自取能傳感器在牽引回流監測設備上的應用

趙 青，周啟斌，楊 博，楊 林

0 引言

電氣化鐵路高速發展，對牽引供電系統和信號系統的技術要求越來越高，但是牽引供電系統的回流過大和不平衡電流一直影響著信號設備的安全可靠性，軌道絕緣和信號設備絕緣被燒事件接連不斷。現階段，軌道、吸上線和接觸網回流線構成牽引回流的主要路徑，然而判斷牽引回流回路的通斷及回流的大小只能通過人工在天窗時間點進行測試，但回流的大小與列車位置、速度相關，因此需要實現實時在線監測。電氣化鐵路牽引供電回流在線監測設備的研制至關重要，但制約設備的瓶頸是設備自身的供電技術。

供電電源是回流監測設備正常工作的基本保障，但設備沿線路分布在野外，環境復雜，如果通過電纜實現外部電源供電，成本較高、施工困難，難以實現；其次監測設備需要小型化，通過電池供電，不但加大了設備的體積和重量，且更換電池前須對接觸網斷電；另外，回流在線監測設備應不間斷采集回流數據，要求設備在低能耗下能良好工作。本文研究一款在回流監測設備中應用的電感自取能電源。

目前，設備的本地供電方式有自取能線圈[1]、激光取能[2]、太陽能供電、高壓電容分壓取能[3]等方式，與這些供電方式相比，直接從回流電纜上感應取能的供電方式具有設備簡單、能量轉換效率高、應用靈活等優點。牽引回流監測終端設備需要小型化，便于安裝，并且可在牽引回流線路低電流的情況下順利啟動。依此要求，研究的自取能線圈采用小型、開合式（直接卡在牽引回流線路上，不需要斷電安裝）、新型軟磁合金材料。

1 自取能電源結構設計

牽引回流線路中的電流具有以下特點：電流普遍較小，一般維持在1～60 A；在列車通過時會有瞬時增大的趨勢；無列車通過時也會有小額的電流通過。因此自取能供電裝置應在回流線上流經的電流范圍內能夠穩定功率輸出，即使線路電流過大或短路時，依然能夠正常工作；在電流過小時，能依靠儲能單元保證監測終端設備正常工作。

自取能供電裝置由取能和儲能兩部分構成，如圖1 所示。自取能單元由感應式自取能線圈、沖擊保護模塊和整流模塊構成，本文重點介紹感應式自取能線圈。

圖1 自取能供電裝置的構成

感應式自取能是根據電磁感應的原理，當有變化的電流經過回流線時引起線圈電磁場的變化，從而感應自生成能源，因此線圈需有較強的磁場，而選擇合適的鐵心材料（電阻）可以消除極易存在的線圈磁飽和現象，從而提高自取能線圈的輸出功率。

2 自取能線圈的選取

2.1 自取能傳感器材料介紹

根據磁化的難易程度，鐵磁材料可以分為硬磁材料、軟磁材料。軟磁材料的矯頑力較低，易磁化至飽和，且飽和磁通密度大，但去掉外磁場后極易退磁，被廣泛用于電力領域，如制造電動機、變壓器、電感器等設備。常用的軟磁材料有鐵氧體、坡莫合金（鐵鎳合金）、鐵硅合金（硅鋼片）、非晶及微晶合金等[4]。

本文所述自取能線圈鐵心采用軟磁合金中的鐵鎳合金（鎳含量在35%～90%）。鐵鎳合金是應用非常廣泛的軟磁合金，通過適當的工藝可以有效控制其磁性能，使其具備很高的弱磁場導磁率。鐵鎳合金的飽和磁感應強度一般在0.6～1.0 T，奧斯特的矯頑力可以低至2‰、矩形系數接近1甚至0。鐵鎳合金為面心立方晶體結構，具有很好的塑性，可以加工成1 μm 的超薄帶及各種使用形態。

