[科普中国]-动车组车载宽频电压互感器

背景

行车安全是铁路的永恒主题，铁路提速后对现代车辆的安全性提出了更加严格的要求，过去那种主要依靠司机与检修人员的经验和直觉对车辆运行参数进行简单判断的做法已经不能适应现代铁路运输对“安全、高效”的要求。车辆运行过程中的不准确的参数记录会给车辆的运行安全带来隐患同时也给检修带来困难。铁路系统要实现车辆的智能化，其首要任务是实时检测车辆的运行状态并能将检测到的数据发送给计算机系统，这样计算机系统必能做出有据可依的判断。建设资源节约型、环境友好型社会是实现可持续发展的重大战略任务1。

国内对新型软磁材料的研究不断深入，目的就是节约能源和原材料、增大一次成型率。现在已经批量生产多种软磁材料，而超微晶材料以其优良的性能在互感器行业得到了较为广泛的应用。对于传统电压互感器，首先是铁心材料精度不够。传统电压互感器采用硅钢片材料，初始磁导率太低，难以满足测量精度的需要。同时动车组牵引电机运行在较宽频率内，高频段的铁耗不可忽略，传统互感器精度难以保证。只有从铁心材料上改进才能提高电压互感器性能，根据相关数据，超微晶合金材料的初始磁导率能达到硅钢片的几十倍到上百倍，最大磁导率是硅钢片的几十倍。相比下，超微晶合金材料能充分满足精度的需要。同时随着计算机控制技术的发展，如何把测得的电压信号交予计算机且进行参数分析，是目前研究的热点和难点2。

电压互感器原理和作用电压互感器是将高电压按比例关系变换成或更低等级标准电压的特种变压器。一般电压互感器分为测量级和保护级，基本结构为：一次线圈、二次线圈分别绕在铁心上，铁心与线圈之间以及两个线圈之间保持绝缘隔离，接线如图。其一次绕组与电力系统的线路并联，二次绕组连接测量装置、继电保护装置等。电压互感器的一次与二次侧进行有效隔离以防止高低压侧直接的电联系，同时低压二次侧需安全接地以保护人身与二次电力设备的安全。电力系统中用到的电压互感器，除了上述结构外，还包括一个零序电压线圈，与继电器相连接。当系统出现単相接地故障时，此线圈产生的零序电压能够使继电器动作，从而切断故障线路以保护电力设备。两类电压互感器与各种装置配合分别完成电的测量和对故障的保护控制，电力系统的安全、稳定与与电压互感器可靠性和准确度关系密切。

电压互感器从原理上讲就是一种特种变压器，下面的基本理论主要是针对电压互感器的，从本质上讲是变压器理论的部分。电压互感器的正常工作状态接近于变压器的开路状态，相当于空载。图2.2是具有两个线圈的单相电压互感器结构示意图，图2.3是电压互感器的电路图。通常电压互感器线圈是由很多线圈串并联组成的，称为绕组。工作时，连接电源的绕组叫做一次绕组，连接负载的绕组叫做二次绕组。两个绕组都绕在铁心上以加强他们之间的磁耦合。

宽频电压互感器原理设计电压互感器设计既要考虑铁心不能饱和又要满足精度的需要，影响铁心饱和的因素就是磁感应强度的取值，精度主要由铁心材料决定。对电压互感器铁心材料进行选取，同时针对动车组牵引电机的额定参数进行计算，使动车组专用的宽频电压互感器，既能满足动车组牵引系统的特殊性，它同时又是一种节能型低功率电压互感器，充分利用超微晶合金的优良性能，保证损耗小同时实现低功率输出。

节能型低功率电压互感器的提出

目前的电压互感器需要长期挂网的，随着时间的增长这类电器设备的功率消耗，是电网中一部分能量损失。从全国乃至世界范围内来看，互感器设备的用量巨大，其耗电将是一个很大的数，在全世界都在努力关注构建设节约节能型社会的今天，这是一个不容忽视的问题。

电子式电压互感器用于高电压等级时才具有经济性和优势，且与电压等级成正比，因为只有在高电等级的互感器上，绝缘复杂、体积大、CT饱和、造价高等缺点才表现显著。因此不应在电力系统各电压等级都盲目地推广和使用电子式互感器。在低电压等级，特别是对于35kV以下，釆用电子式互感器是不必要和不经济的，而适时釆用低功率互感器是一个既现实又经济方案。低功率互感器一般选用高磁导率的铁心材料，这样能充分保证电压互感器的精度3。

