CN1169176C - 电动铁路车辆和特别用于这种车辆的供电机组 - Google Patents

Abstract

这个机组可以通过一个电力交换器(14)，特别是一个断路器，从一个能源(10)向一个负载，特别是一个变压器(8)供电，这个机组中有一个对因交换而产生的扰动进行衰减的铁氧体扰动衰减装置(16)。述及的衰减装置(16)是安装在能源(10)和交换装置(14)之间，这机组显著降低了扰动的强度。

Description

电动铁路车辆和特别用于这种车辆的供电机组

本发明在于装有一个供电机组的一种电动铁路车辆。

按照通常的方式，这样的电动车辆可以是一个火车头，亦可是一节车厢，它是由一个能供给交流电压的悬挂式电缆供电的。

本发明特别在于的这种车辆上装有如变压器这样的负载，还装有从悬挂式电缆对这种负载供电的供电机组。按照传统方式，这种供电机组中具有一个电力交换器，例如一个断路器，用来保护铁路车辆的高压交流电路。

因此，就有某些与这样的布置相连系的缺陷。实际上，考察电流的暂态过程，电流随时间的梯度太大。作为例子，在50Hz和25kV交流工作电压的情况下，约在5ns时间内生成300A的电流，这就生成了危险的冲击扰动，或者至少影响接近电子交换装置附近的设备的良好运行，例如车载控制电子装置的运行。

为了消除这些缺陷，本发明推荐实现一种装有供电机组的电动铁路车辆，这种供电机组仅引入很弱的电磁扰动，以保证装在车辆上的各种电力设备和电子设备的完好无损。

为此，本发明的一个目的在于提供一种电动铁路车辆，由悬挂式电缆供电，述及的车辆中有一个包括一变压器的负载，和一个通过一个包括一断路器的电力交换器从述及的悬挂式电缆对负载供电的供电机组，其特征在于在述及的供电机组中有一个对由闭合而产生的扰动进行衰减的铁氧体型扰动衰减装置，并装在悬挂式电缆和电力交换器之间。

这种对由于电力交换而引起的扰动的衰减装置是已知的，例如专利JP-A-1 086 425和JP-A-4 322 024，在这些文献中，这样的扰动衰减装置包括由铁氧体材料制成的圆柱形，置于电力交换器的下游的电线的外围，这个铁氧体圆柱形构成一个电感，其电感值随电流的频率的增大而增大。

由于在将悬挂式电缆和继电器连接起来的导体的附近有金属构件，这便在铁路车辆的车盖处形成寄生电容，处在交换器的上游，这便在这个上游的寄生电容与所谓的交换器间构成一个电磁波导，建立起一条传输线。

在将交换器接通时，便在这个装置的两个电极间施加一个电压，在这个装置上便有一个电弧。在某些情况下，特别是电力交换器是基于在真空泡(ampoule sous vide)的交换器时，这种电弧就特别不稳定，就在相应的再点火后经历多次中断。电弧的不稳定性相当于多次的断开接着再合上，这便生成了电磁扰动发生大的电流变化，易于生成灾害或影响在电力交换器附近的设备的良好的运行。

由于电动铁路车辆的电的频率、电流强度和电压，所以如在上面所提到的日本专利中的一样，将交换中所产生的铁氧体型扰动衰减装置都是用于其电阻部分，而非是电感部分。安装一个这样的扰动衰减装置就能够减少由于继电器闭合而生成的大的电流梯度 特别是将这种装置安装在交换器的上游时。这时，不是改变电流的振荡，而是通过减小

的值阻碍了电流的建立，而该dI/dT则对于生成振荡是非常敏感的。

根据本发明，不是寻求滤去交换器中所予计要生成的大的电流梯度 而是要通过影响在真空泡中的电弧的物理建立迫使交换器较慢地通断。

下面，仅仅作为示例，而不是进行限制，参照附图对本发明进行描述，附图是：

-图1为一原理图，示出根据本发明的电动铁路车辆，其中有一供电机组。

-图2是一侧视图，特别示出图1所示的供电机中的一些部件；

-图3是属于在图1和图2中示出的供电机组中的对由于交换而产生的扰动进行衰减的衰减装置；

-图4是图3所示的扰动衰减装置的部分纵剖图；

-图5是图1所示的电力交换器及其电力环境的实验室实验模拟示意图；而

-图6、7和8示出相对于图5所模拟的电力交换器来说的上游电压、下游电压以及电流的波形图，分别对应于没有装扰动衰减器、在电力交换器的下游装有扰动衰减器、在电力交换器的上游装有扰动衰减器。

图1示出一个电动铁路车辆，例如一个火车头，其整体用2标出，适于在与地6相连的轨道4上运行。

这个火车头2上装有一个车载变压器8，用悬挂式电缆10通过一个受电弓12供电。这个悬挂式电缆10构成一个能源，而这个变压器和火车头的电机(图中未画出)相连。

在这个悬挂式电缆10和这个变压器8之间有一个电力交换器14及对交换生成的扰动的衰减器16，所述的电力交换器14是一个断路器，而在后面将做更为详细的描述。真空泡式断路器是火车头的高压交流电的耦合和保护交换装置。述及的衰减器16是装在悬挂式电缆10和断路器14之间，即装在后者的上游。

