25kV等级受电弓离线实验装置

摘要

本发明公开了一种25kV等级受电弓离线实验装置，包括以220V作为供电电源的倍压电路，倍压电路作为输入电源与离线放电回路连接；离线放电回路包括放电电容、放电控制开关、受电弓、接触线、调节负载依次连接形成的回路，离线控制系统通过动力单元控制受电弓运动产生离线；一触发控制单元，触发控制单元通过控制放电开关和离线控制系统，控制受电弓在放电电压衰减至25kv等级时离线。本发明通过调节离线放电回路的参数实现不同频率、不同幅值的正弦震荡衰减放电，在电容放电瞬间，控制受电弓任意时刻脱离接触线，从而产生高电压、大电流离线现象，实现对现实条件的真实、准确的还原，从而进行相关的研究。

说明书

技术领域

本发明涉及实验用受电弓离线放电电路技术领域，具体的说， 本发明涉及一种在实验条件下模拟受电弓在25kV等级产生离线现象 的25kV等级受电弓离线实验装置。

背景技术

在高速列车运行中，由于接触网波动和受电弓振动加剧等内部 因素，以及车体振动激扰等外部因素，致使受电弓与接触线发生脱 离，造成受电弓离线现象。离线瞬间的电弧放电严重影响列车受电 弓的受流特性；不仅烧蚀接触线和受电弓滑板，缩短其使用寿命， 其产生的高频电磁波还对周围的通信线路造成无线电杂音干扰和对 周围环境造成噪声污染。因此，实际供电状态下(25kV)的受电弓 离线实验装置，为正确地把握受电弓离线状态，研究离线对牵引系 统的影响提供硬件基础。

现有技术的不足如下：当前，受电弓离线实验的电源形式分为 交流和直流两种，交流供电的受电弓离线实验用于模拟交流牵引供 电系统，直流供电的则用于模拟直流牵引供电系统。对于交流供电 条件下的受电弓离线实验，由于实验室内电源功率的限制，供电电 压为几十伏时，其电流能达到几百安培；供电电压为220V时，其电 流不超过50A；有关研究采取发电机供电，电压可提高到几千伏，但 其电流也只能维持在10-20A。对于直流供电条件下的受电弓离线实 验，同样受到实验室内功率的限制，供电电压升高，则实验电流降 低；要达到实际的大电流，就必须降低供电电压。可见，现有的受 电弓离线模拟装置的供电电压和电流跟实际相差很大，其原因主要 是实验条件下不能够提供足够大的电源功率，因此现有实验装置具 有一定的局限性。为了克服上述缺点，是有必要提出一种实验用25kV 等级的弓网离线放电装置。

针对现有技术存在的缺陷，提出本发明。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种25kV 等级受电弓离线实验装置，能够获取放电过程中的25kv等级的电压 波形，在正弦震荡快速衰减过程中的任意时刻，例如瞬时电压为0kv、 5kv、10kv、15kv、20kv、25kv等时，使受电弓脱离接触线，从而产 生高电压、大电流离线现象，实现对现实条件的真实、准确还原， 从而进行相关的研究。

为实现上述发明目的，本发明提供的25kV等级受电弓离线实验 装置的技术方案是：一种25kV等级受电弓离线实验装置，其特征在 于，包括以220V作为供电电源并经变压器升压后的倍压电路，倍压 电路作为输入电源与离线放电回路连接；离线放电回路包括放电电 容、放电控制开关、受电弓、接触线、调节负载依次连接形成的回 路，离线控制系统通过动力单元控制受电弓运动产生离线；一触发 控制单元，触发控制单元通过控制放电开关和离线控制系统，控制 受电弓在放电电压衰减至25kv等级时离线。

所述的触发控制单元包括一接受离线信号的信息处理单元，信 息处理单元的输出信号包括放电信号和离线动作信号，放电信号触 发放电控制开关，离线动作信号触发离线控制系统。

