曹保江，宋勇葆，高國(guó)強(qiáng)，吳廣寧

(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

車載牽引變壓器作為動(dòng)車組的核心設(shè)備，其在動(dòng)車組升降弓、過分相、弓網(wǎng)離線等過程中頻繁的投入與切出，這對(duì)其工作時(shí)良好運(yùn)行提出了嚴(yán)峻考驗(yàn)。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，變壓器勵(lì)磁電流大約為額定電流的2%，變壓器空載合閘時(shí)，變壓器鐵芯磁通過飽和，將產(chǎn)生很大的勵(lì)磁涌流，其幅值可能達(dá)到額定電流的4～8倍[1]。勵(lì)磁電流較大會(huì)對(duì)列車車載變壓器造成損害，損壞車載牽引變壓器的絕緣性能，使其機(jī)械應(yīng)力變大，導(dǎo)致牽引繞組變形，引起變壓器繼電保護(hù)系統(tǒng)的誤動(dòng)作，也會(huì)給高速列車高壓系統(tǒng)帶來一定程度的危害[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于變壓器空載合閘產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的研究大多集中在勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的機(jī)理、勵(lì)磁涌流的諧波特征等方面[3]。文獻(xiàn)[4]以單相變壓器為例，簡(jiǎn)要分析了變壓器勵(lì)磁涌流的產(chǎn)生機(jī)理，提出勵(lì)磁涌流的大小與鐵芯剩磁、合閘時(shí)電壓的相角等因素有關(guān)。文獻(xiàn)[5]提出電力機(jī)車空載合閘時(shí)的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB對(duì)比分析勵(lì)磁涌流與變壓器短路電流各自的特點(diǎn)。文獻(xiàn)[6]結(jié)合CRH3型動(dòng)車組牽引變壓器特性，對(duì)其高壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，同時(shí)通過傅里葉分析對(duì)勵(lì)磁涌流進(jìn)行了諧波分析，認(rèn)為高速動(dòng)車組牽引變壓器采用二次諧波制動(dòng)比的差動(dòng)保護(hù)方法是可行的。文獻(xiàn)[7]利用FFT(傅里葉分析)和小波分析，對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī)理及特征進(jìn)行研究，提出可以根據(jù)二次諧波含量和小波系數(shù)的特征來鑒別變壓器勵(lì)磁涌流和故障電流。文獻(xiàn)[8]研究空載投入變壓器時(shí)產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流對(duì)直流輸電系統(tǒng)正常運(yùn)行產(chǎn)生的影響，這對(duì)動(dòng)車組牽引傳動(dòng)整流，直流側(cè)中間支撐電容選型有指導(dǎo)意義。文獻(xiàn)[9]提出變壓器勵(lì)磁涌流是引起差動(dòng)保護(hù)暫態(tài)不平衡電流的主要原因。文獻(xiàn)[10]認(rèn)為牽引變壓器低壓側(cè)電流互感器暫態(tài)飽和、沖擊電流中含有大量負(fù)荷電流是造成差動(dòng)保護(hù)二次諧波制動(dòng)失效的原因。

綜上所述，研究變壓器勵(lì)磁涌流的特點(diǎn)具有重要意義。本文針對(duì)動(dòng)車組車載自動(dòng)斷電過分相過程中產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流進(jìn)行研究分析。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)波形，分析勵(lì)磁涌流中諧波構(gòu)成特點(diǎn)，構(gòu)建仿真模型并探究變壓器剩磁、合閘時(shí)電壓的相角對(duì)勵(lì)磁涌流的影響。