火车头2车顶上的电器组，特别是在火车头顶盖上的设备间的连接电线都有寄生电容和寄生电感，构成RLC型电路，在断路器开断时就被激励。

在图1中，寄生电容分别用上游等效电容18和下游等效电容20示意性地示出，上下游的参照点为断路器14。

在图1中，寄生电感分别用上游连接线圈22和下游连接线圈24表示，上下游的参照点仍为断路器14。

插入衰减装置16可以和火车头的车顶构成一条车上游电容18和断路器14间以火车头工作频率的一条传输线。这条传输线不同于在电容18与断路器14之间的负载传输，这减少了真空放电的可能的电荷量，也减少了电流随时间的变化量。

火车头的车厢在图1中用LC等效电路画出，用标号26标出，表示火车头的金属结构的共振。

图2更为详细地示出了断路器14，这个断路器例如是按照ALSTOM TRANSPORT公司以ACB25-10标号商品化的断路器，

按照已知的方式，这个断路器是安装在火车头2的车顶上。

述及的断路器是座在底盘28上，其操纵是通过一个转动盘30进行的。由底盘28伸展开的避雷装置32和断路器14相连，所有这些部件都是传统的。

扰动衰减器16是安装在一个绝缘子34上，绝缘子34本身是压在底盘28上。这个扰动衰减器16是由环绕一个导电元件36构成的，在现在情况下，为一铜管，它有两个连接，分别是上游连接38和下游连接40。上游连接38是通过一些图中未画的装置和悬挂式电缆10连接，而下游接头40是通过一个多股电缆形的电连接42和前述的断路器14相连。

正如在图4中所特别显示的，述及的扰动衰减装置16有多个环状铁氧体元件44、46，在后面将对这些元件作更为详细的描述。这些元件44、46的全部都装在圆柱形的绝缘盒48内，圆柱体的整体在其两端用玻璃纤维、树脂或环氧树脂封起来。这个盒48是通过两个卡箍52固定在U形底座50上，而底座50本身是固定在绝缘子34的顶端。

如在图4中更为清楚的示出的那样，所有的铁氧体元件都是成对同轴地沿铜管36堆放的。每一对铁氧体元件是由一个放在铜管36外周的低频元件44和一个环状高频元件46构成，环状高频元件46的内环接近于低频元件44。

述及的盒48中装有十对分别高频和低频的铁氧体元件，而在图4中只将44、46和44A、46A这两对标了出来。

下面说明高频和低频铁氧体的概念。通常，铁氧体元件是用其相对磁导率来表征的，分别是实部μ’，虚部μ”。而μ”随着频率的增加而在称为截止频率处达到最大，根据传统，截止频率用f_c表示，然后随着频率增加而迅速下降。在本说明中，铁氧体元件44和44A都称为低频，是因为它们的截止频率都较称为高频的元件46、46A的截止频率为低。高频铁氧体的截止频率例如在5到20MHz之间，而低频铁本元件的截止频率在0.5到5MHz之间。

低频铁氧体元件例如由Thomson CSF-LCC公司标号B1-T-63000A商品化的元件，而高频铁氧体元件有如飞利浦元件公司T 107/65/253F4标号商品化的元件。

将一个机械保护片54插入相对的低频铁氧体和高频铁氧体44、46的表面之间，这样的保护片例如是用聚氨脂类的树脂制成，由LVA公司以DAMIVAL 13518AW00标号商品化的。还有一个片56，和片54类似，插在高频元件46的外围与盒48之间。

本发明可以实现前面叙述的目标。

事实上，为装备在铁路车辆上的供电机组安装上一个铁氧体型的扰动衰减装置，就能显著地衰减铁器车辆上的各种电力设备和电子设备所承受的扰动，当在将这个扰动衰减装置安装在电力交换器的上游时，其衰减作用就特别显著。

图5示出了在实验室所实现的实验原理图，这个实验图简单地产生了在图1所示的机车2的顶上发生的现象。

这个实验所用的断路器14是以工业结构所用的，这个断路器的等效电路的构成是由：两个寄生电容：上游的为14A，下游的为14B，分别为40PF和60PF；一个内电极电容14C，其电容值是可变的；以及两个连接线圈14D和14E，其电感值为0.4μH。

述及的断路器14是由直流电源58供电的，最大为20kV和1mA。负载电阻60的阻值为10MΩ，置于电源38和断路器14之间。图5的实验电路图中还取上游等效电容18的值为2nF，下游连接线圈24的值为25μH。

在62处测量断路器14的上游的瞬间电压，后面将这个电压称为“上游电压”，还在64处测量断路器下游的电压，或叫“下游电压”，最后在电感线圈24的下游66处测量电流。

