黃景光， 趙嬌嬌， 林湘寧,2， 申 濤， 羅亭然

(1. 梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室， 三峽大學(xué)， 湖北 宜昌 443002；2. 強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室， 華中科技大學(xué)， 湖北 武漢 430074)

1 引言

在高速鐵路交流牽引供電系統(tǒng)中，電力機車由單相接觸網(wǎng)供電，機車在運行過程中，每過25～50km就要進行分區(qū)換相[1,2]。地面開關(guān)式自動過分相區(qū)在地面設(shè)置傳感器，將信號發(fā)送給控制系統(tǒng)，由地面開關(guān)操作完成電力機車過分相區(qū)。但由于采用真空斷路器進行電分相切換，供電死區(qū)時間長[3]，而電力機車屬于感性負(fù)載，真空開關(guān)合閘時，合閘瞬間主變壓器可能產(chǎn)生較大的勵磁涌流，從而引發(fā)變壓器保護誤動作等現(xiàn)象，這對牽引電網(wǎng)、機車變壓器以及整個電力機車安全穩(wěn)定運行都會造成不利影響[4,5]。

目前國內(nèi)外對電力機車過分相區(qū)的暫態(tài)過程做了相關(guān)的研究[6-9]。針對機車主變壓器產(chǎn)生合閘勵磁涌流這一問題，文獻(xiàn)[10]采用加裝合閘電阻的方法，在地面開關(guān)轉(zhuǎn)換之前將電阻接入，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定后再將電阻斷開，從而達(dá)到抑制勵磁電流的目的，但該方法不能從根本上完全抑制勵磁涌流。文獻(xiàn)[11]利用晶閘管串聯(lián)閥組構(gòu)成的電力電子開關(guān)、通過控制合閘角，實現(xiàn)地面切換時電壓過零開通。文獻(xiàn)[12]根據(jù)電壓相位，確定電力機車變壓器投入的最佳時刻，但由于各種因素的不確定性，實現(xiàn)合閘角剛好在某一時刻合閘難度較大，該方法不能起到很好的抑制效果。

為此，本文提出了一種靜態(tài)開關(guān)控制的電力機車勵磁涌流抑制技術(shù)。該技術(shù)通過控制靜態(tài)開關(guān)分合來實現(xiàn)接觸網(wǎng)與中性線的分合，并通過控制靜態(tài)開關(guān)分合的時間，使機車在過分相區(qū)過程中，機車主變壓器鐵心磁通始終保持在一定范圍內(nèi)，不會超過產(chǎn)生勵磁涌流所對應(yīng)的磁通界限值，因此，機車出分相區(qū)靜態(tài)開關(guān)合閘瞬間，機車主變壓器不產(chǎn)生勵磁涌流。最后，通過仿真驗證了本文所提方法的可行性。

2 地面開關(guān)式自動過分相區(qū)勵磁涌流機理分析

本文研究的地面開關(guān)式自動過分相區(qū)示意圖如圖1所示。真空開關(guān)K1、K2初始狀態(tài)屬于斷開狀態(tài)，當(dāng)機車即將行駛到分相區(qū)時，開關(guān)K1閉合，中性線與供電臂A等電位；當(dāng)機車進入分相區(qū)時，開關(guān)K1斷開，經(jīng)過短暫延時后，閉合開關(guān)K2，中性線與供電臂B等電位，機車實現(xiàn)了分區(qū)換相[13]。中間這一短暫延時使機車處于失電狀態(tài)，機車主變壓器電源側(cè)繞組電壓為零，開關(guān)K2閉合瞬間，電源側(cè)繞組電壓從零突然升高，由于機車主變壓器剩磁的影響及主磁通不能突變等情況，可能會導(dǎo)致變壓器鐵心嚴(yán)重飽和，產(chǎn)生較大的勵磁涌流。此時，機車主變壓器一次繞組總磁通為[14]：

φ(t)=-Φmcos(ωt+α)+Φmcosα+Φr

(1)

式中，φ為磁通值(Wb)；-Φmcos(ωt+α)為其穩(wěn)態(tài)分量；Φmcosα+Φr為其非周期分量；Φm為磁通幅值；α為合閘時電壓相位；Φr為剩磁。

