田賡

摘要：隨著近幾年我國(guó)鐵路建設(shè)的迅速發(fā)展，鐵路運(yùn)輸越來(lái)越成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要角色，特別是高速動(dòng)車(chē)組、重載電力機(jī)車(chē)、地鐵輕軌和城際列車(chē)等電力牽引裝備，越來(lái)越與人們的生產(chǎn)生活密切相關(guān)，同時(shí)人們對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)的要求和期望也越來(lái)越高，因此高效、安全、快捷已經(jīng)成為鐵路電力牽引運(yùn)輸裝備最重要的發(fā)展要求。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車(chē)組；車(chē)載網(wǎng)壓；互感器；故障原因；措施

電壓互感器在動(dòng)車(chē)組列車(chē)上有計(jì)量保護(hù)、功率測(cè)量和接觸網(wǎng)網(wǎng)壓測(cè)量作用，是動(dòng)車(chē)組正常運(yùn)行必不可少的電氣設(shè)備，鐵路等相關(guān)部門(mén)必須重視電壓互感器故障所帶來(lái)的問(wèn)題。因此，研究電壓互感器故障機(jī)理和防護(hù)措施，可以給動(dòng)車(chē)組更安全、快速、有效運(yùn)行提供一定的保障。電壓互感器的二次側(cè)所接的負(fù)荷是阻抗很大的測(cè)量?jī)x表和繼電器線(xiàn)圈，因此，正常工作時(shí)接近于空載狀態(tài)，而在空載狀態(tài)下容易發(fā)生鐵磁諧振。同時(shí)，筆者認(rèn)為非線(xiàn)性的鐵磁振蕩帶來(lái)的過(guò)電壓和過(guò)電流同時(shí)作用可對(duì)電壓互感器產(chǎn)生致命影響。因此，本文主要分析電力機(jī)車(chē)過(guò)分相過(guò)程對(duì)電壓互感器的影響，總結(jié)當(dāng)前引起列車(chē)互感器故障的主要原因。

1電壓互感器概述

1.1電壓互感器的概念

眾所周知，電壓互感器的整個(gè)電力系統(tǒng)中最重要的設(shè)備之一。在本義上，電壓互感器只是一種連接設(shè)備，其主要作用在電力設(shè)備中一次電氣回路和兩次電氣回路中。此外，在主電網(wǎng)中，和用戶(hù)之間建立聯(lián)系也是靠著中壓配電設(shè)備，其設(shè)備的完善和發(fā)展對(duì)整個(gè)電網(wǎng)也起著至關(guān)重要的作用。隨著社會(huì)的發(fā)展，對(duì)于電壓互感器的要求也會(huì)越發(fā)嚴(yán)格。

1.2電壓互感器的類(lèi)型

一般而言，變電站中電壓互感器主要有兩種：一種就是電磁式，還有一種是電容式電壓互感器。針對(duì)電磁式電壓互感器來(lái)說(shuō)，是相對(duì)意義上較為傳統(tǒng)的一種，因?yàn)闀r(shí)代的進(jìn)步，其性能已經(jīng)不能滿(mǎn)足當(dāng)下的電力行業(yè)的需求，而且本身上還存在著一些不足，如成本相對(duì)較高并且體積大不利于作業(yè)。所以這些都會(huì)對(duì)電磁式電壓互感器造成一定的不利影響。然而，電容式電壓互感器較之就有一定的優(yōu)勢(shì)。當(dāng)前，主要使用的就是電容式。然而這種電壓互感器到目前為止使用期限并不長(zhǎng)，所以，在實(shí)際應(yīng)用中還是有很多故障和問(wèn)題的發(fā)生。

2動(dòng)車(chē)組過(guò)分相模型搭建及過(guò)程分析

2.1動(dòng)車(chē)組過(guò)分相的數(shù)學(xué)模型

高速鐵路過(guò)分相過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，高速動(dòng)車(chē)組斷電通過(guò)電分相時(shí)，受電弓在不同位置多次與接觸網(wǎng)的接觸導(dǎo)線(xiàn)和中性線(xiàn)的接觸導(dǎo)線(xiàn)發(fā)生瞬時(shí)接觸和分離，七跨電分相示意圖如圖1所示。此時(shí)，系統(tǒng)會(huì)從穩(wěn)態(tài)進(jìn)入暫態(tài)過(guò)程。本文根據(jù)動(dòng)車(chē)組受電弓在通過(guò)電分相時(shí)的不同位置，對(duì)過(guò)分相過(guò)程進(jìn)行劃分，以便對(duì)其進(jìn)行分析。

