孫傳銘，楚天罡，張作欽，劉育欣，陳 星，景所立，楊澤鋒

(1.中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司,青島 266111; 2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,成都 611756)

引言

真空斷路器(Vacuum Circuit Breaker)是現(xiàn)代電氣化列車牽引變壓器一次側(cè)回路最重要的電氣設(shè)備之一[1-2],其工作狀態(tài)對列車安全穩(wěn)定運(yùn)行有很大影響。近年來,國外某型號動車車載VCB發(fā)生延時斷開故障,在過分相時VCB觸頭由于不能及時斷開[3-5],從而被迫降下受電弓以斷電。受電弓在帶電升降過程中會產(chǎn)生弓網(wǎng)電弧[6-7],燒蝕受電弓滑板,影響弓網(wǎng)受流質(zhì)量。經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn),VCB觸頭因?yàn)槿酆?圖1)發(fā)生粘連是導(dǎo)致延時斷開的直接原因。而導(dǎo)致觸頭熔焊有兩方面的原因:一是VCB在合斷瞬間觸頭之間電弧的燒蝕作用;二是通過VCB的電流過大產(chǎn)生高溫熔焊[8-9]。為了便于開展探究試驗(yàn),針對第二種原因展開測試和研究,探究造成VCB觸頭熔焊的根本原因。

圖1 VCB觸頭熔焊實(shí)物

目前,該型動車使用的車載VCB相關(guān)參數(shù)如表1所示。實(shí)際運(yùn)行中列車以滿功率行駛時,通過VCB的最大電流遠(yuǎn)小于其額定電流,不可能造成觸頭熔焊。因此,只有在合VCB時刻牽引變流器因鐵芯過飽和產(chǎn)生的勵磁涌流才有可能超過VCB閾值,產(chǎn)生過高的溫升導(dǎo)致VCB觸頭熔焊。牽引變壓器穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時,勵磁電流僅為額定電流的2%,但在合閘時,變壓器鐵芯磁過飽和,將產(chǎn)生很大的勵磁涌流,其大小能達(dá)到額定電流的2～8倍。

表1 VCB額定參數(shù)

為了驗(yàn)證是否是勵磁涌流過大導(dǎo)致VCB觸頭熔焊,對列車進(jìn)行現(xiàn)場測試。測試對象包括VCB電流、接觸網(wǎng)電壓、合斷VCB信號等,并利用PSCAD對車載牽引變壓器勵磁涌流進(jìn)行仿真,分析勵磁涌流影響因素并對勵磁涌流最大值進(jìn)行理論模擬。

1 過分相過程及勵磁涌流產(chǎn)生機(jī)理

列車采用列車過分相過程如圖2所示。列車進(jìn)入分相區(qū)A點(diǎn),中央控制單元收到閉鎖牽引變流器信號,牽引變流器進(jìn)入可靠閉鎖狀態(tài),牽引變壓器二次側(cè)無大電流,可視為空載。隨后中央控制單元發(fā)出斷開VCB信號,VCB斷開,列車將在無牽引狀態(tài)下通過分相區(qū)。通過分相區(qū)以后,到達(dá)B點(diǎn)時列車收到閉合VCB信號,中央控制單元發(fā)出閉合VCB信號,此時牽引變流器仍處于閉鎖狀態(tài),VCB在牽引變壓器二次側(cè)空載狀態(tài)下閉合,隨后牽引變流器解除閉鎖,列車恢復(fù)牽引供電[10-12]。

圖2 列車過分相示意

圖3為變壓器鐵芯磁化Φ-I曲線。可以看出,鐵芯在飽和點(diǎn)Фsat以前,Φ-I曲線斜率很大,勵磁電流增量變化緩慢[13-14]。而鐵芯過飽和以后,Φ-I曲線斜率很小,磁通發(fā)生微小變化也會導(dǎo)致勵磁電流出現(xiàn)很大增量。當(dāng)變壓器正常運(yùn)行時,鐵芯磁通在飽和點(diǎn)附近,勵磁電流很小。VCB合閘瞬間,由于磁滯效應(yīng),穿過變壓器鐵芯的磁通不會發(fā)生突變,繞組會產(chǎn)生一個與外加磁通大小相等、方向相反的反向暫態(tài)磁通。該磁通大小會隨時間逐漸衰減。當(dāng)外加電源產(chǎn)生的交變磁通反向后,與鐵芯暫態(tài)磁通疊加,鐵芯過飽和,產(chǎn)生涌流。勵磁涌流產(chǎn)生的具體過程如下。

