柱式電壓互感器示意圖。
鐵心額定磁感應強度選擇
額定磁感應強度是設計電壓互感器的基本參數，它選擇性很強，不同種類的電壓互感器的額定磁感應強度值有較大差別。對於設計電壓互感器產品，首先要解決的是選擇合適的額定磁感應強度。額定磁感應強度與電壓互感器誤差及過勵磁特性直接相關，應按規定選取。電力系統運行方式直接影響電壓互感器接線方式，圖4.5為電力系統幾種運行方式。
（1）單相及三相不接地電壓互感器一般用來測量過壓、壓保護，當系統發生故障時，相間電壓不發生變化或不改變線端與中心點的電壓，系統故障所引起的工頻電壓升高對這兩種電壓互感器不產生影響。電壓互感器可能承受的最大工頻電壓升高（幅度一般不超過1.3倍額定電壓），是指發電機由於突然甩負荷而引起的飛轉或長線電容效應等導致工頻電壓升高。這種情況下如果鐵心過飽和，將會使二次繞組感應電勢含有較大的三次諧波分量，導致電壓波形失真。此類電壓互感器選擇電壓互感器額定磁感應強度時，需滿足：
①電壓互感器在兩個極限電壓運行時空載誤差相差較少。
（2）供中性點有效接地系統中單相接地電壓互感器用於測量及單相接地保護。電壓互感器一次繞組在系統相與地間，它除了承受工頻電壓升高外（幅度一般不超過1.3倍額定電壓），還要承受接地短路故障時的工頻過電壓（幅度一般不超過1.5倍額定電壓）。對於出現的這兩種瞬時過電壓，選擇電壓互感器額定磁感應強度時，需滿足：
①兩個極限電壓下測量用繞組的空載誤差差值不應過大。
②系統因工頻電壓升高電壓互感器鐵心不應過飽和。
③系統發生單相接地短路故障時電壓互感器鐵心不應過飽和。最後一點起決定性作用，這種電壓互感器選取額定磁感應強度時應不大於1T。
（3）供中性點非有效接地系統中單相電壓互感器和三相電壓感器，承受的過電壓也分兩種情況。工頻電壓升高（幅度一般不超過1.3倍額定電壓）和單相接地短路故障引起的工頻過電壓（幅度一般不超過1.9倍額定電壓）。第一種狀況過電壓是瞬時的，而第二種過電壓持續時間達數小時。此外，中性點非有效接地系統中電壓互感器可能會引起並聯鐵磁諧振，應鐵磁諧振要求，鐵心額定磁感應強度越小越好。選擇電壓互感器額定磁感應強度時，需滿足：
①兩個極限電壓下測量用繞組的空載誤差差值不應過大。
②系統因工頻電壓升高電壓互感器鐵心不應過飽和。
③系統發生單相接地短路故障時電壓互感器鐵心不應過飽和。
④電壓感器應有良好的過勵磁特性，儘量防止並聯鐵磁諧振發生。
後兩點起決定性作用，這種電壓互感器選取額定磁感應強度應不大於0.8T。
對於寬頻電壓互感器，我們選擇額定磁感應強度1T。
繞組匝間電勢的選擇
匝間電勢同樣作為一個選擇性很強的基本設計參數，直接跟電壓互感器的誤差性能和經濟指標相關。在電壓互感器額定磁感應強度已定的情況下，匝間電勢的取值越大鐵心截面就越大，矽鋼片用會越多，空載誤差變大，匝間電勢取值越小，繞組匝數越多，導線用量增多，繞組阻抗降加大，誤差變大。所以設計時應比較多種方案選取最佳匝間電勢值，表4.2為電壓互感器匝間電壓一般取值方法。此外，選擇匝間電勢還要使二次繞組為整數匝，這樣可以減少因非整數匝對電壓互感器造成的誤差。
對於寬頻電壓互感器，選擇阻間電壓0.462V，這樣便於二次側阻數為整數匝。
導線選擇及磁路參數
電壓互感器一次繞組不能完全根據溫升限值來選擇導線尺寸，因為額定負荷及極限輸出都比較小，而應多考慮導線的短路電流和機械強度。如果有性能良好的繞線設備，也可以選擇線徑更小的導線，但在二次短路時銅導線的電流密度不應大於160A/mm2。設計繞組時需考慮各種因素而設計繞組形狀，對於多層同心圓筒繞組的尺寸，應先選定每層阻數，再對導線層數及層間絕緣計算，然後完成繞組軸向和徑向尺寸計算，最後不斷調整得到合適尺寸。
