CN102053196A - 一种弓网电弧电压测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弓网电弧电压测试装置，该装置由并联阻容式分压器、隔离放大器、采集卡和计算机组成，其中并联阻容式分压器分别获得弓网离线时接触网的电位和受流受电弓滑板的电位，将上述两分压点的电位差动输入到隔离放大器进行隔离放大，数据采集卡从隔离放大器采集隔离放大输出的电压，并送入计算机，计算机对该电压进行处理即可得到弓网电弧电压。本发明抗干扰能力强，测试频带范围宽、相位差小，可准确的测量弓网电弧的电压。

Description

一种弓网电弧电压测试装置

技术领域

本发明涉及一种弓网电弧电压测试装置，属于电气化铁路系统测量技术领域。

背景技术

高速铁路是当今世界铁路发展的潮流，提升列车运行速度是世界各国不断追求的目标。然而，随着列车运行速度的提高，接触网导线的不平顺、接触网和受电弓弓头的振动、轨道的不平顺等多种因素造成的弓网(受电弓-接触网)离线现象愈来愈严重，弓网离线将会产生弓网电弧。弓网电弧将会烧蚀接触网导线和受电弓滑板、同时产生过电压和高频噪声，严重影响机车的行车安全。因此，需要对弓网电弧的电气参量进行测试，依据测试结果进而调整受电弓的跟随性或接触网参数，以抑制弓网电弧的危害，提高弓网受流质量，保障列车高速稳定运行。而弓网电弧电压是其重要的电气参量之一，对其进行精确、有效的测量是抑制弓网电弧危害、提高受流质量的基础。

传统测试电弧电压一般采用电压互感器或电阻分压器。其中，电压互感器是利用磁芯的电磁耦合原理实现信号的提取，该方法虽能够提取电弧电压的主体波形，但由于受测量仪器和现场环境的影响，存在如下缺陷：(1)受磁芯响应速度、绕组间漏磁通、分布电容等因素的影响，使得电压互感器的测量带宽较窄，而电弧电压信号的频谱分布范围较广(达几十甚至上百兆赫兹)，因此该方法会抑制电弧电压某些频段信号，不能全面反应电弧电压的特征；(2)在弓网燃弧的过程中会产生强烈的电磁辐射，测量现场电磁环境恶劣，而电压互感器多采用电磁耦合原理进行信号提取，辐射的干扰信号很容易通过电磁耦合迭加到输出信号上，使电弧电压波形失真。

电阻分压器各桥臂均采用电阻，可以有效的提高可系统的抗电磁干扰能力。但是，高频时，由于电阻分压器中分布电容、分布电感等因素的影响，使得其响应带宽受限，而且测量的电压与电弧电流之间会存在相位差，难以判断起弧点。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种弓网电弧电压测试装置，通过采用并联阻容式分压、差动输出的方式，有效的提高了系统的响应频带宽度、抑制了相位差，增强了系统的抗干扰能力。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种弓网电弧电压测试的装置，它由分压器、隔离放大器、数据采集卡和数据处理计算机组成，其特征在于分压器采用并联阻容式分压器，且连接成电桥结构，电桥第一桥臂的高压臂上端可通过备用受电弓连接至接触网导线，电桥第二桥臂的高压臂上端可连接至受流受电弓滑板，分压器的第一桥臂和第二桥臂的低压臂的下端连接至机车的接地碳刷，分压器的输出端连接至隔离放大器的输入端，隔离放大器的输出端连接至数据采集卡，数据采集卡连接至数据处理计算机。

上述并联阻容式分压器采用并联阻容式分压方式，且连接成电桥结构，其具体结构是：在桥式电路中(参见图1)，电阻R₁与电容C₁并联构成第一桥臂的高压臂，电阻R₃与电容C₃并联构成第一桥臂的低压臂，高压臂和低压臂串联构成阻容式分压器的第一桥臂；电阻R₂与电容C₂并联构成第二桥臂的高压臂，电阻R₄与电容C₄并联构成第二桥臂的低压臂，该高压臂和低压臂串联构成并联式阻容分压器的第二桥臂，上述第一桥臂和第二桥臂的低压臂共同连接至接地碳刷。

上述高压臂的电阻电容与低压臂的电阻电容须满足如下匹配关系：

R₁C₂＝R₂C₁    R₃C₄＝R₄C₃

并且第一桥臂的高压臂与低压臂的阻抗比和第二桥臂的高压臂和低压臂的阻抗比相同。

本发明的原理是：通过在电阻分压器的各桥臂的高压臂和低压臂分别并联与之相匹配的电容，构成并联阻容式分压器。由于匹配电容的容值远大于分布电容的容值，因此通过该装置可以有效抑制电阻的分布电容和分布电感，从而拓宽了系统的频带宽度，同时抑制输入输出信号的相位差。此外，本发明的并联阻容式分压器采用电桥结构，差动隔离输出的方式，可以有效抑制由于现场电磁辐射产生的共模干扰，提高系统的抗干扰能力。

