呂大梅
(固安北信鐵路信號有限公司,河北廊坊 065500)
25 Hz 相敏軌道電路是我國鐵路電氣化區(qū)段的主要制式,扼流變壓器作為軌道電路的重要組成部分,廣泛應(yīng)用于軌道電路的發(fā)送端和接收端、或需要連通牽引電流的處所,起到導(dǎo)通和平衡牽引電流的作用。由于扼流變壓器的重要性,對它的電氣性能測試的準確度就顯得尤為重要。
25 Hz 相敏軌道電路用扼流變壓器主要分為BE系列扼流變壓器和BES 系列扼流變壓器,對于它們的阻抗測試方法,本文提出平衡電壓法測試和不平衡電壓法測試,對BE 系列扼流變壓器和BES 系列扼流變壓器分別進行理論計算和分析對比。盡管造成的偏差存在一定局限性,但也足以引起關(guān)注和重視。
1)平衡電壓法
對于BE 型和BES 型扼流變壓器,阻抗的測試電路為同一測試電路,如圖1 所示,此測試電路引用國家鐵路局發(fā)布的標準鐵路信號用變壓器 第七部分:BE 系列扼流變壓器(TB/T1869.7-2016 )中5.5.1試驗電路 圖7 牽引線圈未經(jīng)磁化阻抗試驗電路。
圖1 牽引線圈未經(jīng)磁化阻抗試驗電路Fig.1 Impedance test circuits with unmagnetized traction coil
在圖1 所示測試電路中,R為變阻器,BE 為被測扼流變壓器。所謂平衡電壓法,即當(dāng)扼流變壓器按給定的測試條件通電時,需使R變阻器和BE 扼流變壓器上所分得的電壓盡量接近或相等,對于扼流變壓器阻抗值來說,即使R變阻器的阻值盡量接近扼流變壓器的阻抗值。
2)不平衡電壓法
通過平衡電壓法的介紹,不平衡電壓法即可理解為,當(dāng)扼流變壓器按給定的測試條件通電時,無需使R變阻器和BE 扼流變壓器上所分得的電壓盡量接近或相等,即無需使R變阻器的阻值盡量接近扼流變壓器的阻抗值。但平衡電壓法是絕對的,而不平衡電壓法是相對的,R變阻器的阻值是不確定的,而在此涉及的測試,選定R變阻器與BE 扼流變壓器的比值為1:10,并通過分析,可以確定此設(shè)定值為最佳測試狀態(tài)。
為使分析對比更加直觀明確,下面按BES 系列扼流變壓器和BE 系列扼流變壓器進行分類,分別對其應(yīng)用平衡電壓法和不平衡電壓法進行對比分析。
對于BES 型扼流變壓器,其阻抗值為0.218 Ω(±5%),根據(jù)平衡電壓法和不平衡電壓法的設(shè)定要求,變阻器R在不同測試方法的設(shè)定值如下:
平衡電壓法R=0.2 Ω,為了方便計算,變阻器R阻值接近于扼流變壓器阻抗值。
不平衡電壓法R=2.0 Ω,變阻器R阻值是扼流變壓器阻值的10 倍左右。
結(jié)合圖1 測試電路,從直觀上看,平衡電壓法的效果是在整個測試電路中,扼流變壓器和變阻器R對總輸出電壓的分壓大致相等。這樣取值后,電壓表的示值在同一個數(shù)量級,就避免了電壓表不在同一個數(shù)量級而造成誤差,使電壓表讀數(shù)時的誤差降到最低,即在理論認知中的思維模式。
對比看來,不平衡電壓法使扼流變壓器和變阻器的分壓呈現(xiàn)1:10 的關(guān)系,電壓表的示值相差一個數(shù)量級。
直觀上,都會選取平衡電壓法,下面通過計算和數(shù)據(jù)分析,看哪種測試方法對扼流變壓器造成的偏差更小。
在上面的測試過程中,首先用電壓表測得U1和UR,讀取電壓表的示值,然后根據(jù)公式(1):
計算得出被測扼流變壓器阻抗Z。
在平衡電壓法測試條件下,對電壓表的測試誤差可以忽略不計,因為電壓表在同等數(shù)量級下進行測試。
在不平衡電壓法測試條件下,U1的示值為1 V,UR的示值為9.174 V,則根據(jù)公式(1)可得:
在這個過程中,如果由于電壓表不在同一個數(shù)量級,那么,按照電壓表的精度等級,它的精度能夠達到10-3,即最不利是U的示值偏差0.001 V,那么,重新代入公式(1)得:
如果假定Z=0.218 Ω 為真值,那么,由于電壓表造成的絕對誤差為0.000 2 Ω。
