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摘 要论述了一种专门针对交直交变频机车影响无线感应通信问题而研制的一种阻断杂波和载波信号的电力机车阻波器，结合纳米晶体软磁材料涂敷技术和阿基米德多层单螺旋绕法制成该阻波器的设计特点。
关键词接触网；电力机车阻波器；交直交电力机车；无线列调感应通信；400KHz载波信号
中图分类号TM文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)062-0193-02
随着电力电子技术的快速发展，大功率交直交变频电力机车已应用在铁路上，在变频过程中产生的大功率谐波，对400KHz感应通信设备造成无法使用，同时也对信号设备产生干扰。通过对交直交机车进行实地测量和观察，在400KHz通信频带内，就有大于100dB的干扰信号，而且干扰信号频率范围从10KHz到200MHz，峰值随着机车运行负载、速度的变化而变化。
根据上述现象，我们必须研制一种设备来解决阻断和滤除干扰源，而干扰源主要来自机车交直交的变频器。且工作环境为高压27.5Kv、电流400A，每台机车变频器的功率约为4500千瓦。
1国内外阻波器情况
目前，国内外阻波器一般使用在电力输电线路中阻止载波信号旁路损耗，这种阻波器结构为空心，挂于露天，使用在2KV到1000KV的电力输电线路上，阻抗为600Ω，阻塞频率40KHz到500KHz，最大额定电流1000A。查找能够符合上述机车供电技术要求下的阻波器最小体积为1.2米×0.8米，形状为圆柱型。
由于交直交电力机车的最大安装空间为Φ0.6米×0.5米，扣去绝缘瓷瓶的高度，即只有Φ0.6米×0.2米高的空间，只有不到最小体积的阻波器十分之一，如图1所示。
因此，在设计时必须考虑以下几个因素：
1）阻波器体积必须满足电力机车所能提供的安装空间要求和绝缘保证；
2）阻波器必须满足电力机车的额定工作电流和工作电压；
3）电力机车在运行时阻波器必须是低温升，且适合于各种气候条件下使用；
4）阻波器对400KHz载波信号呈现高阻抗，对于工频电流呈低阻抗；
5）保证电力机车的供电性能和安全可靠性。
2阻波器的设计
2.1阻波器的基本原理
图2、图3为阻波器的特性示意图及调谐电路，阻波器主要由强流线圈、调谐装置以及保护元件等组成。强流线圈采用工业高强度纱包紫铜扁线绕制而成。调谐装置由电容和电阻组成，并跨接于主线圈的两端。电容与主线圈形成LC谐振回路，通过调整调谐电路的参数来使阻波器工作在单频的载波频带上，对400KHz载波信号呈现高阻抗，对于工频电流呈低阻抗。
其阻塞阻抗计算公式为：
其中，fCR为中心频率，LtN为额定电感，△fCR为以阻塞阻抗为基础的频带。
其线圈电感量计算公式为：
其中，D为线圈直径（cm），l为线圈绕组长度（cm），N为线圈的匝数，μ为磁场介质的导磁率。
从上式我们可以看出，要满足阻波器阻塞阻抗的计算要求，必须增大主流圈的电感量来解决，但事实上这个方面的增加是不可行的。首先是制造大电感量的线圈是有很大的技术难度，随着电感量的增加主线圈的尺寸、重量和成本都要大幅度的增加。此外随着电感的增大，也带来保证调谐装置电气绝缘强度的困难。故IEC标准推荐主流圈额定电感在 0.2～2mH 范围内，而且绝大部分使用在lmH以内。由于阻波器是串联于电力机车供电的装置，故调谐电路不能采用通常电子产品为提高性能而增加电路复件性的途经解决。如果增加电路元件，从产品的抗电强度、可靠性、成本都是不允许的，阻波器产品的电气设计应遵循 “较为简单的电路，较少的元件器达到较好的阻塞性能和较宽的阻抗带宽。