圖1 地面開關(guān)式自動過分相區(qū)示意圖Fig.1 Ground’s auto-passing neutral section

若不計剩磁的影響，開關(guān)K2合閘初相角為α=00時，磁通在合閘時最大可達(dá)到2Φm，大于飽和磁通，此時機車主變壓器會產(chǎn)生較大的沖擊性勵磁涌流，可能會引發(fā)電力機車主變壓器差動保護誤動等[15]，給機車運行帶來不利影響。

3 消除勵磁涌流的方法及控制策略

3.1 消除勵磁涌流的技術(shù)方法

本文所提方法利用電力電子技術(shù)，通過控制靜態(tài)開關(guān)的分合時間實現(xiàn)中性線上電壓的轉(zhuǎn)換，從而實現(xiàn)電力機車無沖擊過分相區(qū)。靜態(tài)開關(guān)控制的電力機車勵磁涌流抑制技術(shù)示意圖如圖2所示。整個系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、靜態(tài)開關(guān)、AD采樣、比例運算放大器、電壓互感器等構(gòu)成。

圖2 靜態(tài)開關(guān)控制的電力機車勵磁涌流抑制技術(shù)示意圖Fig.2 Static switching control technique

機車在過分相區(qū)之前，電壓互感器TV1、TV2分別檢測供電臂A、供電臂B的電壓，并將電壓信息實時傳輸給控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)對該信息進行處理與判斷，并根據(jù)判斷結(jié)果，給靜態(tài)開關(guān)發(fā)送相應(yīng)跳閘或閉合的指令。當(dāng)機車還未進入分相區(qū)時，控制系統(tǒng)根據(jù)采集的電壓信息量對機車變壓器的磁通進行分析判斷。當(dāng)機車進入分相區(qū)時，此時開關(guān)K1處于閉合狀態(tài)，控制系統(tǒng)在變壓器磁通過零點時刻，給靜態(tài)開關(guān)K1發(fā)送跳閘命令，K1斷開，短暫延時后，通過預(yù)判斷，在機車由供電臂B電壓供電時，變壓器磁通過零點時刻，給靜態(tài)開關(guān)K2發(fā)送閉合命令。開關(guān)K1在磁通過零點斷開，K1斷開后機車變壓器鐵心剩磁為零；開關(guān)K2在磁通過零點閉合，此時變壓器磁通也為零，所以整個過程沒有暫態(tài)磁通的產(chǎn)生，不會產(chǎn)生勵磁涌流。

3.2 勵磁涌流消除系統(tǒng)控制策略

3.2.1 靜態(tài)開關(guān)控制策略

變壓器電源側(cè)勵磁電流的大小取決于變壓器鐵心是否飽和及飽和程度，當(dāng)鐵心飽和后，勵磁電流迅速增大，當(dāng)電流增大到一定值時，形成勵磁涌流。變壓器近似磁化曲線如圖3所示，其中Φsat為飽和磁通，Isat為對應(yīng)的飽和電流。

圖3 變壓器鐵心近似磁化曲線Fig.3 Magnetic hysteresis loop of transformer core

由圖3可知，當(dāng)控制靜態(tài)開關(guān)K2在鐵心磁通為零點合閘時，勵磁電流iu很小，不會產(chǎn)生勵磁涌流。但在實際運用中，由于控制系統(tǒng)及硬件設(shè)施的局限性，剛好在過零點完成分合是很難控制的。為了保證抑制系統(tǒng)的可靠性，可延伸到磁通過零點附近一定范圍內(nèi)完成靜態(tài)開關(guān)的分合。

供電臂A電壓供電時鐵心磁通波形示意圖如圖4所示，設(shè)ΦA(chǔ)max為K1可斷開的時間范圍所對應(yīng)的磁通臨界值。供電臂B供電時變壓器鐵心磁通波形示意圖如圖5所示，設(shè)ΦBmax為K2可閉合的時間范圍所對應(yīng)的合閘初始磁通臨界值。

假設(shè)，當(dāng)|φ|≤|ΦA(chǔ)max|時，則滿足開關(guān)K1斷開的條件。由于要使變壓器在過零點時能實現(xiàn)滅弧，靜態(tài)開關(guān)K1需在磁通過零點之前斷開，由圖4可知，一個周期內(nèi)的(t1，t2)、(t3，t4)時間范圍內(nèi)，靜態(tài)開關(guān)K1均可斷開。