在上面的分析過程中,盡可能的減小了電壓表帶來的誤差,但其實忽略了變阻器R帶來的誤差。變阻器R的誤差并不在測試過程中,而是在測試之前,因為變阻器R的阻值一般是用LCR 測試儀測試得出,測試儀的精度一般在10-3。那么,在不考慮電壓表測試誤差的情況下,再來分析R帶來的誤差。
在平衡電壓法中,U1的示值為1 V,UR的示值為0.917 4 V,根據(jù)公式(1)可得:
如果變阻器R的測試偏差在0.001 Ω,則根據(jù)公式(1)可得:
如果假定Z=0.218 Ω 為真值,那么,造成的絕對誤差為0.001 1 Ω。
在不平衡電壓法中,UR的示值為1 V,R的示值為9.174 V,根據(jù)公式(1)得:
如果變阻器R的測試偏差在0.001 Ω,則根據(jù)公式(1)得:
如果假定Z=0.218 Ω 為真值,那么,造成的絕對誤差為0.000 1 Ω。
明顯可以看出,上面兩種測試方法造成的絕對誤差相差10 倍。在變阻器R的取值上,由于變阻器R的取值在允許范圍內(nèi)的誤差造成了扼流變壓器阻抗值Z的變化,相對誤差相差10 倍,相較于考慮降低電壓表造成的誤差,變阻器R的取值就顯得尤為重要。
另外,上面提到Z的阻值要求的上下浮動為5%,即阻值范圍為0.207 8~0.228 Ω,那么平衡電壓法造成的后果相當(dāng)于對Z 的浮動范圍縮小了1/10;而不平衡電壓法,對Z的浮動范圍縮小了1/100。這在另一方面體現(xiàn)R的取值對Z 的影響。
因此,在BES 型扼流變壓器阻抗測試過程中,可以得出,不平衡電壓法測試更優(yōu)于平衡電壓法測試。
BE 型扼流變壓器的阻抗范圍約在0.8~1.2 Ω范圍內(nèi),為了方便計算,假定它的阻抗是1 Ω。根據(jù)平衡電壓法和不平衡電壓法的設(shè)定要求:平衡電壓法R=1 Ω 變阻器R阻值與扼流變壓器阻抗值相等;不平衡電壓法R=10 Ω 變阻器R阻值是扼流變壓器阻值的10 倍。
在平衡電壓法條件下,同樣,對電壓表的測試誤差忽略不計,因為電壓表在同等數(shù)量級下進行測試;在不平衡電壓法條件下,U1的示值為1 V,UR的示值為10 V,則根據(jù)公式(1)可得:
在這個過程中,如果由于電壓表不在同一個數(shù)量級,那么按照電壓表的精度等級,它的精度能夠達到10-3,即最不利是U的示值偏差0.001 V,那么重新代入公式(1)得:
如果假定Z=1 Ω 為真值,那么,由于電壓表造成的絕對誤差為0.001 Ω。
如果在不考慮電壓表測試誤差的情況下,再來分析變阻器R帶來的誤差,在平衡電壓法中,U1的示值為1 V,變阻器R的示值也為1 V,根據(jù)公式(1)得:
如果變阻器R的測試偏差在0.001 Ω,則根據(jù)公式(1)得:
如果假定Z=1 Ω 為真值,那么,造成的絕對誤差為0.001 Ω。
在不平衡電壓法中,U1的示值為1 V,變阻器R的示值為10 V,根據(jù)公式(1)得:
如果變阻器R的測試偏差在0.001 Ω,則根據(jù)公式(1)可得:
如果假定Z=1 Ω 為真值,那么,造成的絕對誤差為0.000 1 Ω。
通過對BE 系列扼流變壓器的分析亦可以看出,不平衡電壓法測試同樣優(yōu)于平衡電壓法測試,只是對測試結(jié)果影響較小。
通過上述分析,盡管平衡電壓法在BE 系列扼流變壓器測試應(yīng)用中比BES 系列扼流變壓器測試應(yīng)用中對測試結(jié)果影響小,究其原因,應(yīng)該是BE 系列扼流變壓器相對于BES 系列扼流變壓器而言,其本身阻抗相對較大造成的。但對于這兩種測試方法,不平衡電壓法測試在選定R變阻器與扼流變壓器為10 倍關(guān)系條件下,確實更優(yōu)于平衡電壓法測試。同樣的方法,可以證明,在電壓表精度等級允許的范圍內(nèi),采用R變阻器與扼流變壓器為10 倍關(guān)系條件下的不平衡電壓法為最優(yōu)法。如R變阻器與扼流變壓器相差過于懸殊,將會引入其他因素影響。
當(dāng)然,本文對此測試電路的分析可能存在片面性,如有其他因素影響,當(dāng)另做分析。本文旨在提出,在設(shè)計測試電路過程中,還需均衡考慮各方面因素,不可拘泥于理論認知或者慣性思維,盡可能通過數(shù)據(jù)分析、對比,設(shè)計出對測試結(jié)果影響最小的測試方法。