图2
图3
在满足电力机车供电的技术要求下，既要阻波器的线圈体积小，又要保证电感量的情况下，只有加大μ值才能使电感量L增加，以保证阻波器阻塞阻抗的计算要求。经过反复试验和探索，并做了大量的了解和比较工作，从众多的模式中（如采用非晶微晶磁环、高μ磁棒、共模滤波法、纳米晶体软磁材料涂敷技术等方案）选择了最佳的方式—紫铜扁线和合金纳米晶体软磁材料涂敷技术结合阿基米德螺旋绕法，研制出电力机车阻波器。
由于合金纳米晶体软磁材料可以提高μ值，绕制而成的线圈通过工频电流时产生的涡流极小。根据线圈电感量计算公式，可知利用合金纳米晶体软磁材料涂敷技术可以减少线圈的匝数，从而很好地解决了电感量和体积的问题。为了抑制电力机车交直交的变频器产生的大功率干扰谐波，利用共模理论，采用阿基米德多层单螺旋绕法及设计共模结构的方法，从单侧上利用共模能量抵消原理，大幅度地削弱了谐波能量，通过试验测试电力机车变频器回馈到接触网的干扰杂音电平从100dB多降低到30dB多。整个阻波器的体积是传统电力系统阻波器体积的十分之一，性能更优于国内外同类产品。
2.2理论计算
阿基米德螺旋线圈的半径随角度的变化均匀增加：
r=r0+aΦ
式中，r0为起始半径，a为螺旋增长率，Φ为角度。螺旋增长率a为：
式中，f为线圈的谐振频率，根据空心线圈的电感量计算公式：
即
式中，l为线圈绕组的长度（cm），N为线圈的匝数，D为线圈的直径（cm）。所以，阿基米德螺旋线圈电感量的计算公式是：
2.3制作工艺
由于电力机车阻波器运行环境是在机车顶上，额定电压为27.5KV，额定工作电流400A，对结构、绝缘和温升都有很高的要求，在制作工艺和材料选择上，要充分考虑该阻波器特殊的运行环境和批量生产的工艺成熟性以及使用安全性的问题。
整个阻波器结构由强流线圈、上下底板、垫板、调谐装置、铜接线端子、瓷瓶、固定板以及一些相应尺寸的螺栓、螺母和垫片组成。强流线圈采用高强度纱包紫铜扁线，并利用纳米晶体软磁材料涂敷技术结合阿基米德螺旋绕法绕制而成。所有的线路接头采用氩弧电焊，提高了接触的可靠性。层间用酚醛树脂加玻璃钢纤维填充阻燃材料的绝缘板材，上下用高强度绝缘板材和四根无磁性螺杆夹持。每个阻波器单元共有四层，经绝缘浸渍，热固化处理，保证防潮和耐高压，以及良好的整体强度和灵活的可组性。调谐电路设计在绝缘棒内，采用密封式结构，保证良好的温度和频率特性。安装在机车上的瓷瓶采用铁路电力机车专用的标准高压瓷瓶，瓷瓶与阻波器连接以钢板缓冲，防止接触面粉化。
3试验结果
研制出的电力机车阻波器，在宝鸡机务段的进口交直交电力机车（DJ1型）上安装试验，试验的数据如表1。
经过试验证明，电力机车阻波器的加入，干扰信号电平降低了30dB以上，信噪比提高了40dB以上，使得400KHz无线列调感应通信的使用恢复正常，同时机车运行正常，达到设计使用要求。
4结论
研制的电力机车阻波器，谐振在350KHz-500KHz频段上，有效地阻止接触网上的400KHz载波信号被其它设备旁路吸收，对于电力机车自身产生的干扰向接触网传输，也起到了一定的阻止作用。同时阻波器也可以串联在接触网的供电引出线始端和分支线的分支点上，用于减少变电站或分支线时高频信号分流的影响。从而提高信噪比，提高400KHz感应通信设备的工作质量。
2007年在西安局新丰镇机务段DJ1型交直交电力机车上投入运行，经过夏季雷雨的考验，至今运行正常，证明了电力机车阻波器能够满足实际运行的要求。
参考文献
[1]GB/T7330—1998 交流电力系统阻波器.
[2]GB 311.1—1997 高压输变电设备的绝缘配合(neq IEC 71-1:1993).