圖4 供電臂A電壓供電時鐵心磁通波形圖Fig.4 Magnetic flux waveform of core when arm A is being charged

圖5 供電臂B電壓供電時鐵心磁通波形圖Fig.5 Magnetic flux waveform of core when arm B is being charged

由上述分析可知，只要確定ΦA(chǔ)max、ΦBmax的值，則可確定開關(guān)K1斷開與K2閉合的具體時間范圍。

3.2.2 靜態(tài)開關(guān)可合閘范圍的確定

設(shè)機車在過分相區(qū)開關(guān)K2合閘時，變壓器可允許的最大磁通為Φset，對應(yīng)的勵磁電流為Iset(見圖3)。如果磁通大于Φset，則變壓器會產(chǎn)生勵磁涌流。設(shè)開關(guān)K2合閘時，機車變壓器鐵心總磁通為φ，有：

φ≤Φset

(2)

開關(guān)K1可斷開時間范圍內(nèi)所對應(yīng)的磁通臨界值ΦA(chǔ)max，即為開關(guān)K2合閘時變壓器的最大剩磁，因此合閘時變壓器鐵心的非周期分量的最大值Φ0max為：

Φ0max=ΦA(chǔ)max+ΦBmax

(3)

由式(1)可知，鐵心穩(wěn)態(tài)磁通分量最大值為Φm，因此變壓器鐵心總磁通的最大值φmax為：

φmax=Φm+ΦA(chǔ)max+ΦBmax

(4)

由式(2)、式(3)得到ΦA(chǔ)max、ΦBmax、Φset關(guān)系表達(dá)式為：

Φm+ΦA(chǔ)max+ΦBmax≤Φset

(5)

由圖3的磁化曲線可求出Φset與Iset函數(shù)表達(dá)式。設(shè)圖3中ab段磁化曲線的斜率為kab，則ab段的斜率方程為：

(6)

式中，Δi為單位時間內(nèi)的電流增量；ΔΦ為單位時間內(nèi)磁通的增量。

由此推出變壓器可允許的最大磁通Φset的函數(shù)表達(dá)式：

Φset=kab(Iset-Isat)+Φsat

(7)

由于Isat很小，可忽略不計，有：

Φset=kabIset+Φsat

(8)

Iset可根據(jù)變壓器繼電保護的整定值來確定。當(dāng)勵磁電流大于繼電器的整定值Iset1時，變壓器保護就會誤動作，所以勵磁電流可允許的最大值Iset不能超過繼電器的整定值Iset1。

以變壓器差動保護為例，繼電器的整定值[16]一般為：

Iset1=(0.2～0.5)IN

(9)

式中，IN為流過變壓器的額定電流。

則有：Iset≤Iset1，即

Iset≤(0.2～0.5)IN

(10)

為保證勵磁涌流抑制系統(tǒng)的可靠性，本文以Iset1=0.2IN確定勵磁電流可允許的最大值。最后由式(5)、式(8)得到ΦA(chǔ)max、ΦBmax、Φset的具體關(guān)系表達(dá)式：

Φm+ΦA(chǔ)max+ΦBmax≤kab(0.2IN)+Φsat

(11)

考慮到時間分配問題，為了不使K1可斷開時間過短，而K2可合閘時間過長；或K1可斷開時間過長，而K2可合閘時間過短，可令ΦA(chǔ)max=ΦBmax。這樣既保證了系統(tǒng)的可靠性，又降低了系統(tǒng)控制復(fù)雜度。

由于該勵磁涌流抑制系統(tǒng)采集的是電壓信息量，需根據(jù)電壓與磁通的相位關(guān)系，確定開關(guān)合閘或斷開時間范圍內(nèi)對應(yīng)的電壓相位。

設(shè)電壓互感器TV1采集到供電臂A的電壓uAC為：

uAC=Umsinωt

(12)

由于供電臂A與供電臂B的相位相差±60°，這里設(shè)電壓互感器TV2采集到供電臂B的電壓uBC為：

uBC=Umsin(ωt-60°)

(13)

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，變壓器原繞組的感應(yīng)電勢e1與磁通φ的關(guān)系如下：

(14)

式中，N1為線圈匝數(shù)。

設(shè)主磁通的變化規(guī)律為：

φ=φmcosωt

(15)

式中，φm為主磁通的最大值。

由式(14)、式(15)可知：

(16)

