馬 果，吳廣寧，王 韜，閔英杰

0 前言

變壓器閉合和開斷過程中，由于磁通不能突變，勵(lì)磁曲線工作在飽和區(qū)段，電感瞬間下降，導(dǎo)致勵(lì)磁電流迅速增大，此時(shí)電流稱為勵(lì)磁涌流[1]。勵(lì)磁涌流數(shù)值很大，一般可達(dá)到額定電流的3～8倍，最大可達(dá)到6～10 倍[2]。嚴(yán)重的涌流現(xiàn)象對(duì)變壓器絕緣將造成惡劣的影響，產(chǎn)生的電氣沖擊、熱效應(yīng)和機(jī)械應(yīng)力導(dǎo)致繞組變形，減少其使用壽命。同時(shí)勵(lì)磁涌流還可造成變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，其諧波成分將嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，高次諧波還會(huì)對(duì)電力電子器件產(chǎn)生極強(qiáng)的破壞作用[3]。

電力機(jī)車運(yùn)行中，頻繁的合閘和開閘操作會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流現(xiàn)象。在高速鐵路中，列車運(yùn)行時(shí)速達(dá)到200～350 km，變壓器的開合切換更加頻繁，涌流現(xiàn)象愈發(fā)突出。

目前國內(nèi)對(duì)電力變壓器勵(lì)磁涌流的研究相對(duì)較多，且集中在電力變壓器的繼電保護(hù)和涌流鑒別上面，而對(duì)電力機(jī)車牽引變壓器研究較少，針對(duì)勵(lì)磁涌流的研究則更少[4-9]。本文根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)參數(shù)仿真車載變壓器，分析影響勵(lì)磁涌流大小的因素，以及它對(duì)牽引網(wǎng)與公網(wǎng)的公共連接點(diǎn)電能質(zhì)量的影響，加強(qiáng)對(duì)電力機(jī)車牽引變壓器勵(lì)磁涌流現(xiàn)象的研究。

1 勵(lì)磁涌流模型搭建與分析

變壓器鐵心作為一種磁性材料，具有鐵磁物質(zhì)的一般特性，它的磁化曲線并不是一條直線，正因?yàn)榇艌鰪?qiáng)度H 與磁感應(yīng)強(qiáng)度B 不是線性關(guān)系，才導(dǎo)致了勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生。

根據(jù)電路基本原理，得出磁通公式為

變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，相應(yīng)的磁通Φ 不會(huì)超過飽和磁通Φs，但當(dāng)變壓器開斷后，由于剩磁的作用，再次合閘時(shí)磁通可能會(huì)超過飽和磁通，從而造成變壓器的飽和。

我國國土幅員廣闊，各個(gè)鐵路局使用的電力機(jī)車機(jī)型有一定差別，但SS4型電力機(jī)車作為比較成熟的交-直型機(jī)車是目前我國運(yùn)營的主力機(jī)型之一，以它為例進(jìn)行勵(lì)磁涌流研究更具有針對(duì)性和現(xiàn)實(shí)意義。表1 為SS4型電力機(jī)車的部分試驗(yàn)參數(shù)。

表1 SS4 型電力機(jī)車主變壓器試驗(yàn)參數(shù)[10]表

根據(jù)試驗(yàn)參數(shù)計(jì)算得出牽引變壓器阻抗參數(shù)：R = 2.192 Ω，X = 16.758 1 Ω。本文采用分段直線擬合的方式進(jìn)行仿真，既包含線性部分，也涉及飽和曲線部分。勵(lì)磁涌流持續(xù)時(shí)間較短，一般不超過1.5 s，本文設(shè)定仿真時(shí)間1 s。電源采用恒定交流電壓源，UN= 25 kV，仿真模型如圖1 所示。

圖1 勵(lì)磁涌流仿真基本模型圖

下面分析影響電力機(jī)車主變壓器勵(lì)磁涌流大小的因素。

（1）合閘時(shí)間的影響。在交流電路中，磁通的變化總是滯后電壓變化90°。設(shè)定t = 0.12 s 合閘即電壓過零點(diǎn)合閘，產(chǎn)生勵(lì)磁涌流，如圖2 所示；設(shè)定t = 0.125 s 合閘，即電壓最大值合閘，磁通為0，不會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁涌流現(xiàn)象，電壓直接進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，變壓器原邊電流僅為幅值很小的勵(lì)磁電流，建立和維持基本的電磁場（圖略）。