1 動(dòng)車組車載自動(dòng)斷電過分相過程

電氣化鐵路采用分段供電，變電所與變電所之間的接觸網(wǎng)中設(shè)置的無電區(qū)段稱為分相區(qū)。車輛進(jìn)入分相區(qū)前，停止?fàn)恳瑪嚅_主斷路器，車輛依靠慣性通過分相區(qū)，駛出分相區(qū)后，再牽引行駛。CRH380B型動(dòng)車組采用車載式GXF-3A自動(dòng)斷電過分相裝置。動(dòng)車組通過車載信號(hào)接收器獲取地面信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的定位信號(hào)，確定車輛在分相區(qū)域的位置。在過分相過程中，除分相預(yù)告外的一切操作均由動(dòng)車組控制系統(tǒng)自動(dòng)完成。圖1給出了車載信號(hào)接收器和地面信號(hào)發(fā)生器的位置。動(dòng)車組頭車(即端車EC01/EC08)到達(dá)G1點(diǎn)時(shí)，列車中央控制單元(CCU)封鎖四象限整流器，變流器整流部分不工作，牽引傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入“直流環(huán)節(jié)電壓保持”模式，此后CCU命令斷開主斷路器(VCB)，動(dòng)車組將在無牽引、無網(wǎng)壓的狀態(tài)下駛?cè)敕窒鄥^(qū)[11]。此后列車不能施加牽引力，車載供電不能由接觸網(wǎng)提供，再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能也不能回饋給接觸網(wǎng)，空氣制動(dòng)可以繼續(xù)發(fā)揮作用，過分相前后車上的風(fēng)機(jī)類負(fù)載、伴熱等阻性負(fù)載、照明、繼電器等負(fù)載均不斷電，再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能可確保列車通過分相區(qū)時(shí)對(duì)輔助供電系統(tǒng)的持續(xù)供電。頭車到達(dá)G2點(diǎn)時(shí)，CCU將發(fā)出“強(qiáng)制斷開VCB”信號(hào)將其斷開，確保列車斷電過分相。頭車到達(dá)G3點(diǎn)時(shí)，CCU發(fā)出合VCB指令，控制VCB重新閉合。頭車到達(dá)G4點(diǎn)時(shí)，CCU檢測(cè)到接觸網(wǎng)電壓在正確有效范圍之內(nèi)，控制列車進(jìn)入牽引工況。

圖1 動(dòng)車組過分相過程

CRH380B型動(dòng)車組的主電路由網(wǎng)側(cè)電壓互感器、主斷路器、車載牽引變壓器、牽引變流器(包括四象限整流器、中間直流環(huán)節(jié)、逆變器)和牽引電機(jī)組成。主電路如圖2所示。受電弓從接觸網(wǎng)獲得工頻單相交流電后，由牽引變壓器降壓后輸入牽引變流器。牽引變流器單元內(nèi)部的四象限整流器將1 550 V的交流電整流為3 000 V的中間直流電壓。中間直流電壓通過PWM變頻單元向牽引電機(jī)提供變壓變頻(VVVF)的三相交流電[11]。

圖2 動(dòng)車組主電路

2 牽引變壓器勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī)理分析

式中：C1為衰減的非周期分量，若不考慮損耗，則為直流分量。設(shè)斷路器閉合(t=0)瞬間接觸網(wǎng)電源電壓為u2(t)=Umsin(ωt+β)，此時(shí)變壓器主磁通φ2為

由于過分相時(shí)間間隔較短，根據(jù)鐵芯磁通不能突變的特性，得到空載合閘時(shí)鐵芯中的磁通為

3 模型構(gòu)建與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

車載牽引變壓器勵(lì)磁涌流主要發(fā)生在動(dòng)車組接收到地面信號(hào)后斷路器合閘時(shí)。合閘前四象限脈沖整流器由中央控制單元控制關(guān)閉，牽引電機(jī)再生制動(dòng)發(fā)出的電能經(jīng)逆變器整流后給中間直流環(huán)節(jié)，不回饋給接觸網(wǎng)，只為輔助供電系統(tǒng)供電，供動(dòng)車組輔助用電設(shè)備使用[11]。合閘后的一段時(shí)間內(nèi)動(dòng)車組仍處于無牽引狀態(tài)，直到檢測(cè)到接觸網(wǎng)電壓處于合理范圍內(nèi)，才施加牽引力運(yùn)行。因此，仿真模型中牽引變壓器二次側(cè)設(shè)置為空載狀態(tài)。本文采用國(guó)際上通用的電力系統(tǒng)電磁暫態(tài)仿真程序PSCAD/EMTDC[8]。圖3為仿真模型。接觸網(wǎng)電源電壓為27.5 kV，電分相兩側(cè)供電臂長(zhǎng)度為25 km，車載主變壓器采用經(jīng)典模型，容量為3.06 MV/A，變比為27.5 kV/1.5 kV，仿真中用直流電流源來模擬變壓器剩磁。模型中主要參數(shù)見表1。