[3]GB/T 16927—1997 高电压试验技术(eqv IEC 60).
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
关键词接触网；电力机车阻波器；交直交电力机车；无线列调感应通信；400KHz载波信号
中图分类号TM文献标识码A文章编号1673-9671-(2011)062-0193-02
随着电力电子技术的快速发展，大功率交直交变频电力机车已应用在铁路上，在变频过程中产生的大功率谐波，对400KHz感应通信设备造成无法使用，同时也对信号设备产生干扰。通过对交直交机车进行实地测量和观察，在400KHz通信频带内，就有大于100dB的干扰信号，而且干扰信号频率范围从10KHz到200MHz，峰值随着机车运行负载、速度的变化而变化。
根据上述现象，我们必须研制一种设备来解决阻断和滤除干扰源，而干扰源主要来自机车交直交的变频器。且工作环境为高压27.5Kv、电流400A，每台机车变频器的功率约为4500千瓦。
1国内外阻波器情况
目前，国内外阻波器一般使用在电力输电线路中阻止载波信号旁路损耗，这种阻波器结构为空心，挂于露天，使用在2KV到1000KV的电力输电线路上，阻抗为600Ω，阻塞频率40KHz到500KHz，最大额定电流1000A。查找能够符合上述机车供电技术要求下的阻波器最小体积为1.2米×0.8米，形状为圆柱型。
由于交直交电力机车的最大安装空间为Φ0.6米×0.5米，扣去绝缘瓷瓶的高度，即只有Φ0.6米×0.2米高的空间，只有不到最小体积的阻波器十分之一，如图1所示。
因此，在设计时必须考虑以下几个因素：
1）阻波器体积必须满足电力机车所能提供的安装空间要求和绝缘保证；
2）阻波器必须满足电力机车的额定工作电流和工作电压；
3）电力机车在运行时阻波器必须是低温升，且适合于各种气候条件下使用；
4）阻波器对400KHz载波信号呈现高阻抗，对于工频电流呈低阻抗；
5）保证电力机车的供电性能和安全可靠性。
2阻波器的设计
2.1阻波器的基本原理
图2、图3为阻波器的特性示意图及调谐电路，阻波器主要由强流线圈、调谐装置以及保护元件等组成。强流线圈采用工业高强度纱包紫铜扁线绕制而成。调谐装置由电容和电阻组成，并跨接于主线圈的两端。电容与主线圈形成LC谐振回路，通过调整调谐电路的参数来使阻波器工作在单频的载波频带上，对400KHz载波信号呈现高阻抗，对于工频电流呈低阻抗。
其阻塞阻抗计算公式为：
其中，fCR为中心频率，LtN为额定电感，△fCR为以阻塞阻抗为基础的频带。
其线圈电感量计算公式为：
其中，D为线圈直径（cm），l为线圈绕组长度（cm），N为线圈的匝数，μ为磁场介质的导磁率。
从上式我们可以看出，要满足阻波器阻塞阻抗的计算要求，必须增大主流圈的电感量来解决，但事实上这个方面的增加是不可行的。首先是制造大电感量的线圈是有很大的技术难度，随着电感量的增加主线圈的尺寸、重量和成本都要大幅度的增加。此外随着电感的增大，也带来保证调谐装置电气绝缘强度的困难。故IEC标准推荐主流圈额定电感在 0.2～2mH 范围内，而且绝大部分使用在lmH以内。由于阻波器是串联于电力机车供电的装置，故调谐电路不能采用通常电子产品为提高性能而增加电路复件性的途经解决。如果增加电路元件，从产品的抗电强度、可靠性、成本都是不允许的，阻波器产品的电气设计应遵循 “较为简单的电路，较少的元件器达到较好的阻塞性能和较宽的阻抗带宽。
图2
图3