附图说明

下面结合附图和实施例进一步说明本发明。

图1为本发明结构示意图

图2为本发明并联阻容式分压器的等效电路图

图3为本发明并联式阻容式分压器的幅频响应和相频响应曲线图

图4为传统电阻分压器的等效电路图

图5为传统电阻分压器的幅频响应和相频响应曲线图

具体实施方式

本发明弓网电弧电压测试装置的一个具体结构，如图1所示，它由并联式阻容分压器(1)、120MHz/1400V宽带线性隔离放大器(CIM1100)(6)、50MHz-12bit-8CH并行数据采集卡(PEM4712)(7)、数据处理计算机(8)组成；其具体连接关系为：分压器(1)第一桥臂(2)高压臂的上端a通过备用受电弓的滑板(4)连接至接触网导线(10)，第二桥臂(3)高压臂的上端b连接至受流受电弓的滑板(5)，分压器(1)的第一桥臂(2)低压臂和第二桥臂(3)低压臂的下端g连接至机车的接地碳刷(9)，分压器(1)的输出端连接至隔离放大器(6)的输入端，隔离放大器(6)的输出端连接至数据采集卡(7)，数据采集卡(7)连接至计算机(8)。

其中，分压器(1)采用并联阻容分压，并连接成电桥式结构，其具体结构是：电阻R₁与电容C₁并联构成第一桥臂(2)的高压臂，电阻R₃与电容C₃并联构成第一桥臂(2)的低压臂，高压臂和低压臂串联构成阻容式分压器(1)的第一桥臂(2)；电阻R₂与电容C₂并联构成第二桥臂(3)的高压臂，电阻R₄与电容C₄并联构成第二桥臂(3)的低压臂，该高压臂和低压臂串联构成并联式阻容分压器(1)的第二桥臂(3)，上述第一桥臂(2)和第二桥臂(3)的低压臂共同连接至接地碳刷(9)。其中高压臂的电阻电容与低压臂的电阻电容须满足如下匹配关系：

R₁C₂＝R₂C₁    R₃C₄＝R₄C₃

并且第一桥臂(2)的高压臂与低压臂的阻抗比和第二桥臂(3)的高压臂和低压臂的阻抗比相同。

本发明的测量过程如下，在机车运行过程中，将两个受电弓同时升起，阻容分压器(1)第一桥臂(2)高压臂的上端a通过备用受电弓滑板(4)连接到接触网导线(10)上(备用受电弓的主断路器断开)，以取得接触网的电位；第二桥臂(3)高压臂的上端b连接到受流受电弓滑板(5)，以取得受流受电弓滑板(5)的电位。当弓网离线时，接触网与受流受电弓滑板(5)之间产生电弧。并联阻容式分压器(1)第一桥臂(2)的分压点Va测得通过分压器衰减后的接触网电位，并联阻容式分压器(1)第二桥臂(3)的分压点Vc测得通过分压器衰减后的受流受电弓滑板(5)的电位，将上述两分压点的电位差动输入到隔离放大器(6)，隔离放大器(6)对信号进行隔离放大后，输入到数据采集卡(7)的输入端，数据采集卡(7)的输出端与计算机(8)相连，计算机(8)对数据采集卡(7)的数据进行处理(除以隔离放大器(6)的放大倍数，然后乘以并联阻容式分压器(1)的分压比)即可得到弓网电弧电压。与传统的电压互感器测量方法相比，本发明的测量方法直接测量电弧两端的电位，并采用电桥式结构，差动输出、隔离放大，有效的抑制了测量过程中的电磁干扰。

为了进一步说明本发明的优越性，将本发明的幅频、相频响应与传统的电阻分压测量装置的分压器进行了对比。

图4为传统电阻分压器的等效电路图，R₁和R₂为第一桥臂的高压臂和低压臂，R₃和R₄为第二桥臂的高压臂和低压臂；L₁、L₂、L₃和L₄分别为两桥臂的引线电感和电阻分布电感；C₁、C₂、C₃和C₄分别为高、低压臂的分布电容。该分压器第一桥臂的电阻值分别为R1＝10KΩ和R2＝10MΩ，它们的电感分量分别为L1＝48.6uH和L2＝97.3uH，分布电容分别为C1＝0.993pF和C2＝4.712pF；第二桥臂的电阻值R3＝10KΩ和R4＝10MΩ，它们的电感分量分别为L3＝47.52uH和L2＝100.02uH，分布电容分别为C1＝0.943pF和C2＝5.012pF。该分压器的幅频响应和相频响应计算过程如下：