（2）剩磁的影響。圖3 是剩磁為0.1 pu 時(shí)的勵(lì)磁涌流圖，圖4 是剩磁為0.6 pu 時(shí)的勵(lì)磁涌流圖。對(duì)比仿真圖3 和圖4，剩磁為0.1 pu（標(biāo)幺值），勵(lì)磁涌流初次峰值為689.2 A，而剩磁為0.6 pu，勵(lì)磁涌流初次峰值更達(dá)到了1 105 A。剩磁增大50%的標(biāo)幺值，勵(lì)磁涌流增大了60.3%?？梢姡娏C(jī)車主變壓器的剩磁大小是影響勵(lì)磁涌流的主要因素。

圖2 t = 0.12 s 合閘勵(lì)磁電流波形圖

圖3 剩磁為0.1 pu 時(shí)的勵(lì)磁涌流圖

圖4 剩磁為0.6 pu 時(shí)的勵(lì)磁涌流圖

（3）變壓器容量的影響。計(jì)算SS4B，SS6B，SS7D，SS9型電力機(jī)車主變壓器試驗(yàn)參數(shù)可知，4種機(jī)型的繞組阻抗標(biāo)么值變化不大。從獲取的資料表明，從SS4B到SS9變壓器的容量幾乎提高了一倍（SS4B為4 923 kV·A，SS9為8 668 kV·A），而且以后電力機(jī)車變壓器容量還將進(jìn)一步增大，因此分析變壓器容量對(duì)電力機(jī)車勵(lì)磁涌流的影響是十分必要的[10，11]。表2 為計(jì)算后的各型電力機(jī)車?yán)@組阻抗值。

表2 各型電力機(jī)車?yán)@組阻抗計(jì)算值表

經(jīng)過仿真得出，變壓器的容量和勵(lì)磁涌流的大小略成正比例關(guān)系，如圖5 所示。

圖5 容量與勵(lì)磁涌流的關(guān)系圖

（4）接觸網(wǎng)電壓幅值的影響。電氣化鐵道規(guī)定接觸網(wǎng)電壓可在19～29 kV 范圍內(nèi)變動(dòng)。設(shè)定交流電源為相應(yīng)的數(shù)值以模擬電力機(jī)車在接觸網(wǎng)始末端時(shí)勵(lì)磁涌流的情況。限于篇幅，未列出仿真波形圖。

接觸網(wǎng)電壓為19 kV 時(shí)，勵(lì)磁涌流的峰值只有200 A，而接觸網(wǎng)電壓為29 kV 時(shí)，勵(lì)磁涌流的峰值卻達(dá)到了881.7 A。故電壓越高，勵(lì)磁涌流越大。

2 勵(lì)磁涌流對(duì)公共連接點(diǎn)影響的分析

電力機(jī)車運(yùn)行時(shí)，沖擊負(fù)荷、過分相方式、各種操作方式和牽引供電回路合閘、機(jī)車啟動(dòng)等暫態(tài)過程都可能通過牽引供電系統(tǒng)傳遞造成對(duì)公共連接點(diǎn)電能質(zhì)量的影響，伴隨著發(fā)生勵(lì)磁涌流、電壓凹陷等現(xiàn)象，電壓凹陷同時(shí)也作為勵(lì)磁涌流的結(jié)果，因此對(duì)勵(lì)磁涌流的分析更能揭示現(xiàn)象的本質(zhì)。

勵(lì)磁涌流必然造成電壓幅值產(chǎn)生變化，反應(yīng)在公共連接點(diǎn)處則是電壓在某一范圍內(nèi)產(chǎn)生波動(dòng)，因此借助電壓波動(dòng)作為衡量勵(lì)磁涌流對(duì)公共連接點(diǎn)影響的參數(shù)，可以評(píng)估勵(lì)磁涌流對(duì)公網(wǎng)造成影響的程度。為簡化模型，仿真中抽象出實(shí)際情況中的主要電氣設(shè)備，牽引網(wǎng)模型參數(shù)由直供條件下采用分散參數(shù)計(jì)算得出。僅將Ynd11 接線下公共點(diǎn)線電壓波形如圖6—圖8 列出，V/v 接線和Scott 接線只作分析。