由于动车组变流器输出电压不高，采用电子式互感器会使成本过高，采用普通的高精度的电磁式互感器就可以满足要求。现在电力系统不断向着数字化、小型化和自动化的方向发展，对于车用电压互感器可以尝试输出更小的电压，能便于计算机处理，因此可以采用小功率电压互感器。小功率电压互感器具有电磁式互感器的结构和输出低电的能力，是一种节能中压电压互感器，非常适合于车用状况，输出信号经简单转换就能连接计算机。对于本互感器，额定二次电压为。实现小功率是一项重要内容，保证二次侧匝数较少，增加一次侧匝数，使电压互感器输出较小的电压，但误差可能会有所增大。同时为了限值误差，在铁心材料上采用超微晶合金。这样既实现低功率又实现二次侧小电压输出，同时如果保持磁感应强度变，还可缩小一定的截面积。

电压互感器铁心材料其对二次电压误差影响主要包括铁心尺寸（截面Ac和磁路长度lc）和铁心材质（磁导率和损耗角）等因素。铁心磁导率越大，电压互感器精度越高；铁心平均磁路长度越大，电压互感器精度越低。因此为了减少电压互感器的误差，材料上选用高磁导率的超微晶合金铁心，并且对铁心尺寸大小和二次绕组的线径进行优以化减少二次绕组内阻和平均磁路长度。由于电压互感器采用超微晶合金，及输出电压小的特点，本实用新型电压互感器在功耗上能做到以前电压互感器的几十分之一，产品重量和体积较以前电压互感器小，测量精度至少提高一个等级。其具有灵敏性高、性能稳定、便于集成和易于工业批量生产等优点，是电压互感器研究的一个新方向。其二次负荷较小加上高磁导率铁心材料的使用，可以对大动态范围的电压进行测量。所有这些使得该电压互感器具有非常广阔的应用前景并能产生较大的经济和社会效益。

对于动车组牵引电机测量系统，本电压互感器测量系统基本部分包括：电压互感器转换部分、输出信号转换和计算机处理部分，如图4.1。PWM波须经滤波电路变为正弦波，其滤波电路有专用设备。图4.2为测量系统结构图。总结起来，节能体现在两方面：一是铁心材料，超微晶合金材料的磁导率高于一般娃钢片几十倍，所以截面积不用设计太大，就能保证测量的精度；二是小电压输出，然后经取片机处理，软件代替了一部分硬件，比传统的大量的模拟电路测量能耗小2。

宽频电压互感器铁心造型

作为一种软磁材料，我们希望它有较高的饱和磁感应强度高静态特性高的初始磁导率、高的最大磁导率低的剩磁、低的矫顽力，或者磁场较大范围内具有稳定的磁导率和较高的品质因数值、良好的动态磁特性低的高频损耗、高的有效磁导率、高的电阻率等。从使用方面来说，它还应该具有工艺流程简单、使用稳定性好，价格合理的特点。没有一种软磁材料能满足上面所有要求，但超微晶合金具有工艺、性能及价格的综合优势4。

在互感器设计制造中采取的减少其测量误差主要方式有：适当增加线圈安匝数，减小绕组内阻抗，缩短有效磁路长度。其中最有效地减小误差的方式就是选择高磁导率的材料制造铁心，电压互感器铁心采用的软磁材料有三种：硅钢片、坡莫合金及超微晶合金。目前来讲，用量最大的铁芯材料是冷轧硅钢片，其次是超微晶合金及坡莫合金，主要用于生产制造高精度等级的互感器。设计如果变比小、线圈安匝数较少，或容积要求严格的情况下，采用冷轧硅钢片往往不能达到测量精度的要求5。

车用宽频电压互感器设计上需考虑的关键因素：避免互感器饱和，即饱和磁感应强度不应该过大；电压互感器二次侧输出电压不能过大，不利于计算机的处理；因频率增加造成的铁损耗加大不能忽略。表4.1为电压互感器常用铁心材料的参数比较，首先从饱和磁感应强度来看，超微晶合金和硅钢片的取值较大，不易饱和，能够满足我们的需要。其次，从初始磁导率和最大磁导率来看，超微晶合金和坡莫合金明显优于硅钢合金，铁损耗可忽略。根据相关数据，超微晶合金材料的初始磁导率能达到硅钢片的几十倍到上百倍，最大磁导率是硅钢片的几十倍如果采用硅钢片，频率增大引起铁损耗过大，不能保证精度，而采用超微晶合金铁损耗基本可以忽略。

宽频电压互感器基本参数计算电压互感器计算依据是：额定一、二次电压，二次绕组准确级及极限输出、额定频率，绝缘水平。如果有剩余电压绕组，还要根据剩余电压绕组额定参数进行汁算。动车组牵引电机额定电压为1287V，额定频率为92Hz，电压互感器二次侧额定电压为，进而进行各参数的选择和计算。图4.3电压互感器立体图，图4.4为单相三柱式电压互感器示意图。