圖3 變壓器鐵芯磁化Φ-I曲線

設(shè)接觸網(wǎng)電壓us為

us(t)=Umsin(ωt+α)

(1)

忽略接觸網(wǎng)電源阻抗、線路阻抗、變壓器漏抗以及繞組電阻等參數(shù),合閘后加在變壓器繞組上接觸網(wǎng)電壓產(chǎn)生的磁通Φs為

(2)

假設(shè)合閘時刻為t=0,那么α即為合閘相角,此時接觸網(wǎng)網(wǎng)壓在變壓器繞組中產(chǎn)生的磁通Φ0為

(3)

由于磁滯效應(yīng)和磁鏈?zhǔn)睾?繞組中將產(chǎn)生與之大小相等、方向相反的暫態(tài)磁通-Φ0,且短時間內(nèi)不會衰減。因此,在VCB合閘后的短時間內(nèi),變壓器繞組磁通Φ為

(4)

(5)

2 列車運(yùn)行現(xiàn)場測試

試驗(yàn)中,選取某型號動車共計8個測點(diǎn)進(jìn)行電壓電流測試,如表2所示,依次為:VCB前端電流、VCB后端電流、牽引變流器四象輸入電流、接觸網(wǎng)電壓、過分相斷VCB信號、過分相合VCB信號、VCB閉合狀態(tài)信號以及VCB電磁閥控制信號。圖4為每個測點(diǎn)位置電路。

表2 電流電壓測試點(diǎn)信息

圖4 測點(diǎn)分布電路

圖5為現(xiàn)場測試中波形記錄儀采集到的電流電壓信號。從上至下8個通道依次為:VCB前端電流、VCB后端電流、牽引變流器四象輸入電流、接觸網(wǎng)電壓、過分相斷VCB信號、過分相合VCB信號、VCB閉合狀態(tài)信號、VCB電磁閥控制信號。從圖5中可以看出,進(jìn)入分相區(qū)前,牽引變流器閉鎖,測點(diǎn)3電流減小至0,牽引變壓器二次側(cè)可視為空載,故位于一次側(cè)的電流測點(diǎn)1和測點(diǎn)2同樣減小至0。約400ms以后,列車中央控制單元發(fā)出斷VCB信號(測點(diǎn)5出現(xiàn)上升沿觸發(fā)的電平信號),VCB斷開,測點(diǎn)7的VCB閉合狀態(tài)信號和測點(diǎn)8的VCB電磁閥信號從高電平變?yōu)榈碗娖?表示VCB處于斷開狀態(tài)。通道4中接觸網(wǎng)電壓接近0的區(qū)間代表列車通過無電區(qū),此時受電弓滑板僅與無電中性線接觸。

圖5 現(xiàn)車電流電壓波形

列車通過分相區(qū)以后,列車中央控制單元發(fā)出合VCB信號(測點(diǎn)6出現(xiàn)上升沿觸發(fā)的電平信號),VCB閉合,變壓器一次側(cè)(測點(diǎn)1和測點(diǎn)2)出現(xiàn)勵磁涌流。測點(diǎn)7的VCB閉合狀態(tài)信號和測點(diǎn)8的VCB電磁閥信號從低電平變?yōu)楦唠娖?表示VCB處于閉合狀態(tài)。約3s后,勵磁涌流衰減至較小值,此時牽引變壓器二次側(cè)的牽引變流器接觸封鎖,測點(diǎn)1、2、3電流大小上升,列車恢復(fù)牽引工況。