圖6 AB 相線電壓波形圖

圖7 AC 相線電壓波形圖

圖8 BC 相線電壓波形圖

經(jīng)計(jì)算Ynd11 接線公共連接點(diǎn)的電壓波動(dòng)dAB=3.6%, dAC=1.22%, dBC=2%。

V/v 接線情況下電壓波動(dòng)dAB= 1.48%，dAC=0.32%，dBC= 0.32%；Scott 接線情況下電壓波動(dòng)dAB= 3.54%，dAC= 1%，dBC= 1.9%。

Ynd11 接線形式下，電壓波動(dòng)較大的是AB 相線電壓，仿真中電力機(jī)車接在二次側(cè)的α相，電流主要由次邊的ab 相和bc 相供給，反映在變壓器原邊則是AB 相和BC 相。經(jīng)計(jì)算，AB 相線電壓波動(dòng)為3.6%，BC 相線電壓波動(dòng)為2%。V/v 接線形式下，AB 相線電壓的波動(dòng)幅度明顯大于其他2 個(gè)線電壓的波動(dòng)幅度。這是由于電力機(jī)車的沖擊性負(fù)荷主要反映在A 相，AB 相線電壓的波動(dòng)達(dá)到了1.48%。Scott 接線形式下，由Scott 變壓器中的高變壓器向電力機(jī)車供電，電力機(jī)車合閘時(shí)，負(fù)荷通過Scott 變壓器反應(yīng)在A 相上面，仿真結(jié)果顯示AB 相線電壓波動(dòng)最大，為3.54%，AC、BC 相線電壓也受到波動(dòng)，但波動(dòng)的幅度較小，僅為AB 相線電壓波動(dòng)的54%和28%。

進(jìn)行牽引變壓器原邊相電壓波動(dòng)的仿真。仿真結(jié)果：Ynd11 接線情況下電壓波動(dòng)d = 0.92%；V/v接線情況下電壓波動(dòng)d = 0.32%；Scott 接線情況下電壓波動(dòng)d = 0.96%。

仿真結(jié)果表明，雖然牽引變壓器接線形式不同，但是三者的電壓波動(dòng)均不大，沒有超過1%，同時(shí)與線電壓波動(dòng)相比，明顯偏小。其中V/v 接線情況下相同是因?yàn)闋恳儔浩髟呄嚯妷杭慈嗑€電壓。

Ynd11、V/v 和Scott 接線情況下勵(lì)磁涌流有效值分別為698、593 和937 A。圖9 為湖東牽引變電所負(fù)載記錄圖，圖中次邊電流的最大測(cè)量數(shù)值為973 A，接線形式為Scott，仿真數(shù)據(jù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（937 A）相差不大，表明該仿真模型能夠較為準(zhǔn)確地模擬電力機(jī)車發(fā)生勵(lì)磁涌流的現(xiàn)象，并能夠?qū)?shí)際情況進(jìn)行理論說明。

圖9 大秦鐵路湖東牽引變電所電流負(fù)載曲線圖

3 結(jié)論

（1）合閘時(shí)間、剩磁和電壓幅值是影響車載主變壓器勵(lì)磁涌流大小的主要因素，變壓器容量是間接影響因素。

（2）3 種接線形式下勵(lì)磁涌流對(duì)公共連接點(diǎn)的電壓均會(huì)造成一定影響。不同的接線形式影響的程度不同，Ynd11 接線形式和Scott 接線形式下電壓波動(dòng)幅值最大，V/v 接線形式下整體電壓的波動(dòng)幅度較小。

（3）牽引變壓器原邊繞組電壓波動(dòng)的幅度小于三相電力系統(tǒng)線電壓波動(dòng)的幅度。重負(fù)荷線電壓的波動(dòng)幅度大于輕負(fù)荷線電壓的波動(dòng)幅度。

（4）勵(lì)磁涌流傳遞到牽引變壓器原邊時(shí)電壓波動(dòng)并不明顯，最大為3.6%，最小為0.32%?？傮w而言，電力機(jī)車發(fā)生勵(lì)磁涌流對(duì)公共連接點(diǎn)的影響不大。

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