由式(16)可知，感應(yīng)電勢在時間相位上滯后主磁通90°。

以K2合閘為例，假設(shè)計算出變壓器鐵心磁通為過零點及過零點附近±θ范圍內(nèi)時可合閘，則電壓互感器TV2檢測到供電臂B電壓為峰值及峰值附近±θ范圍則是K2合閘的范圍。

考慮電力機車在實際運行中，當(dāng)控制系統(tǒng)給靜態(tài)開關(guān)發(fā)送跳閘或閉合命令時，靜態(tài)開關(guān)動作有短暫延時，所以可根據(jù)實際測量得出靜態(tài)開關(guān)動作的延時時間Δt，則控制系統(tǒng)發(fā)送命令的時間可根據(jù)實際情況提前Δt。

研究對象：中國礦業(yè)大學(xué)（北京）英語專業(yè)2015級能源英語班學(xué)生，在前兩年英語專業(yè)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，進行了為期一年的口譯專業(yè)學(xué)習(xí)，并且全部通過英語專業(yè)四級（TEM-4）考試。參加人數(shù)18人，研究周期為17-18整個學(xué)年口譯課。

為保證電力機車換相時，靜態(tài)開關(guān)完成分合的精度，確保換相的精確性，則有：

tx=tn+Δt

(17)

式中，tx為靜態(tài)開關(guān)實際分合時間；tn為給靜態(tài)開關(guān)發(fā)送合閘命令對應(yīng)的時間。當(dāng)在tn時刻控制系統(tǒng)發(fā)送命令給靜態(tài)開關(guān)，在tx時刻可確保機車剛好完成換相，其中，tn為變壓器可合閘的時間范圍內(nèi)的任意時間值，此時可實現(xiàn)電力機車平滑過渡，不會產(chǎn)生勵磁涌流。

4 仿真

為了驗證本文所提出方法的正確性，本文以Matlab/Simulink為平臺建立地面開關(guān)自動過分相區(qū)勵磁涌流抑制技術(shù)系統(tǒng)仿真模型，分別對電力機車傳統(tǒng)過分相區(qū)方法和采用地面開關(guān)式自動過分相區(qū)勵磁涌流抑制方法進行仿真。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Parameters of simulation system

4.1 K1斷開、K2閉合時間范圍的確定

通過表1仿真參數(shù)，計算得到Φset=1.73Φm，其中，變壓器磁化曲線參數(shù)：[0，0；0.00024，1.2；1.0，1.52]，Φsat=1.2Φm，由式(6)得到kab為0.321A/Wb。所以理論上開關(guān)K2合閘時，變壓器總磁通φ不能超過Φset，保守可取φmax=1.70Φm，則ΦA(chǔ)max=ΦBmax=0.35Φm。通過大量仿真驗證，確定合閘時變壓器總磁通φ可以取為φmax=1.70Φm，所以只要K2合閘時變壓器總磁通φ≤Φset，均可滿足合閘條件。

在上述仿真參數(shù)下，通過計算可知，在磁通過零點附近±0.0012s可以實現(xiàn)靜態(tài)開關(guān)控制的機車變壓器勵磁涌流抑制技術(shù)，即零點附近±20.8°都能滿足合閘條件。但考慮到K1斷開時，變壓器過零點時要實現(xiàn)滅弧，所以K1斷開的時間應(yīng)為磁通過零點之前(0°，20.8°)范圍內(nèi)。K2閉合范圍為零點附近±20.8°均可。在上述范圍內(nèi)對靜態(tài)開關(guān)進行斷開或閉合不會產(chǎn)生勵磁涌流。一個周期中的鐵心磁通波形圖如圖6所示。

圖6 供電臂B電壓供電時0.1834～0.2034s一個周期內(nèi)鐵心磁通波形圖Fig.6 Magnetic flux waveform of core in one cycle when arm B is being charged

圖6中，在0.1834～0.2034s這一個周期里，當(dāng)|Φmax|≤0.35|Φm|時變壓器都不會產(chǎn)生勵磁涌流，對應(yīng)時間段0.1872～0.1896s、0.1972～0.1996s內(nèi)的值都滿足K2閉合條件。