所述的放电信号通过一延时单元触发放电控制开关。

所述的触发控制单元的放电信号为高压脉冲生成电路的输出信 号。

所述的高压脉冲生成电路包括依次连接形成回路的变压器、二 极管、电容、电阻，二极管和电阻之间连接有接受离线信号的IGBT 驱动电路，电容和电阻之间外接一电阻作为整个高压脉冲生成电路 信号的输出端。

所述的放电控制开关为球隙开关。

触发控制单元是集成电路板、DSP板、CPLD板或单片机。触发 控制单元还可以采用其它由可编程控制器与外围电路构成的控制 板，在此不作穷举。

所述的离线放电回路中的可调节负载包括一电感和一电阻。

所述的离线放电回路中的电容、电感和调节电阻的参数关系为：

$R_8<2\sqrt{\frac{L}{C_2}}$

其中，R₈为调节电阻，L为电感，C₂为电容。

本发明采用的原理是：将220V电源通过倍压电路升压，给放电 电容充电至25kV以上并将电能存储于放电电容；离线信号发出，触 发控制单元接收离线信号后，内部进行延时处理后发出两路触发信 号，一路为球隙开关触发控制信号，经高压脉冲生成电路产生点火 脉冲，触发球隙开关导通，使受电弓离线放电回路完成正弦震荡衰 减放电过程；通过调节离线放电回路参数来控制电容实现不同频率、 不同幅值的正弦震荡衰减放电，在短时间内将电能释放；另一路为 离线控制信号，通过离线控制系统触发动力单元动作，使受电弓与 接触线产生离线。调节两路触发信号的时间差，利用正弦震荡衰减 放电过程中的高电压部分，实现25kV等级下受电弓离线放电现象。

高压脉冲生成电路的原理为：变压器T2经电阻R1和二极管D3 给电容C3充电至球隙开关导通的电压等级。离线信号发出后，球隙 开关触发信号触发IGBT驱动电路，IGBT被导通，电容C3经IGBT、 电阻R6放电，放电瞬间在电阻R7上产生高压负向脉冲，球隙开关导 通。

本发明的有益效果是：通过调节离线放电回路的参数，电容可 以实现不同频率、不同幅值的正弦震荡衰减放电，出现25kV等级的 正弦电压波形。在电容放电瞬间，控制受电弓的离线时刻，便能在 电压衰减过程中25kV等级的正弦波形处实现离线现象。对两路触发 信号进行调节，还可以在正弦震荡快速衰减过程中的任意时刻，例 如瞬时电压为0kV、5kV、10kV、15kV、20kV、25kV等时，使受电 弓脱离接触线，从而产生高电压、大电流离线现象，实现对现实条 件的真实、准确的还原，从而进行相关的研究。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更 好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明 的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本 发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明 的不当限定，其中：

图1为本发明的原理框图；

图2为图1中的触发控制单元的原理图；

图3为本发明的电路图；

图4为本发明中的触发控制单元中的高压脉冲生成电路图；

图5a、图5b为电容放电波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步阐述。

图1所示为本发明的电路原理框图，图2为图1中的触发控制单 元的原理图，如图1、图2所示，本发明以220V电源作为输入电源， 经变压器升压后通过倍压电路给离线放电回路的放电电容充电到 25kV以上，并将电能储存于放电电容内，触发控制单元内的信息处 理单元接受离线信号(例如按钮开关)后，输出两路触发信号，一 路为放电信号，通过触发放电控制开关导通，使受电弓离线放电回 路完成正弦震荡衰减放电过程；另一路通过离线控制系统触发动力 单元动作，使受电弓与接触线在电容放电过程中产生离线。本发明 的目的是获取放电过程中的25kV等级的电压波形，在正弦震荡快速 衰减过程中的任意时刻，例如瞬时电压为0kV、5kV、10kV、15kV、 20kV、25kV等时，使受电弓脱离接触线，从而产生高电压、大电流 离线现象，实现对现实条件的真实、准确还原，从而进行相关的研 究。

其中，触发控制单元内有延时单元。延时单元对信号处理单元 发出的放电信号进行延时处理后，放电信号触发放电控制开关，导 通离线放电回路，放电电容开始放电；信号处理单元同时发出的离 线动作信号使受电弓与接触线分离。因为受电弓离线的过程是采用 机械动力拉动受电弓离开接触线，时间相对于放电电容的瞬间放电 的时间较长，因此，要对同时发出的放电信号进行延时处理，以避 免放电结束受电弓还没有离线的现象。