设第一桥臂的高压臂和低压臂的阻抗分别为Z₁和Z₂，第二桥臂的高压臂和低压臂的阻抗分别为Z₃和Z₄，则Z₁＝Z₃，Z₂＝Z₄。第一桥臂的分压点为Va，第二桥臂的分压点为Vc，分压器的输出电压为U_o(jω)，两个输入端的电压分别为V_i1(jω)和V_i2(jω)，则

$\mathrm{Va}\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{Z_2}{Z_1+Z_2}{V}_{i1}\left(\mathrm{j\ω}\right)---\left(1\right)$

$\mathrm{Vc}\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{Z_4}{Z_3+Z_4}{V}_{i2}\left(\mathrm{j\ω}\right)---\left(2\right)$

$\mathrm{Vo}\left(\mathrm{j\ω}\right)=\mathrm{Va}\left(\mathrm{j\ω}\right)-\mathrm{Vc}\left(\mathrm{j\ω}\right)$

$=\frac{Z_2}{Z_1+Z_2}(V_{i1}\left(\mathrm{j\ω}\right)-V_{i2}\left(\mathrm{j\ω}\right))---\left(3\right)$

$=\frac{Z_2}{Z_1+Z_2}{V}_i\left(\mathrm{j\ω}\right)$

即分压器的传递函数为： $H\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{V_o\left(\mathrm{j\ω}\right)}{V_i\left(\mathrm{j\ω}\right)}=\frac{Z_2}{Z_1+Z_2}---\left(4\right)$

而 $Z_1=(R_1+\mathrm{j\ω}{L}_1)//\frac{1}{\mathrm{j\ω}{C}_1}$

<math><mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>j&amp;omega;</mi><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><msup><mi>&amp;omega;</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>L</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub><mo>+</mo><mi>j&amp;omega;</mi><msub><mi>R</mi><mn>1</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mo></mrow></mrow></math>

$Z_2=(R_2+\mathrm{j\&omega;}{L}_2)//\frac{1}{\mathrm{j\&omega;}{C}_2}$

<math><mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>j&amp;omega;</mi><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><msup><mi>&amp;omega;</mi><mn>2</mn></msup><msub><mi>L</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub><mo>+</mo><mi>j&amp;omega;</mi><msub><mi>R</mi><mn>2</mn></msub><msub><mi>C</mi><mn>2</mn></msub></mrow></mfrac></mo></mrow></mrow></math>

将式(5)和(6)带入(4)式得：

$H\left(\mathrm{j\&omega;}\right)=\frac{\frac{R_2+\mathrm{j\&omega;}{L}_2}{1-{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_2{C}_2+\mathrm{j\&omega;}{R}_2{C}_2}}{\frac{R_1+\mathrm{j\&omega;}{L}_1}{1-{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_1{C}_1+\mathrm{j\&omega;}{R}_1{C}_1}+\frac{R_2+\mathrm{j\&omega;}{L}_2}{1-{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_2{C}_2+\mathrm{j\&omega;}{R}_2{C}_2}}---\left(7\right)$

$=\frac{(R_2+\mathrm{j\&omega;}{L}_2)(1-{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_1{C}_1+\mathrm{j\&omega;}{R}_1{C}_1)}{(R_1+\mathrm{j\&omega;}{L}_1)(1-{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_2{C}_2+\mathrm{j\&omega;}{R}_2{C}_2)+(1-{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_1{C}_1+\mathrm{j\&omega;}{R}_1{C}_1)(R_2+\mathrm{j\&omega;}{L}_2)}$

代入各电阻、电感和电容的值，计算出该电阻分压器的幅频响应曲线(11)(图5)和相频响应曲线(12)(图5)。从图5的幅频响应曲线(11)可以看出，在增益衰减-3dB时的频率约为为3.5MHz；由相频响应曲线(12)可知，当频率大于48KHz时，其相位差超过1°。由上述计算结果可知，电阻分压测量方法的测量带宽较低，且存在相位差，不利于测量弓网电弧的电压。

本发明的测量方法采用并联阻容式分压，差动输出结构，其分压器的等效电路如图2所示，为了抑制分布参数对系统幅频响应和相频响应的影响，在电阻分压器的每个分压臂电阻上并联一个与之匹配的分压电容，该电容值远大于分布电容值。例如在电阻分压器第一桥臂的高压臂和低压臂并联的电容分别为C₅＝50pF和C₆＝50nF，第二桥臂的高压臂和低压臂并联的电容分别为C₇＝50pF和C₈＝50nF，则第一桥臂的高压臂和低压臂的阻抗Z₁′和Z₂′分别为：