在满足电力机车供电的技术要求下，既要阻波器的线圈体积小，又要保证电感量的情况下，只有加大μ值才能使电感量L增加，以保证阻波器阻塞阻抗的计算要求。经过反复试验和探索，并做了大量的了解和比较工作，从众多的模式中（如采用非晶微晶磁环、高μ磁棒、共模滤波法、纳米晶体软磁材料涂敷技术等方案）选择了最佳的方式—紫铜扁线和合金纳米晶体软磁材料涂敷技术结合阿基米德螺旋绕法，研制出电力机车阻波器。
由于合金纳米晶体软磁材料可以提高μ值，绕制而成的线圈通过工频电流时产生的涡流极小。根据线圈电感量计算公式，可知利用合金纳米晶体软磁材料涂敷技术可以减少线圈的匝数，从而很好地解决了电感量和体积的问题。为了抑制电力机车交直交的变频器产生的大功率干扰谐波，利用共模理论，采用阿基米德多层单螺旋绕法及设计共模结构的方法，从单侧上利用共模能量抵消原理，大幅度地削弱了谐波能量，通过试验测试电力机车变频器回馈到接触网的干扰杂音电平从100dB多降低到30dB多。整个阻波器的体积是传统电力系统阻波器体积的十分之一，性能更优于国内外同类产品。
2.2理论计算
阿基米德螺旋线圈的半径随角度的变化均匀增加：
r=r0+aΦ
式中，r0为起始半径，a为螺旋增长率，Φ为角度。螺旋增长率a为：
式中，f为线圈的谐振频率，根据空心线圈的电感量计算公式：
即
式中，l为线圈绕组的长度（cm），N为线圈的匝数，D为线圈的直径（cm）。所以，阿基米德螺旋线圈电感量的计算公式是：
2.3制作工艺
由于电力机车阻波器运行环境是在机车顶上，额定电压为27.5KV，额定工作电流400A，对结构、绝缘和温升都有很高的要求，在制作工艺和材料选择上，要充分考虑该阻波器特殊的运行环境和批量生产的工艺成熟性以及使用安全性的问题。
整个阻波器结构由强流线圈、上下底板、垫板、调谐装置、铜接线端子、瓷瓶、固定板以及一些相应尺寸的螺栓、螺母和垫片组成。强流线圈采用高强度纱包紫铜扁线，并利用纳米晶体软磁材料涂敷技术结合阿基米德螺旋绕法绕制而成。所有的线路接头采用氩弧电焊，提高了接触的可靠性。层间用酚醛树脂加玻璃钢纤维填充阻燃材料的绝缘板材，上下用高强度绝缘板材和四根无磁性螺杆夹持。每个阻波器单元共有四层，经绝缘浸渍，热固化处理，保证防潮和耐高压，以及良好的整体强度和灵活的可组性。调谐电路设计在绝缘棒内，采用密封式结构，保证良好的温度和频率特性。安装在机车上的瓷瓶采用铁路电力机车专用的标准高压瓷瓶，瓷瓶与阻波器连接以钢板缓冲，防止接触面粉化。
3试验结果
研制出的电力机车阻波器，在宝鸡机务段的进口交直交电力机车（DJ1型）上安装试验，试验的数据如表1。
经过试验证明，电力机车阻波器的加入，干扰信号电平降低了30dB以上，信噪比提高了40dB以上，使得400KHz无线列调感应通信的使用恢复正常，同时机车运行正常，达到设计使用要求。
4结论
研制的电力机车阻波器，谐振在350KHz-500KHz频段上，有效地阻止接触网上的400KHz载波信号被其它设备旁路吸收，对于电力机车自身产生的干扰向接触网传输，也起到了一定的阻止作用。同时阻波器也可以串联在接触网的供电引出线始端和分支线的分支点上，用于减少变电站或分支线时高频信号分流的影响。从而提高信噪比，提高400KHz感应通信设备的工作质量。
2007年在西安局新丰镇机务段DJ1型交直交电力机车上投入运行，经过夏季雷雨的考验，至今运行正常，证明了电力机车阻波器能够满足实际运行的要求。
参考文献
[1]GB/T7330—1998 交流电力系统阻波器.
[2]GB 311.1—1997 高压输变电设备的绝缘配合(neq IEC 71-1:1993).
[3]GB/T 16927—1997 高电压试验技术(eqv IEC 60).
注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文