圖3 仿真電路圖

為了解過分相期間牽引變壓器勵(lì)磁涌流實(shí)際運(yùn)行情況，本文選取牽引變壓器一次側(cè)作為主要測(cè)試對(duì)象，在相應(yīng)的測(cè)點(diǎn)安裝電流檢測(cè)傳感器。動(dòng)車組運(yùn)行過程中，實(shí)時(shí)跟蹤牽引變壓器一次側(cè)工作地繞組電流，所有數(shù)據(jù)通過雙層屏蔽信號(hào)電纜輸入到多通道數(shù)據(jù)采集器內(nèi)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖4所示。

表1 模型中主要參數(shù)值

圖4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

測(cè)試中，多次采集到一次側(cè)勵(lì)磁涌流現(xiàn)象的發(fā)生。圖5為典型的一次過分相過程中勵(lì)磁涌流現(xiàn)象，局部電流波形放大圖如圖6所示，可以看到勵(lì)磁涌流幅值達(dá)到平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)一次側(cè)電流的3～4倍，約為360 A。其值有可能達(dá)到變壓器差動(dòng)保護(hù)整定值，引起差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)作，對(duì)動(dòng)車組的正常運(yùn)行造成很大影響。

圖5 變壓器一次側(cè)電流

圖6 一次側(cè)勵(lì)磁涌流放大圖

勵(lì)磁電流波形表現(xiàn)為明顯的尖頂波和間斷角，偏向于時(shí)間軸一側(cè)，含有大量非周期分量和高次諧波分量。非周期分量的衰減時(shí)間常數(shù)與變壓器至電源間阻抗的大小、變壓器容量以及鐵芯的飽和程度等因素有關(guān)。

圖7為利用MATLAB中的powergui模塊對(duì)勵(lì)磁涌流進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)分析得到的勵(lì)磁涌流諧波含量圖。圖8為各次諧波含量隨著時(shí)間的變化趨勢(shì)?？梢缘贸觯叽沃C波中以二次和三次諧波為主，二次諧波含量較高，三、四、五次諧波含量相對(duì)較低，而且隨著時(shí)間的推移，各次諧波含量所占的比例均有增加，其中二次諧波的含量在合閘后的一段時(shí)間內(nèi)超過基波分量的60%，這為變壓器差動(dòng)保護(hù)準(zhǔn)確區(qū)分勵(lì)磁涌流和故障電流提供了參考依據(jù)。

圖7 變壓器空載合閘勵(lì)磁涌流FFT分析

圖8 各次諧波含量

4 仿真結(jié)果分析

利用建立的仿真模型，對(duì)變壓器產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流進(jìn)行仿真分析。

4.1 剩磁對(duì)勵(lì)磁涌流的影響

仿真中通過在變壓器一次側(cè)注入直流電流的方式來模擬變壓器剩磁，直流電流與初始剩磁的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。改變電流值的大小可以改變剩磁，在電源相位角為0°時(shí)進(jìn)行仿真，此相位角下勵(lì)磁涌流最大，鐵芯飽和最為嚴(yán)重，仿真結(jié)果如圖9所示。由圖9可知，波形偏離時(shí)間軸一側(cè)，出現(xiàn)間斷。剩磁越大，變壓器勵(lì)磁涌流越嚴(yán)重，幅值越大。剩磁為0.3 p.u時(shí)，勵(lì)磁涌流最大值為552 A，剩磁為0.5 p.u時(shí)，勵(lì)磁涌流最大值為649 A，剩磁為0.7 p.u時(shí)，勵(lì)磁涌流最大值為730 A。根據(jù)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，沒有剩磁的情況下一樣會(huì)有涌流存在，這主要是因?yàn)榇藭r(shí)變壓器已經(jīng)出現(xiàn)飽和。勵(lì)磁涌流的間斷角與鐵芯飽和磁通、剩磁大小、合閘時(shí)刻有很大關(guān)系。仿真與試驗(yàn)波形大致趨勢(shì)基本一致，仿真值比實(shí)測(cè)值偏大，主要原因可能是仿真時(shí)接觸網(wǎng)電壓相位、變壓器剩磁與實(shí)測(cè)值不同。