4.2 勵磁電壓、電流及磁通的仿真

勵磁涌流抑制系統(tǒng)沒有投運時，即不控制靜態(tài)開關(guān)的分合時間，在任意某點進行換相，如開關(guān)在0.16s時斷開K1，在0.1940s閉合K2，主變壓器勵磁電壓u1、勵磁電流iu及鐵心磁通φ的波形如圖7所示。

圖7 未控制開關(guān)分合時間變壓器勵磁電壓、勵磁電流、鐵心磁通波形Fig.7 Excitation voltage, current and flux waveform of transformer under uncontrolled-switching time

由圖7可以看出，機車在進入分相區(qū)之前機車變壓器電壓u1與供電臂A電壓uAC相等，0.16s當(dāng)開關(guān)K1斷開后，中性線處于失電狀態(tài)，主變壓器一次側(cè)電壓u1約為0，在0.1940s時閉合開關(guān)K2，機車變壓器的電壓為供電臂B電壓uBC。在K2合閘時，磁通較大，波形發(fā)生了偏離。由圖7的機車變壓器勵磁電流可見，機車出分相區(qū)合閘時，勵磁電流幅值瞬間達(dá)到近600A，有很大的勵磁涌流。

圖8 控制開關(guān)分合時間時變壓器勵磁電壓、勵磁電流、鐵心磁通波形Fig.8 Excitation voltage, current and flux waveform of transformer under controlled switching time

由圖8可以看出，0.16s斷開K1，0.1974s合上K2，此時磁通發(fā)生了一些偏離，但未完全偏離，沒有產(chǎn)生勵磁涌流，表明此時的鐵心磁通沒有達(dá)到Φset。

為了達(dá)到更好的抑制效果，可將范圍減小，嚴(yán)格控制靜態(tài)開關(guān)在零點附近閉合，此時的主變壓器勵磁電壓u1、勵磁電流iu及鐵心磁通φ的波形如圖9所示。

圖9 控制磁通過零點開關(guān)分合時變壓器勵磁電壓、勵磁電流、鐵心磁通波形Fig.9 Excitation voltage, current and flux waveform of transformer when controlled switching at the time 0

磁通過零點時，閉合開關(guān)K2，由圖9可以看出，此時變壓器勵磁電流的幅值沒有發(fā)生任何偏離，沒有勵磁涌流產(chǎn)生。

綜上所述，當(dāng)開關(guān)K2合閘時，變壓器總磁通在φ≤Φset所對應(yīng)的時間范圍內(nèi)，此時變壓器不會產(chǎn)生勵磁涌流，磁通過零點時抑制效果最好。當(dāng)總磁通在φ>Φset所對應(yīng)的時間范圍時，則會產(chǎn)生沖擊性勵磁涌流。表明地面靜態(tài)開關(guān)控制的電力機車勵磁涌流抑制技術(shù)系統(tǒng)能夠有效消除勵磁涌流。

5 結(jié)論

本文針對電力機車過分相區(qū)時機車變壓器產(chǎn)生合閘勵磁涌流對機車和牽引網(wǎng)產(chǎn)生的不良影響，提出了由靜態(tài)開關(guān)及電力電子元件組成的靜態(tài)開關(guān)控制的電力機車勵磁涌流抑制技術(shù)。通過控制靜態(tài)開關(guān)分合的時間，來實現(xiàn)電力機車無沖擊換相。經(jīng)過分析和仿真，得到如下結(jié)論：

(1)提出的靜態(tài)開關(guān)控制的電力機車勵磁涌流抑制技術(shù)能夠有效抑制電力機車主變壓器勵磁涌流的產(chǎn)生，提高了牽引系統(tǒng)和機車運行的穩(wěn)定性和可靠性，避免了勵磁涌流直流分量和高次諧波分量對牽引網(wǎng)電能質(zhì)量造成的不良影響。

(2)本系統(tǒng)采用靜態(tài)開關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的真空開關(guān)，避免了真空開關(guān)分合的不精確性，通過準(zhǔn)確控制開關(guān)時間，能夠?qū)崿F(xiàn)電力機車無沖擊換相。

(3)本文提出的靜態(tài)開關(guān)控制的電力機車勵磁涌流抑制技術(shù)，中性線上一直處于帶電狀態(tài)，電力機車過分相區(qū)時，可確保電力機車不斷電運行，確保了電力機車的運行速度，同時也避免了失電對電力機車造成的危害。

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