铁心额定磁感应强度选择

额定磁感应强度是设计电压互感器的基本参数，它选择性很强，不同种类的电压互感器的额定磁感应强度值有较大差别。对于设计电压互感器产品，首先要解决的是选择合适的额定磁感应强度。额定磁感应强度与电压互感器误差及过励磁特性直接相关，应按规定选取。电力系统运行方式直接影响电压互感器接线方式，图4.5为电力系统几种运行方式6。

（1）单相及三相不接地电压互感器一般用来测量过压、压保护，当系统发生故障时，相间电压不发生变化或不改变线端与中心点的电压，系统故障所引起的工频电压升高对这两种电压互感器不产生影响。电压互感器可能承受的最大工频电压升高（幅度一般不超过1.3倍额定电压），是指发电机由于突然甩负荷而引起的飞转或长线电容效应等导致工频电压升高。这种情况下如果铁心过饱和，将会使二次绕组感应电势含有较大的三次谐波分量，导致电压波形失真。此类电压互感器选择电压互感器额定磁感应强度时，需满足：

①电压互感器在两个极限电压运行时空载误差相差较少。

②系统因突发状况引起工频电压升高时，电压互感器铁心不应过饱和。这种电压互感器额定磁感应强度的选取应不大于1.2T。

（2）供中性点有效接地系统中单相接地电压互感器用于测量及单相接地保护。电压互感器一次绕组在系统相与地间，它除了承受工频电压升高外（幅度一般不超过1.3倍额定电压），还要承受接地短路故障时的工频过电压（幅度一般不超过1.5倍额定电压）。对于出现的这两种瞬时过电压，选择电压互感器额定磁感应强度时，需满足：

①两个极限电压下测量用绕组的空载误差差值不应过大。

②系统因工频电压升高电压互感器铁心不应过饱和。

③系统发生单相接地短路故障时电压互感器铁心不应过饱和。最后一点起决定性作用，这种电压互感器选取额定磁感应强度时应不大于1T。

（3）供中性点非有效接地系统中单相电压互感器和三相电压感器，承受的过电压也分两种情况。工频电压升高（幅度一般不超过1.3倍额定电压）和单相接地短路故障引起的工频过电压（幅度一般不超过1.9倍额定电压）。第一种状况过电压是瞬时的，而第二种过电压持续时间达数小时。此外，中性点非有效接地系统中电压互感器可能会引起并联铁磁谐振，应铁磁谐振要求，铁心额定磁感应强度越小越好。选择电压互感器额定磁感应强度时，需满足：

①两个极限电压下测量用绕组的空载误差差值不应过大。

②系统因工频电压升高电压互感器铁心不应过饱和。

③系统发生单相接地短路故障时电压互感器铁心不应过饱和。

④电压感器应有良好的过励磁特性，尽量防止并联铁磁谐振发生。

后两点起决定性作用，这种电压互感器选取额定磁感应强度应不大于0.8T。

需要注意，三相铁心如果不对称，励磁特性就会不相同，不利于防止铁磁谐振。所以，三相铁心不对称的三相接地电压互感器，应适当降低额定磁感应强度，选取额定磁感应强度应不大于0.7T。

对于宽频电压互感器，我们选择额定磁感应强度1T。

绕组匝间电势的选择

匝间电势同样作为一个选择性很强的基本设计参数，直接跟电压互感器的误差性能和经济指标相关。在电压互感器额定磁感应强度已定的情况下，匝间电势的取值越大铁心截面就越大，硅钢片用会越多，空载误差变大，匝间电势取值越小，绕组匝数越多，导线用量增多，绕组阻抗降加大，误差变大。所以设计时应比较多种方案选取最佳匝间电势值，表4.2为电压互感器匝间电压一般取值方法。此外，选择匝间电势还要使二次绕组为整数匝，这样可以减少因非整数匝对电压互感器造成的误差。

对于宽频电压互感器，选择阻间电压0.462V，这样便于二次侧阻数为整数匝。

导线选择及磁路参数

电压互感器一次绕组不能完全根据温升限值来选择导线尺寸，因为额定负荷及极限输出都比较小，而应多考虑导线的短路电流和机械强度。如果有性能良好的绕线设备，也可以选择线径更小的导线，但在二次短路时铜导线的电流密度不应大于160A/mm2。设计绕组时需考虑各种因素而设计绕组形状，对于多层同心圆筒绕组的尺寸，应先选定每层阻数，再对导线层数及层间绝缘计算，然后完成绕组轴向和径向尺寸计算，最后不断调整得到合适尺寸7。