常用的軟磁鐵鎳合金有1J50、1J79、1J85 等型。1J50 具有較好的加工性能，飽和磁感應強度比硅鋼稍低，但磁導率比硅鋼高幾十倍，且鐵損比硅鋼低2 倍左右，適合用于較高頻率的變壓器；電阻率比硅鋼片高，空載電流小，適合用于100 W 以下的小型較高頻率變壓器。1J79 具有高的初始磁導率，綜合性能好，適用于弱磁場工作的各種變壓器、互感器、磁放大器、扼流圈鐵心等。1J85 的初始磁導率可達10 萬以上，磁感應強度可達1.6 T，磁滯損失很小，熱穩定性和可加工性好，非常適用于弱信號的低頻或高頻輸入輸出變壓器、共模電感及高精度、高靈敏度的電流互感器。本文選用1J85 感應線圈鐵心材料。

2.2 自取能傳感器的磁心形狀

本文研究的自取能線圈需要安裝在電氣化鐵路牽引回流線路上，不可能在已建的線路上斷開電纜安裝，所以閉合式線圈將限制自取能設備的應用。本文選擇開合式線圈，可以直接卡在回流線路的電纜上，并且可以帶電操作，方便安裝和維護。開合式磁心可以選擇環形或E 形。環形磁心泄漏磁通低，在共模噪聲濾波器中應用廣泛，本文選用圓環形取能磁心。環形磁心通過使用超薄帶形鐵鎳合金材料，在獨特的環形纏繞帶材的機器上進行緊密纏繞加工，然后通過切割機切割成兩個半環的開口形狀，以利于安裝；對磁心邊緣進行打磨，使其光滑平整，盡量減小間隙。

2.3 參數計算

2.3.1 線圈氣隙影響分析

選用圓環形取能磁心切割成兩個半環的開口形狀設計，直接卡在牽引回流線路中的電纜上，導致線圈氣隙的存在。自取能線圈結構如圖2 所示。

圖2 自取能線圈結構

設一次電流（載流導體中電流）為If，二次電流為I2，勵磁電流為I0，額定電流比為N，繞組電阻為R2，鐵心截面積為S，疊片系數為K，平均磁路長為L，空氣磁導率為μ0，鐵心相對磁導率為μr，兩端氣隙長度分別為d1、d2，氣隙和鐵心中的磁通密度為B，磁強度為H，則有

式中：f為一次電流的頻率。

式中：ωI為磁勢；Hk為某物質磁場強度；Lk為某物質磁路長度。

由于ωI= 1，得出勵磁電流計算式為

式中：H1鐵心磁場強度，H2為氣隙磁場強度。

從式（4）可以看出，μ0和μr決定了勵磁電流的大小，且μr>>μ0，因此氣隙對勵磁電流的影響較大[5]，故減少線圈氣隙可以降低勵磁電流的損失。

2.3.2 取能線圈磁心截面積計算

磁心截面積的計算較常用的方法是面積乘積法，即磁心橫截面積與線圈有效窗口面積的乘積：式中：AP為磁心截面積表征量，cm4；Ae為磁心橫截面積，cm2；Aw為磁心的窗口面積，cm2；P0為輸出功率，W；ΔB為磁通密度變化量，T，一般取0.2～0.3 T；fT為變壓器的工作頻率，Hz；K為結構系數，推挽正激電路K取0.014。

本文選擇的1J85 鐵鎳合金是一種高磁導率、高頻率低損耗材料，飽和磁感應強度大于0.78 T。電路工作頻率50 Hz，設計要求輸出功率達90 W，為獲得更好的適用性，磁通密度變化量計算時取0.2 T，根據式（5）計算得所需的磁心AP= 0.554 8 cm4。

牽引回流取能傳感器由于線徑和空間的原因，選取10 mm×10 mm 截面積參數。這樣開環磁心實際面積大于理論計算值，可滿足設計要求。

2.4 取能傳感器匝數確定及實驗

自取能線圈一次繞組為牽引回流線路，匝數為N1（N1= 1）；二次繞組與輸出電路模塊連接，匝數為N2；一次側電流為I1，二次側電流為I2，勵磁電流為I0。根據電磁感應原理可知：

