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原文传递地磁暴对ZPW-2000A轨道电路影响与监测传感器设计研究

论文题名：	地磁暴对ZPW-2000A轨道电路影响与监测传感器设计研究
关键词：	高速铁路;轨道电路;地磁暴;扼流变压器;电流传感器
摘要：	近年来中国在高铁方面的发展令人瞩目，随着铁路系统列车速度的不断提高，站内也开始采用ZPW-2000A一体化轨道电路。ZPW-2000A轨道电路是高铁信号控制系统的重要组成部分，其核心器件大量采用微电子技术，对电磁带干扰更加敏感，而电磁环境则趋于复杂和恶劣。地磁暴是一种极端的空间性灾害天气，它会引起地球的磁场剧烈扰动，在地表面产生感应电动势(ESP,Earth Surface Potentials)。ESP、钢轨和大地三者构成回路，就产生了地磁感应电流(GIC，Geomagnetically Induced Current)。地磁暴产生的GIC一旦侵入ZPW-2000A轨道电路，就会对高铁系统正常运行造成极大影响。　　首先，本文探究了地磁暴的产生机理，描述了其侵害ZPW-2000A轨道电路的途径及设备——BES(K)扼流变压器，并分析了GIC对扼流变压器造成的影响;利用Matlab软件结合我国高速铁路的实际参数计算GIC幅值，结果表明1V的ESP在钢轨上产生GIC幅值达到了5A。　　其次，利用Ansoft Maxwell搭建了气隙为0.2mm的扼流变压器的有限元模型，得到了扼流变压器励磁电流、磁链、电感、磁密、铁芯损耗和绕组损耗。结果表明:2A的GIC即可使得变压器进入饱和区，励磁电流出现半波尖顶波，电流畸变率增加，引起绕组自感减小。同时，GIC会使得变压器铁芯磁链、磁密增加，使其工作在饱和状态，当GIC幅值为8A时，铁芯损耗增大1.2倍、绕组损耗增大4.8倍。本文通过仿真探究了BES(K)扼流变压器的最优气隙大小，设计了变压器气隙为0.1mm～0.6mm，侵入变压器的GIC幅值为8A时变压器的情况下的仿真，得到励磁电流、磁密、铁损铜损和电感值的仿真结果。结果表明:为了防止强磁暴导致变压器直流偏磁，变压器气隙至少要开到0.5mm。适当的开气隙能有效提高变压器饱和电流，气隙为0.1mm～0.6mm的扼流变压器饱和电流分别为2A、2A、3A、4A、5A、6A;同时开气隙能减小励磁电流畸变率，气隙为0.6mm时，励磁电流畸变率比气隙为0.1mm时下降了约13倍。气隙为0.6mm时，一次侧电感仅为气隙为0.1mm时的1/4，变压器铜损增大3倍，铁损增大倍数约为1.05倍。通过计算得到结论:变压器等效励磁电感小于1.6mH、变压器气隙大于0.4mm时，移频信号阻抗不能满足17Ω的要求，证明了变压器开气隙会导致移频信号阻抗下降，导致轨道继电器失压下落。　　再次，本文建立了BES(K)扼流变压器进行等效电路模型，计算合适的适配器参数，并在Multisim平台上对变压器等效电路模型进行了仿真。结果表明，增加了适配器的BES(K)扼流变压器的移频信号阻抗提高到了17Ω以上，同时变压器的工频阻抗减小至0.01Ω以下，牵引线圈的干扰励磁电流降低了111.2倍，干扰电压和干扰功率均显著降低49.3倍。　　最后，本文设计了新型的GIC监测装置——基于巨磁阻效应的电流传感器。该电流传感器装置由一个量程100A且配备磁通聚集器的巨磁阻传感器构成，并利用Ansoft Maxwell对磁通聚集器进行结构优化。本文探讨了传感器与导线成极端偏转角和水平偏移两种情况下对测量精度的影响，并通过理论推导和有限元方法仿真进行了分析。仿真结果表明:当水平偏移控制在16mm内时，测量误差＜3.66％;当角度偏转控制在70°内时，测量差＜6.62％;相比无磁通聚集器的传感器，灵敏度提高了19.7倍;极端位置下，测量误差减小可达121倍。本文设计了开环和闭环两种形式的GIC监测电流传感器，并设计了监测装置种的信号调理电路，利用Multisim仿真软件建立模型，通过仿真分析验证了的设计电路的性能良好。最后使用Ansoft Maxwell对闭环的巨磁阻传感器进行仿真，当巨磁阻传感器的反馈绕组与被测电流的安匝数相同时，闭环传感器工作于零磁通状态，证明了闭环传感器“磁平衡”的工作原理。
作者：	王诗月
专业：	电气工程
导师：	刘明光
授予学位：	硕士
授予学位单位：	北京交通大学
学位年度：	2018
正文语种：	中文