馬晨陽 林燕舞 朱 娟

（1.鐵科縱橫（天津）科技發(fā)展有限公司，天津 301700；2.齊齊哈爾四達鐵路設(shè)備有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002）

1 牽引電網(wǎng)中牽引變流器系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容分析

1.1 系統(tǒng)主要組成部分

市場上現(xiàn)行的牽引變流器主要由轉(zhuǎn)接線束及線束工裝車、試驗臺及上位機系統(tǒng)構(gòu)成，為了確保企業(yè)能夠達到顯著的運行效果，此處在進行的絕緣試驗應(yīng)用了南京長盛的CS99xxX-Nxx 系列產(chǎn)品，在積投入相關(guān)建設(shè)資金后，借助西門子PLC 作為控制單元，低壓電氣元件、高壓干簧繼電器等元件構(gòu)建相對完整的操作程序。

1.2 牽引變流器耐壓測試基本流程分析

（1）牽引變流器主要功能和軟件系統(tǒng)研究

牽引變流器是整個列車組的重要組成部分之一，大多數(shù)會被安裝在各類列車的最下方。在實際的應(yīng)用過程中，其主要會對直流制和交流制中的電能量進行轉(zhuǎn)換，并結(jié)合接觸網(wǎng)內(nèi)部的1500V 直流電轉(zhuǎn)換為0V～1150V 的三相交流電，繼而通過一定的調(diào)壓調(diào)頻方式來對交流牽引機，進行制動、調(diào)速處理。在電子電力技術(shù)不斷發(fā)展的大時代背景下，牽引變流器在軌道列車中也發(fā)揮著越來越重要的作用。其次，經(jīng)過相關(guān)人員開發(fā)和研制，通過IGBT、GTO、IPM 軟件來作為整個電壓驅(qū)動的全控型開關(guān)元件，在實際的運用中，脈沖開關(guān)憑借著性能較好。損耗小、開關(guān)頻率高等特點受到研發(fā)人員一致認可，牽引變流器主要在供電環(huán)節(jié)使用，主要由制動電阻、電阻制動器、PWM 逆變器及直流連接環(huán)節(jié)組成（見圖1）。

（2）絕緣耐壓測試

首先，應(yīng)將插頭U31X1、U32X1、U33X1 進行有效連接處理，并及時對箱體、被測回路及與箱體連接的相關(guān)線路進行全面的隔離開測試處理，在保證接地完整的基礎(chǔ)上，引進先進的耐壓測試儀器進行全面的測試。其次，具體的測試耐壓調(diào)壓率應(yīng)按照≤ΔU/T=500V/s 逐步調(diào)高或下降，基本耐壓測試分析表見表1。值得注意的是，應(yīng)合理的確定上升調(diào)整時間、耐壓測試時間、下降調(diào)壓（V）時間，在試驗準備前，操作人員應(yīng)提前確定好每個試驗環(huán)節(jié)的耗費時間。再次，確保最終的試驗結(jié)果最大漏電流I在可控范圍之內(nèi)。最后，當相關(guān)回路測試結(jié)束后，應(yīng)將所有的測試線路歸于原處，為下一個回路測試順利進行奠定夯實基礎(chǔ)。具體的測試時間和耐壓時間圖如圖2 所示。

（3）絕緣電阻測試

首先，應(yīng)將U31X1、U32X1、U33X1 插頭拔下，并保證被測回路與箱體、以及與箱體相連接的回路必須處于隔離開測試狀態(tài)。其次，當進行實際的絕緣電阻測試后，應(yīng)確保整體測試時間適中，一般為4s～5s 左右。最后，應(yīng)對SK1～SK5一次進行測驗。