動(dòng)車(chē)組等效模型分為正常運(yùn)行與切斷車(chē)上主斷路器運(yùn)行兩部分。正常運(yùn)行時(shí)動(dòng)車(chē)組等效模型用一阻抗表示；切斷主斷路器后，動(dòng)車(chē)組只剩下高壓側(cè)相關(guān)電路，因而用電阻、電感、電容并聯(lián)表示高壓側(cè)對(duì)地參數(shù)。在上述等效電路的基礎(chǔ)上，再考慮牽引變電所等效電源和等效阻抗，以及接觸網(wǎng)和中性段間的相對(duì)電容，建立高速動(dòng)車(chē)組過(guò)分相電路等效模型，如圖2所示。

機(jī)車(chē)進(jìn)入中性區(qū)之前，將禁止雙弓運(yùn)行，機(jī)車(chē)司機(jī)要斷開(kāi)主斷路器切斷牽引負(fù)荷，此時(shí)供電臂的負(fù)載主要是接觸網(wǎng)線(xiàn)路阻抗、電壓互感器、高壓電纜電容，我們可以將過(guò)分相的等值電路簡(jiǎn)化見(jiàn)圖3。

圖3中RC和LC表示AT變壓器勵(lì)磁阻抗，R和L中包含AT變壓器的等值漏抗和接觸線(xiàn)的等值阻抗，C1表示接觸線(xiàn)的對(duì)地電容，C2表示中性線(xiàn)的對(duì)地電容，C12表示接觸線(xiàn)與中性線(xiàn)間的耦合電容，C3表示受電弓對(duì)機(jī)車(chē)車(chē)頂?shù)碾娙莺碗娎|對(duì)地電容，Rm和Lm表示電壓互感器的勵(lì)磁支路。

2.2過(guò)分相鐵磁振蕩分析

供電臂通過(guò)耦合電容感應(yīng)電壓和互感器電壓相位相近時(shí)，就會(huì)使互感器電壓

幅值升高且持續(xù)存在，發(fā)生鐵磁諧振。同時(shí)由于電壓互感器鐵芯材料的非線(xiàn)性特性，導(dǎo)致放電回路有諧波產(chǎn)生；鐵磁諧振的頻率是由外部電源頻率和放電回路參數(shù)決定。

分相中性區(qū)出現(xiàn)鐵磁振蕩的示意圖如圖4所示。

假如斷開(kāi)時(shí)互感器鐵芯流過(guò)電流i0=Imsinωt，電源電動(dòng)勢(shì)e（t）=Emcosωt，斷路器斷開(kāi)時(shí)i0=Imsinα，U0=Emcosα，則斷開(kāi)瞬間在電感和電容中所儲(chǔ)存的能量分別為：

能量在L、Ct在構(gòu)成的回路中相互轉(zhuǎn)化，在某一瞬間，全部電磁能量均變?yōu)殡妶?chǎng)能量，這時(shí)電容Ct上的電壓Um，根據(jù)能量守恒定律：

振蕩電壓u（t）的表達(dá)式可從回路微分方程求解獲。若略去回路損耗，回路的自振角頻率為ω0，斷路器斷開(kāi)時(shí)刻可能發(fā)生在工頻電流上升部分，也有可能發(fā)生在工頻電流下降部分，二者的振蕩電壓表達(dá)式分別為：

外部電源通過(guò)耦合電容而產(chǎn)生的感應(yīng)電壓為：

若u′與u（t）相位相近時(shí)，就會(huì)使u（t）幅值升高且持續(xù)存在，互感器就會(huì)發(fā)生鐵磁諧振。同時(shí)由于互感器鐵芯材料的非線(xiàn)性特性，導(dǎo)致放電回路有諧波產(chǎn)生。鐵磁振蕩的頻率是由外部電源頻率和放電回路參數(shù)決定。