圖6為測點(diǎn)1勵磁涌流放大圖。圖6中,勵磁涌流的第一個峰值大小為576 A。不難發(fā)現(xiàn),勵磁涌流波形具有明顯的尖頂和間斷角特征,并偏向于時間軸一側(cè)。這是由于勵磁涌流中含有大量直流以及2、3次諧波分量。表3統(tǒng)計了現(xiàn)車測試過程中共計24次過分相牽引變壓器合閘勵磁涌流最大峰值,其峰值大小有很大差異。從勵磁涌流產(chǎn)生機(jī)理可知,這與變壓器鐵芯飽和程度有關(guān)。而鐵芯的飽和程度主要受合閘時刻外加磁通和鐵芯剩磁決定。因此,勵磁涌流大小與變壓器合閘時刻外加電源相位角以及鐵芯剩磁緊密相關(guān)。在現(xiàn)車測試中,雖然采集了控制單元的合VCB信號以及VCB、電磁閥狀態(tài)信號,但VCB的實(shí)際機(jī)械動作與電信號不可能同步,因此無法從測試波形上得到VCB合閘時刻接觸網(wǎng)電壓相位角。另外,在變壓器運(yùn)行過程中,鐵芯剩磁大小一般在飽和磁通的30%～70%(即0.3～0.7p.u.)范圍內(nèi)波動。因此,需要通過仿真研究合閘相角和剩磁對勵磁涌流大小的影響,進(jìn)一步探究勵磁涌流理論極限值。

表3 勵磁涌流最大峰值

圖6 勵磁涌流局部放大波形

3 仿真實(shí)驗(yàn)

基于電氣化鐵路弓網(wǎng)回路以及列車受電弓回路結(jié)構(gòu),利用PSCAD搭建如圖7所示的弓網(wǎng)回路模型,探究牽引變壓器勵磁涌流的影響因素和理論極限值[15-16],仿真參數(shù)如表4所示。

表4 仿真參數(shù)設(shè)置

圖7 牽引變壓器一次側(cè)電路模型

仿真實(shí)驗(yàn)中通過調(diào)節(jié)合閘時間來控制合閘時刻電壓相位角。分別設(shè)置合閘相位角為0°、30°、60°、90°,得到圖8中電流波形。從仿真結(jié)果可以看出,合閘相角為90°時勵磁涌流最小,這是因?yàn)楹祥l相角為90°時,外加磁通值為0,此時變壓器鐵芯不產(chǎn)生暫態(tài)磁通,鐵芯不飽和,勵磁電流很小,沒有涌流產(chǎn)生。從圖8可以看出,當(dāng)合閘相角為0°時,勵磁涌流最大峰值為529.74 A;當(dāng)合閘相角為60°時,勵磁涌流最大峰值為448.48 A;當(dāng)合閘相角為60°時,勵磁涌流最大峰值為215.78 A。這是因?yàn)橥饧与妷哼^0時刻,由于感生的交變總是滯后電壓90°,所以此時磁場變化率最小,數(shù)值最大,合閘瞬間變壓器繞組產(chǎn)生的反向暫態(tài)磁通也達(dá)到最大,故勵磁涌流值最大。而在外加電壓過0后的1/4個周期內(nèi),其產(chǎn)生的磁場逐漸減小,故合閘時刻變壓器繞組產(chǎn)生反向暫態(tài)磁通也越小,勵磁涌流幅值逐漸減小。另外,從仿真結(jié)果可以看出,當(dāng)合閘相角為90°時,不產(chǎn)生勵磁涌流。這是因?yàn)?0°合閘時外加磁場為0,變壓器繞組不產(chǎn)生反向暫態(tài)磁通,鐵芯不會發(fā)生過飽和。此時電流為周期信號,波形即為變壓器二次側(cè)空載運(yùn)行時的一次側(cè)電流波形,最大峰值不到0.6 A。

圖8 不同合閘相角下勵磁涌流波形

列車在過分相時,需提前斷開VCB。變壓器繞組中由電流建立的磁場消失,但鐵芯不會馬上消磁,而會在很長時間內(nèi)維持在一個固定值,這就是剩磁。剩磁衰減速度緩慢,短時間內(nèi)可看作恒定值。在沒有剩磁的情況下,變壓器合閘后,由于磁滯效應(yīng),理論上最大可能產(chǎn)生的磁通瞬時大小為鐵芯飽和磁通的2倍。但由于剩磁的存在,可能會使得變壓器一次側(cè)繞組在合閘后最大產(chǎn)生2～3 p.u.的磁通。因此剩磁對變壓器勵磁涌流有很大影響。試驗(yàn)中,利用對變壓器一次側(cè)外加恒定直流電來模擬剩磁。由于該車型采用的牽引變壓器鐵芯磁飽和時一次側(cè)電流為1.56 A,而鐵芯磁化曲線又可近似看作線性,因此可以按照表5中的電流值對外加直流電源進(jìn)行設(shè)置,模擬鐵芯剩磁。