${Z_1}^{\&prime;}=(R_1+\mathrm{j\&omega;}{L}_1)//\frac{1}{\mathrm{j\&omega;}{C}_1}//\frac{1}{\mathrm{j\&omega;}{C}_5}---\left(8\right)$

$=\frac{R_1+\mathrm{j\&omega;}{L}_1}{1-{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_1(C_1+C_5)+\mathrm{j\&omega;}{R}_1(C_1+C_5)}$

${Z_2}^{\&prime;}=(R_2+\mathrm{j\&omega;}{L}_2)//\frac{1}{\mathrm{j\&omega;}{C}_2}//\frac{1}{\mathrm{j\&omega;}{C}_6}---\left(9\right)$

$=\frac{R_2+\mathrm{j\&omega;}{L}_2}{1-{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_2(C_2+C_6)+\mathrm{j\&omega;}{R}_2(C_2+C_6)}$

令C₉＝C₁+C₅，C₁₀＝C₂+C₆

$H^{\&prime;}\left(\mathrm{j\&omega;}\right)=\frac{\frac{R_2+\mathrm{j\&omega;}{L}_2}{1-{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_2{C}_{10}+\mathrm{j\&omega;}{R}_2{C}_{10}}}{\frac{R_1+\mathrm{j\&omega;}{L}_1}{1-{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_1{C}_9+\mathrm{j\&omega;}{R}_1{C}_9}+\frac{R_2+\mathrm{j\&omega;}{L}_2}{1-{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_2{C}_{10}+\mathrm{j\&omega;}{R}_2{C}_{10}}}---\left(10\right)$

$=\frac{(R_2+\mathrm{j\&omega;L})(1-{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_1{C}_9+\mathrm{j\&omega;}{R}_1{C}_9)}{(R_1+\mathrm{j\&omega;}{L}_1)(1-{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_2{C}_{10}+\mathrm{j\&omega;}{R}_2{C}_{10})+(R_2+\mathrm{j\&omega;L})(1-{\mathrm{\&omega;}}^2{L}_1{C}_9+\mathrm{j\&omega;}{R}_1{C}_9)}$

代入各电阻、电感和电容的值，计算出该阻容分压器的幅频响应曲线(13)(图3)和相频响应曲线(14)(图3)。从图3的幅频相应曲线(13)可以看出，本发明的测量方装置的测量带宽为通频带，远远大于传统测试装置的测量带宽；由相频响应曲线(14)可以看出，本发明的测试装置几乎无相位差。显然，本发明的电弧电压测试装置优于传统的电弧电压测量装置。

Claims (3)

1.一种弓网电弧电压测试装置，它由分压器(1)、隔离放大器(6)、数据采集卡(7)和数据处理计算机(8)组成，其特征在于分压器(1)采用并联阻容式分压器，且连接成电桥结构，电桥第一桥臂(2)的高压臂上端(a)可通过备用受电弓滑板(4)连接至接触网导线(10)，电桥第二桥臂(3)的高压臂上端(b)可连接至受流受电弓滑板(5)，分压器的第一桥臂(2)和第二桥臂(3)的低压臂下端(g)连接至机车的接地碳刷(9)，分压器(1)的输出端连接至隔离放大器(6)的输入端，隔离放大器(6)的输出端连接至数据采集卡(7)，数据采集卡(7)连接至数据处理计算机(8)。

2.根据权利要求1所述的弓网电弧电压测试装置，其特征在于所述分压器(1)的桥式电路中，电阻R₁与电容C₁并联构成第一桥臂(2)的高压臂，电阻R₂与电容C₂并联构成第一桥臂(2)的低压臂，高压臂和低压臂串联构成阻容式分压器(1)的第一桥臂(2)；电阻R₃与电容C₃并联构成第二桥臂(3)的高压臂，电阻R₄与电容C₄并联构成第二桥臂(3)的低压臂，该高压臂和低压臂串联构成并联式阻容分压器(1)的第二桥臂(3)。

3.根据权利要求2所述的弓网电弧电压测试装置，其特征在于所述高压臂的电阻电容与低压臂的电阻电容须满足如下匹配关系：

R₁C₂＝R₂C₁  R₃C₄＝R₄C₃

并且第一桥臂(2)的高压臂与低压臂的阻抗比和第二桥臂(3)的高压臂和低压臂的阻抗比相同。

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