3過(guò)分相仿真

3.1過(guò)分相仿真模型

首先，建立電壓互感器模型，用電感串聯(lián)電阻的模型代替鐵芯電感和銅耗，不能反映互感器鐵芯的飽和特性，增大仿真誤差。動(dòng)車(chē)組列車(chē)過(guò)分相的電氣模型主要包括動(dòng)車(chē)組、接觸網(wǎng)和中性段三部分。接觸網(wǎng)、中性段等效建模與電力線(xiàn)路的等值電路類(lèi)似，動(dòng)車(chē)組負(fù)荷用電阻、電感和電容等效。由此，過(guò)分相得仿真模型如圖6所示。

設(shè)定仿真參數(shù)為：兩端電源有效值為27.5kV，頻率50Hz，電壓互感器的飽和特性曲線(xiàn)由實(shí)測(cè)法設(shè)定，車(chē)頂電纜長(zhǎng)度200米，根據(jù)分相絕緣區(qū)段的長(zhǎng)度和動(dòng)車(chē)過(guò)分相時(shí)的速度設(shè)置各斷路器的動(dòng)作時(shí)間。列車(chē)進(jìn)入過(guò)分相在t=0.1s時(shí)主斷路器0斷開(kāi)，切斷牽引負(fù)荷；t=0.205s時(shí)斷路器1閉合，受電弓通過(guò)電弧跨接左供電臂和中性區(qū)；t=0.265s時(shí)斷路器2斷開(kāi)，相當(dāng)于列車(chē)離開(kāi)左供電臂，此時(shí)受電弓處于中性區(qū)，僅與中性線(xiàn)連接；t=1s時(shí)斷路器3動(dòng)作，受電弓逐漸離開(kāi)中性區(qū)進(jìn)入過(guò)渡段，逐漸與右供電臂相連。

3.2仿真結(jié)果

仿真過(guò)分相全過(guò)程中，電壓互感器一次繞組電壓電流如圖7所示。從圖7可以看出，機(jī)車(chē)斷主斷路器，切斷牽引負(fù)荷產(chǎn)生過(guò)電壓，而且在分相中性區(qū)電壓互感器發(fā)生鐵磁振蕩，一次側(cè)繞組電壓幅值已超過(guò)額定電壓，互感器一次側(cè)繞組流過(guò)的電流也明顯增加。對(duì)電壓互感器一次側(cè)電壓波形進(jìn)行傅里葉分析，得到頻率分布如圖8所示。

圖8表明諧振頻率低于工頻，屬于低頻諧振，特點(diǎn)是過(guò)電壓幅值不高，通常不大于2倍的額定電壓，但是會(huì)產(chǎn)生額定電流幾十倍以上的大電流，一次側(cè)繞組工作電流的倍增使得互感器內(nèi)部局部區(qū)域的溫升迅速提高，反復(fù)的過(guò)電流會(huì)導(dǎo)致層間絕緣材料被逐步地破壞?；ジ衅鏖L(zhǎng)期處于大電流工作狀態(tài)同時(shí)還要承受切除牽引負(fù)荷產(chǎn)生的過(guò)電壓沖擊，二者同時(shí)作用會(huì)引發(fā)互感器燒損、爆炸等故障。

結(jié)論

動(dòng)車(chē)組過(guò)分相過(guò)程中，處于中性區(qū)時(shí)，電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振，振蕩為低頻振蕩，電壓互感器一次側(cè)繞組中有大電流流過(guò)并在鐵芯中產(chǎn)生交變的磁通，交變的磁通在繞組和鐵芯中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，鐵芯內(nèi)部有渦流產(chǎn)生，產(chǎn)生熱效應(yīng)，產(chǎn)生的熱量短時(shí)間內(nèi)散不出去，就容易引起鐵芯燒損。因此，電壓互感器過(guò)分相時(shí)發(fā)生低頻鐵磁諧振帶來(lái)的過(guò)電壓和過(guò)電流，是導(dǎo)致動(dòng)車(chē)組電壓互感器故障的主要原因。

參考文獻(xiàn)

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[2]徐鑫.電壓互感器的常見(jiàn)故障分析[J].硅谷，2017（3）：255-256.

（作者單位：北京鐵路集團(tuán)天津動(dòng)車(chē)客車(chē)段天津動(dòng)車(chē)所）