电容18一旦充电之后，便将断路器14闭合。实验的第一阶段是没有将扰动衰减器连于交换器，相应的结果记在图6中，然后的实验是在将扰动衰减装置16按照图3和图4所描述的那样和断路器14连接。当将这个装置16装在断路器14的下游，这如在图5中虚线所示的那样，相应的结果画在图7中。图8对应于将干扰衰减器置于断路器14的上游时的实验结果，即根据本发明的，如在图5中点画线所示的那样的实验结果。

在图6至图8中，横坐标为时间，标度是20nS/格，纵坐标从上到下为：上游电压，在图6、7和8中分别用72A、72B和72C标出，然后是下游电压，在图6、7和8中用74A、74B和74C标出；最后是断路器内部的电流在图6、7和8中用76A、76B和76C标出。

上游电压72的标度为2000伏特/格，下游电压74的标度为1000伏特/格，而电流76的标度为4A/格。

参见图6可以看到，在接通之前电流76A为零，然后闭合断路器，产生一个不稳定的电弧，在此作用下电流76A在78处上升，这对应于上游电压72A和下游电流74A相应的上升沿80和82。然后电流的曲线非常不规则，即其值升而后降，直到在84处达到其初始值零，这使上游电压72A和下游电压74A在86处和88处都有大的变化，这是和电弧的相继的中止和再触发相联系的。

电流76A就表现为正弦形，这是和图5中的LC电路18、24的共振相连系的，然后在90处过度到初始值零，这使上游电压72A和下游电压74A在92处和94处有两个附加变化。

现在参见图7，看到曲线76B较图6中的曲线76A为规则。因此，可看到电流随时间的变化，特别是在96处，因为闭合断路器而使电流猛烈增加，这导致在98和100处上游电压72B和下游电压74B的上升沿。于是就有强的电流梯度和电压梯度，这便导致了对车载电子设备的干扰。

最后参看图8，这个图对应于扰动衰减装置16装在断路器14的上游，电流76C的曲线较在将这个干扰衰减装置16装在断路器14的下游时得到的曲线76B更为规则，只有相对于下游电压74C的上升沿102处依然显著。

比较图6至图8可以得出：使用扰动衰减装置16可以得到的电流76和上游电压72及下游电压74较没有衰减装置16时规则，特别是将装置16安装在断路器14的上游这种情况下。这有特别的好处，因为这可以减少车顶电路和火车头之间的共振。

使用多个铁氧体元件也是有好处的。事实上，这些铁氧体元件在电流增加时逐渐饱和。使用多个铁氧体元件，其磁导率μ”相加在一起，使得装有这些铁氧体元件的扰动消除装置具有满意的效力，即使大的电流值也如是。

将铁氧体元件分成对，其中每一对是由具有不同截止频率的元件构成的，这也是有好处的，这使得在闭合断路器时生成的所有频率得到最佳的扫描。事实上，随着频率的增加，首先是低频铁氧体元件起作用，然后是高频铁氧体元件对于高频起作用。

将环状铁氧体元件的一个堆砌到另一个里面，这样使用便使得扰动消除装置作为一个紧凑的整体，将高频铁氧体元件置于低频铁氧体元件的外围是有好处的，由于高频元件在相对弱的电流值时就得到饱和，而低频元件对于更大的电流值才饱和。按照这样的布局，高频元件布局在距中心导体有一定的距离，这就使得它承受到的磁场较小，这使得产生饱和的机会很小。

上面的描述是参照一个火车头做出的，而本发明还可用于各类电动铁路车辆，例如动力车厢、机动车辆或车厢。

Claims (6)

1.一种电动铁路车辆，由悬挂式电缆(10)供电，述及的车辆中有一个包括一变压器(8)的负载，和一个通过一个包括一断路器的电力交换器(14)从述及的悬挂式电缆(10)对负载供电的供电机组，其特征在于在述及的供电机组中有一个对由闭合而产生的扰动进行衰减的铁氧体型扰动衰减装置(16)，并装在悬挂式电缆(10)和电力交换器(14)之间。

2.根据权利要求1的车辆，其特征在于述及的扰动衰减装置(16)中有多个铁氧体元件(44、46、44A、46A)，环绕着连接上游的悬挂式电缆(10)和下游的电力交换器(14)之间的导电线(36)。

3.根据权利要求2的车辆，其特征在于述及的铁氧体元件都是成相继的对(44、46、44A、46A)沿轴向分布的，其中每一对中有一个高频铁氧体元件(46、46A)和与之相连系的低频铁氧体元件(44、44A)，高频铁氧体元件的截止频率要高于低频铁氧化元件的截止频率。

4.根据权利要求3的车辆，其特征在于述及的高频铁氧体元件(46、46A)的截止频率在5至20MHz之间，而述及的低频铁氧体元件(44、44A)的截止频率在0.5到5MHz之间。

5.根据权利要求3或4的车辆，其特征在于述及的扰动衰减器中具有的铁氧体元件(44，46；44A，46A)的对数在2到20对之间。

6.根据权利要求3或4的车辆，其特征在于每对铁氧体元件(44、46；44A、46A)中的两个都是环状的，且一个套在另一个里面，述及的高频铁氧体元件(46、46A)安放在低频铁氧体(44、44A)的外围。

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