1.3 牽引變流器概述及主要工作原理分析

（1）概述

交流異步電動機電源頻率和同步轉(zhuǎn)速的具體關(guān)系如公式（1）所示。

圖1 牽引變流器軟件應(yīng)用界面圖

表1 基本耐壓測試分析表

式中：n 代表電機整個轉(zhuǎn)速；f 代表供電頻率；p 代表電動機極對數(shù)；s 代表轉(zhuǎn)差率。

在對電機內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行調(diào)速后，應(yīng)用半導(dǎo)體功率開關(guān)元件對變頻設(shè)備、變頻電源對異步電動機進行調(diào)速。從實際的性能來講，計算公式如公式（2）所示[4]。

式中：U 代表電機電壓；E 代表電動勢；f代表電機定子繞組中感應(yīng)電動勢的頻率，與電源頻率f 相等，計量單位Hz；K 代表電機定子繞組的繞組系數(shù)，其值由繞組結(jié)構(gòu)決定，K<1；N代表電機定子繞組每相串聯(lián)的線圈匝數(shù)；φ 代表電機每極磁通。

在實際的調(diào)速管理中，應(yīng)確保U不變的基礎(chǔ)上，φ 和f成反比，即φ 增加，f隨之減少，此時牽引變流器的磁路應(yīng)處于飽和狀態(tài)，當勵磁電流急劇上升時，鐵損也應(yīng)隨之上升，此時電機的功率因數(shù)逐漸下降，電機發(fā)熱效果和運行功率也明顯下降，假如f逐漸上升，φ 就隨之減小，此時電磁轉(zhuǎn)矩數(shù)值逐漸降低的同時，電機負載能力也相繼下降，由此可以看出，在對f進行調(diào)整的過程中，還要對U進行合理規(guī)劃，只有在電機運行效果完好的基礎(chǔ)上，才能對變頻變壓電源進行綜合調(diào)速管理。

（2）牽引變流器工作原理

牽引變流器通過合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將直流電轉(zhuǎn)換成頻率可變的交流電和相應(yīng)的電壓，并采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）方法，促使牽引變流器實際的輸出波形酷似正弦波，在廣泛應(yīng)用于驅(qū)動異步電機后，達到無極調(diào)速效果。

圖2 測試時間和耐壓時間圖

2 牽引電網(wǎng)過電壓的工作機理

2.1 牽引電力機車

具體的牽引電網(wǎng)供電系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)機車具體型號適當調(diào)整。產(chǎn)生大面積電容、電感、電阻現(xiàn)象是牽引電網(wǎng)中經(jīng)常出現(xiàn)的問題之一，牽引電網(wǎng)在運行中同時也面臨轉(zhuǎn)動負荷壓力過大、變化波動明顯的不良后果。

2.2 牽引電網(wǎng)過電壓工作機理

（1）電力機車在行駛過程中產(chǎn)生的網(wǎng)端過電壓分析

電力機車的機械元件、受電弓等部位在和接觸線緊密連接期間，會在滑動期間產(chǎn)生明顯的受電情況。通過簡單的牽引電網(wǎng)運行可以得知，求得回路總電感的計算如公式（3）、公式（4）所示。

式中：C 代表對地總電容；L 代表牽引電網(wǎng)饋電線長度；L代表整流變壓漏感器；l代表電力機車與電源端總體間距的饋線總長度；L代表單位長度接觸線電感；C代表對地電容量；C代表母線對地電容。

然而，受到外界客觀環(huán)境因素影響，電力機車在運行期間可能會出現(xiàn)“跳弓”等不良情況，在伴隨斷弧和起弧時，可能導(dǎo)致機車變換器設(shè)備出現(xiàn)故障，具體來說，在處于通電狀態(tài)的起弧模式下，電弧的運行參數(shù)會不斷下降，而一旦出現(xiàn)斷弧效應(yīng)時，電路系統(tǒng)會產(chǎn)生明顯波動，在產(chǎn)生相關(guān)電磁反應(yīng)后，饋電線電壓數(shù)值直接增加，計算公式如公式（5）所示。