根據法拉第電磁感應定律，計算二次側電壓e2：

式中：S為磁通所穿過的面積；φm為勵磁產生的磁通（與平衡二次側線圈感應的磁動勢大小相等，方向相反）；KP為疊片系數。可以看出，因為二次電壓e2恒定，鐵心的磁場強度和磁感應密度與二次側線圈的匝數有關。當一次側電流固定時，線圈二次側的匝數越多，對應的磁場強度反而越小，鐵心越不容易飽和，二次側感應電流越小，取能線圈輸出的功率也越小[6]。

本次設計了兩款磁心。磁心材料均為鐵鎳合金，磁心截面積分別為10 mm×10 mm（以下稱為1010磁心）和10 mm×20 mm（以下稱為1020 磁心）。

分別選用1010 和1020 兩種磁心，通過如圖3所示的電氣測試電路進行測試，尋求最優匝數，保證取能線圈工作在非飽和區域時輸出的功率最大。

圖3 測試電路示意圖

典型測試條件：磁心材料為鐵鎳合金，磁心的繞線線徑為0.44 mm，T常溫= 25 ℃。

圖4 所示為不同磁心取能傳感器在不同繞線匝數下取能能力參數測試結果曲線。

圖4 取能磁心取電能力測試曲線

經測試，1020 磁心取能傳感器在500 Ω負載電阻下，取最大功率繞線匝數為320 匝，1020 取能傳感器在1 000 Ω負載電阻下，取最大功率繞線匝數為450 匝。本次設計選取負載500 Ω，繞線匝數320 匝為取能傳感器繞線匝數。

2.5 生產工藝要求

自取能傳感器生產過程包括參數設計、卷帶成型、退火、固化成型、切割、剖面處理、繞線、高低溫測試。每一步流程需有嚴格要求，否則將影響線圈的性能質量。例如退火處理時需根據1J85 鐵鎳合金的特性設計退火曲線，具體性能見表1～表3。將表面噴涂了絕緣樹脂的鐵鎳合金環以中心線為基準切割成兩個半環，切割過程中切割斷面不能有起層開裂等現象，將切好的兩個鐵鎳合金半環斷面進行研磨處理，以達到更好的取能效果。

表1 1J85 鐵鎳合金化學成分 wt%

表2 1J85 鐵鎳合金物理性能

表3 1J85 鐵鎳合金力學性能

對本文設計的自取能傳感器進行溫度性能和鹽霧性能實驗，實驗所得數據如圖5、圖6 所示。

圖5 自取能傳感器溫度實驗結果

圖6 鹽霧實驗結果

從圖5 可以看出，取能傳感器并聯電阻500 Ω和電阻1 kΩ的測試曲線與空載時的測試曲線相比，取能線圈輸出的電壓值有所降低，但是接入負載后電源的輸出電壓曲線更加平穩，尤其負載為500 Ω時最平滑，滿足本文選取負載500 Ω的設計目的。同時驗證了取能線圈在-40～90 ℃高低溫實驗時能保持良好的性能。

對自取能傳感器進行鹽霧實驗后，分別并聯電阻500 Ω和電阻1 kΩ進行電壓輸出測試，電壓測試曲線平穩，鐵鎳合金制成的自取能傳感器具有良好的抗鹽霧腐蝕能力。

3 結語

本文設計的感應式自取能電源線圈采用圓環開合式設計，便于安裝，并考慮了氣隙對取能電源輸出功率的影響，通過嚴格的生產工藝盡量減少氣隙；通過理論計算和電氣實驗確定了取能線圈的參數，并驗證了取能質量。

該自取能電源已在電氣化鐵路牽引回流在線監測終端設備上使用，監測終端設備主要由中控電路板、超級電容、測量用傳感器和本文設計的自取能線圈組成，線圈和測量用傳感器采用開合設計，便于施工安裝。當牽引回流線路電流不小于4 A 時，自取能裝置可正常為監測終端設備供電，同時給超級電容充電；當牽引回流線路電流過低時，通過超級電容給監測設備供電。目前裝有本文設計的自取能裝置的吸上線電流監測設備已經在朔黃鐵路上試應用，依靠感應牽引回流線路中的電流產生電能供給監測設備，截至目前，監測設備運行穩定。