通过延时处理，控制受电弓离线的时刻发生在放电电容正弦震 荡衰减放电过程中的高电压部分，即可实现25kV等级下受电弓离线 放电现象。

图3所示为本发明受电弓离线放电电路图，如图3所示，一以220V 电源给倍压电路10供电，通过倍压电路10给离线放电回路20的放电 电容C2充电至25kV以上，将电能压缩存储至放电电容C2。

离线放电回路包括放电电容C2、球隙开关22、受电弓23、接触线 21、调节负载依次连接形成的回路，其中调节负载包括电感L和调节 电阻R8，离线控制系统25通过动力单元24控制受电弓23运动。

触发控制单元30收到离线信号后，输出两路控制信号：一路为 离线动作控制信号31，控制动力单元24动作使受电弓23与接触线21 产生离线；另一路为放电信号32，放电信号32为球隙开关触发信号， 驱动高压脉冲生成电路产生高电压使球隙开关22导通。球隙开关22 导通后，电容C2经回路球隙开关22-受电弓23-接触线21-调节负载- 电容C2进行正弦震荡衰减放电，调整离线放电回路参数使正弦震荡 衰减过程中出现25kV等级的电压波形(图5a、图5b中示出)。调节 两路控制信号的时间延时，使受电弓在25kV等级产生离线。

触发控制单元30中的高压脉冲生成电路如图4中所示，变压器 T2经电阻R1和二极管D3给电容C3充电至球隙开关导通的电压等级。 离线信号发出后，球隙开关触发信号(放电信号)触发IGBT驱动电 路，IGBT被导通，电容C3经IGBT、电阻R6放电，放电瞬间在电阻 R7上产生高压负向脉冲，球隙开关导通。触发控制单元30可以是集 成电路板、DSP板、CPLD板或单片机，触发控制单元还可以采用其 它由可编程控制器与外围电路构成的控制板，在此不作穷举。

调整离线放电回路20参数，即可实现不同频率，不同幅值的正 弦振荡衰减波形，如图5a、图5b所示，图中横坐标为时间，纵坐标 为电压，电路中C2、R、L的参数关系如下：

$R_8<2\sqrt{\frac{L}{C_2}}$

其中，图5a为离线放电回路R8为25欧姆时的衰减波形，图5b 为离线放电回路R8为12欧姆时的衰减波形，C2、L在上述条件内选 取。

调节触发控制单元的两路触发信号的时间延时，可以在图5a、图 5b中的黑点标记处实现受电弓离线现象。

在此描述一下选取两个数值的R8的意义。例如：图5a体现的是 采用R8＝25欧姆时的正弦衰减放电的电压波形图，其第一个正弦负 半波为25kV等级，可在此负半波范围内进行25kV等级弓网离线实 验，模拟实际中受电弓在电压负半波离线时的工况；图5b体现的是 采用R8＝12欧姆时的正弦衰减放电的电压波形图，其第一个正弦正 半波为25kV等级，可在此正半波范围内进行25kV等级弓网离线实 验，模拟实际中受电弓在电压正半波离线时的工况。这样正、负两 个半波下的弓网离线实验即可实现一个正弦周期内不同离线时刻的 弓网离线研究。

为实现实际电动车辆运行时接触网可能存在的各种瞬时电压条 件，通过调节延时单元，重复多次实验，可以实现不同瞬时电压时 的离线。如图5a中的2.5ms时、瞬时电压为0kV；3ms时、瞬时电 压为10kV；3.5ms时、瞬时电压为20kV；4.5ms时、瞬时电压为30kV； 5ms时、瞬时电压为30kV等等。通过以上不同时刻瞬时放电电压条 件下的离线实验，来模拟实际电动车辆25kV等级下的受电弓离线现 象。

如上所述，对本发明的实施例进行了详细地说明，但是只要实 质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领 域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包含 在本发明的保护范围之内。