式中：I代表電力機車電流數(shù)值由；U代表電動機反電勢由；U代表網(wǎng)端過電壓。

U可套用上述能量關(guān)系計算公式（4）求得。值得注意的是，如果是多臺電力機車同時運轉(zhuǎn)，機車內(nèi)部的電力裝置會自動產(chǎn)生大規(guī)模的網(wǎng)端過電壓泄放回路現(xiàn)象。

（2）電力機車行程過程中受電弓端過電壓分析

當電力機車的相關(guān)裝置出現(xiàn)電源斷開現(xiàn)象時，就會出現(xiàn)相應(yīng)的“跳弓”截流情況，在各電機系統(tǒng)產(chǎn)生電磁后，就會產(chǎn)生相應(yīng)的等效電路圖。其中，設(shè)電動機回路的等效電阻為R，等效電感為L，初始電流為I，電動機反電勢為U，對饋電線電容為C，受電弓對地電容為C。在實際的等效電路中，可以不對電阻R和C的數(shù)值進行細致計算，如果將U設(shè)置為一個固定參數(shù)，則振蕩電壓u（t）的計算公式如公式（6）所示。

式中：t 代表時間。

（3）牽引電網(wǎng)操作電源開關(guān)過電壓

在進行電源閘開關(guān)啟動時，研究人員在對電阻影響忽略后，可以得出公式（7）。

式中：u（t）代表電容電壓。

公式各個元素含義同上。假定進行電源閘關(guān)閉啟設(shè)置時，即對牽引電網(wǎng)進行載合關(guān)閉時，電動機的所有分支電路都會斷開連接，在電磁過程中的整體電壓為設(shè)定的2 倍。

（4）交流系統(tǒng)過電壓的影響

眾所周知，交流電網(wǎng)在供電過程中會形成牽引電網(wǎng)，而在電網(wǎng)運行期間形成的過電壓流經(jīng)整流器設(shè)備時會對牽引電網(wǎng)造成極大影響。例如，如果形成三相橋式整流器供電的模式時，在牽引電網(wǎng)中產(chǎn)生的過電壓即為線路間過電壓，其基本電壓數(shù)值始終為整數(shù)，如公式（8）所示。

式中：u 代表過電壓；u，u，u代表線路內(nèi)部的過電壓。

3 牽引電網(wǎng)過電壓測試系統(tǒng)設(shè)計

3.1 測試系統(tǒng)設(shè)計分析

牽引電網(wǎng)中的隨機信號和過電壓信號是對等的，在按照前文敘述的計算公式后，得出完整的系統(tǒng)數(shù)量運行關(guān)系網(wǎng)。為了能夠達到國家設(shè)定的系統(tǒng)運行標準，科研人員應(yīng)密切關(guān)注牽引電網(wǎng)運行狀態(tài)，制造出先進的分壓器-磁帶記錄設(shè)備，在聯(lián)系磁帶記錄儀提供的大量信號后，利用系統(tǒng)技術(shù)來優(yōu)化記錄儀的工作效率。

3.2 測錄信號回放處理分析

對當前牽引信號和各類情況綜合收集匯總可以發(fā)現(xiàn)，電壓信號的形成原因有多種，此處簡單的介紹以下幾種回放處理設(shè)計內(nèi)容。首先，針對于磁帶記錄儀-記憶示波器回放系統(tǒng)，操作人員根據(jù)儀器設(shè)備內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號，通過記憶示波器等設(shè)備來搜尋到相關(guān)電壓信號，在一系列的定量分析后，采用拍攝采集到相關(guān)電壓波形信號。

4 牽引電網(wǎng)過電壓測試及測試結(jié)果

4.1 測試項目及測錄

在對山西省臨汾市鄉(xiāng)寧和蒲縣附近諸多煤礦井內(nèi)的牽引電網(wǎng)進行測試后，測試人員通過對電力機車受電弓側(cè)過電壓數(shù)據(jù)信息，對電力機車電源進行啟停處理后，拉閘在電力機下呈現(xiàn)的反應(yīng)及電力機車行車中牽引電網(wǎng)饋電線的過電壓值進行測試后，在空載情況下對合閘處理進行測試，回放處理后，獲得牽引電網(wǎng)總的過電壓幅值和脈寬信息。