表2 直流電流與初始剩磁對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖9 不同剩磁條件下勵(lì)磁涌流仿真結(jié)果

4.2 合閘角度對(duì)勵(lì)磁涌流的影響

仿真中通過改變合閘時(shí)刻的方式來模擬斷路器合閘初相角對(duì)勵(lì)磁涌流的影響。剩磁為額定磁通，合閘角為0°，30°，60°，90°時(shí)的仿真波形如圖10所示?？梢钥闯?，在合閘角為0°時(shí)勵(lì)磁涌流最大，合閘角為90°時(shí)涌流最小，符合勵(lì)磁涌流產(chǎn)生的原理。

圖10 不同電源相位角下空載合閘勵(lì)磁涌流

若不考慮變壓器剩磁和繞組損耗，根據(jù)第二節(jié)勵(lì)磁涌流產(chǎn)生機(jī)理，變壓器繞組產(chǎn)生磁通將超前合閘電壓90°。在接觸網(wǎng)電壓相位90°時(shí)合閘，車載變壓器的磁通量瞬時(shí)值剛好過零點(diǎn)，合閘前后系統(tǒng)的磁通未發(fā)生變化，變壓器鐵芯中的磁通處于穩(wěn)態(tài)，因此不會(huì)產(chǎn)生涌流現(xiàn)象。若在電壓過零時(shí)合閘，此時(shí)繞組磁通量相角為90°，磁通剛好達(dá)到峰值。為了保證合閘瞬間磁通量不變，在合閘后系統(tǒng)將產(chǎn)生一個(gè)暫態(tài)磁通，主要用于抵消合閘瞬間穩(wěn)態(tài)分量的的瞬態(tài)值，其大小和合閘初相角直接相關(guān)。此時(shí)，勵(lì)磁電流也將迅速增加以滿足磁通增加的需要，從而引起勵(lì)磁涌流現(xiàn)象的發(fā)生。在經(jīng)過半周期后，繞組的磁通反向，但之前產(chǎn)生的用于抵消繞組磁通的反磁通依然保持原有方向，此時(shí)鐵芯內(nèi)的磁通量相疊加，磁通量將擴(kuò)大一倍，使得鐵芯磁路出現(xiàn)嚴(yán)重的過飽合[12]。在不考慮剩磁自動(dòng)消退的情況下，如果將分閘相位角同合閘相位角合理配合，則能使剩磁和暫態(tài)磁通相互抵消，從而抑制涌流的產(chǎn)生。

5 結(jié)論

從實(shí)測(cè)電流波形及仿真驗(yàn)證可得到以下結(jié)論：

(1)勵(lì)磁涌流中含有高次諧波，其中以二次和三次諧波為主，二次諧波含量較高，三、四、五次諧波含量相對(duì)較低，而且隨著時(shí)間的推移，各次諧波含量所占的比例均逐漸增加，其中二次諧波的含量在合閘后的一段時(shí)間內(nèi)超過基波分量的60%。

(2)當(dāng)合閘角為0°、剩磁為0 p.u時(shí)，變壓器出現(xiàn)飽和，且變壓器剩磁越大，合閘瞬間變壓器飽和現(xiàn)象越突出，勵(lì)磁涌流現(xiàn)象越嚴(yán)重。

(3)合閘角度對(duì)變壓器勵(lì)磁涌流影響有較大影響，在合閘角為0°時(shí)勵(lì)磁涌流最大，合閘角為90°時(shí)涌流最小。主要原因是變壓器繞組產(chǎn)生磁通超前合閘電壓90°。