4.2 3種測試結(jié)果

首先，針對牽引電網(wǎng)的饋電線過電壓管理，尤其電力機車在實際行駛過程中，可能極易受到電壓荷載壓力影響。例如，電網(wǎng)過壓值可能在“截流”期間發(fā)生大幅度的變化，主要是由于電網(wǎng)負載壓力和電壓倍數(shù)存在一定聯(lián)系。

其次，在對電力機車受電弓過電壓進行測試時，可以直接獲取50 次～60 次的“跳弓”截流過電壓信號，同樣，過電壓負載和倍數(shù)存在一定的聯(lián)系，基本保持在1.24～3.97，此時脈寬為0.47ms，整體振蕩頻率為1.12kHz。值得重點說明的是，電力機車在行駛期間如果出現(xiàn)反復(fù)的起弧現(xiàn)象，此時牽引電網(wǎng)內(nèi)部的燃弧效應(yīng)不會形成過電壓，并構(gòu)成完整的實錄波形圖。

最后，在牽引電網(wǎng)中進行電源開關(guān)的操作時主要有以下2 種測試結(jié)果。第一，空載合閘過程中，在實際回放期間不會產(chǎn)生過電壓信號。第二，在拉閘期間，兩個網(wǎng)分別進行20 次試驗，回放期間都會存在振蕩電壓，整個衰減過程相對較快。對其中一個網(wǎng)進行測驗，其過電壓幅度最高可達7.4 倍，平均可達4.3 倍，脈寬2.32μs。另一個網(wǎng)的過電壓幅值最高可達6.1倍，平均達3.9 倍，脈寬1.72μs。

4.3 測試結(jié)論

首先，受電弓經(jīng)常出現(xiàn)“跳弓”情況時，電磁出現(xiàn)震蕩反應(yīng)主要是由于牽引電網(wǎng)中“跳弓”截流的位置造成的，基本的過電壓幅度不會高于4.1 倍，脈寬在1.1ms 左右，這些現(xiàn)象的產(chǎn)生基本會電網(wǎng)中系統(tǒng)配置參數(shù)有著直接聯(lián)系。

其次，一旦振蕩過電壓出現(xiàn)在牽引電網(wǎng)拉閘過程中，即表明整體的幅值倍數(shù)較高，在進行此個操作環(huán)節(jié)時應(yīng)對電源進行切斷處理。一旦故障發(fā)生后才會開始進行跳閘，在實際的過電壓數(shù)據(jù)分析中可以不以此種過電壓現(xiàn)象作為參考依據(jù)。與此同時，當交流系統(tǒng)中的過電壓通過整流器傳遞至牽引電網(wǎng)過電壓時，可以通過在電源測方設(shè)置吸收電路。

最后，在對電力機車電子裝置設(shè)計過程中，通過大量實踐證明，使用4 倍電源電壓、1.1ms 脈寬的過電壓設(shè)計阻波電路可以確保整個系統(tǒng)的過壓能力。

5 結(jié)語

工業(yè)企業(yè)管理人員應(yīng)順應(yīng)時代發(fā)展契機，在對牽引電網(wǎng)過電壓產(chǎn)生原理充分了解的基礎(chǔ)上，投入適量建設(shè)資金，引進先進的電力電子裝置，尤其是在應(yīng)用較多的城市交通軌道建設(shè)中，管理部門應(yīng)確保牽引電網(wǎng)安全穩(wěn)定的情況下，對電網(wǎng)系統(tǒng)中進行過電壓檢測和絕緣檢驗，在保證電力裝置性能良好的基礎(chǔ)上，拓展牽引系統(tǒng)應(yīng)用范圍，促進社會的可持續(xù)發(fā)展。