表5 直流輸入與剩磁對應(yīng)關(guān)系

分別將剩磁設(shè)置為0.3、0.5、0.7 p.u.,將合閘相角設(shè)置為0°,此時勵磁涌流最為嚴(yán)重。對比同剩磁情況下0°合閘時勵磁涌流最大峰值。

結(jié)果如圖9所示,可以看出,鐵芯剩磁越大,勵磁涌流也越大。剩磁為0.3 p.u.時,勵磁涌流最大峰值為1 120.30 A;剩磁為0.5 p.u.時,勵磁涌流最大峰值剩磁為1 158.10 A;剩磁為0.7 p.u.時,勵磁涌流最大峰值為1 186.50 A。對比有無剩磁的情況下牽引變壓器勵磁涌流可以發(fā)現(xiàn),變壓器在無剩磁合閘時鐵芯已經(jīng)飽和,剩磁會使得鐵芯飽和情況更加嚴(yán)重。在同為0°合閘的情況下,剩磁為0. 7p.u.時勵磁涌流比無剩磁時高出了約124%。

圖9 不同剩磁情況下勵磁涌流波形

4 討論

現(xiàn)場測試中得到的勵磁涌流波形與仿真所得波形特征基本一致[17-20]。但現(xiàn)車測試中測得的勵磁涌流最大值為756.67 A,而仿真結(jié)果中最大勵磁涌流達(dá)到了1 186.50 A。主要原因應(yīng)該是實(shí)際列車通過分相后合閘相角隨機(jī)性強(qiáng),相角剛好為0°的時刻進(jìn)行合閘。另外,實(shí)際工況下變壓器鐵芯剩磁變化機(jī)制較為復(fù)雜,與仿真過程有很大區(qū)別。因此,仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果存在一定的差異。

從勵磁涌流的仿真結(jié)果來看,牽引變壓器的合閘涌流最大時超過了VCB額定電流。但是,結(jié)合實(shí)際測試數(shù)據(jù)可以知道,勵磁涌流衰減速度很快,在不到0.3 s的時間內(nèi)就會衰減至不足最大峰值的1/2。而且VCB短時耐受電流能力為20 kA/3 s,所以VCB觸頭在保持緊密接觸狀態(tài)下,勵磁涌流很難造成觸頭熔焊。但是,如果VCB在合閘過程中,觸頭間在機(jī)械接觸之前便發(fā)生了預(yù)擊穿,其產(chǎn)生的電弧導(dǎo)致觸頭間被導(dǎo)通,從而使得牽引變壓器產(chǎn)生了勵磁涌流,此時的電弧電流大小與勵磁涌流為同一電流,對VCB觸頭金屬材料具有很大威脅。

電弧是一種高能等離子體,其弧根溫度在瞬間可能達(dá)到上萬開氏度[6-8]。而VCB觸頭主要采用的是純銅或銅鉻合金,純銅的熔點(diǎn)為1 357.77 K,銅鉻合金的熔點(diǎn)為1 357.77～2 180.15 K,電弧弧根產(chǎn)生的最高溫度遠(yuǎn)高于其熔點(diǎn)。因此,VCB觸頭熔焊的主要原因是VCB在帶電合閘過程中觸頭間電弧的燒蝕作用。

5 結(jié)論

通過對某型號動車牽引變壓器一次側(cè)VCB合閘時刻電流測試以及仿真模擬可以得出如下結(jié)論。

(1)現(xiàn)場實(shí)測過程中,該型列車在過分相合閘時牽引變壓器的勵磁涌流大小參差不齊,最大達(dá)到了756.67A,在VCB觸頭處于良好機(jī)械接觸狀態(tài)下,此電流很難對VCB造成實(shí)質(zhì)性損傷。

(2)牽引變壓器合閘勵磁涌流與VCB合閘時刻接觸網(wǎng)電壓相角密切相關(guān)。這是因?yàn)榻佑|網(wǎng)電壓相角不同,變壓器繞組感生的暫態(tài)磁通大小也不同。故電壓相角為0°時合閘勵磁涌流最大,電壓相角為90°時合閘勵磁涌流最小。

(3)鐵芯剩磁大小也是影響牽引變壓器合閘勵磁涌流的重要因素。剩磁會使得鐵芯飽和程度更加嚴(yán)重。一般地,鐵芯剩磁為0.3～0.7 p.u.。從仿真結(jié)果可以看出,合閘相角為0°時,剩磁達(dá)到0.7 p.u.,相較于沒有剩磁的情況下高出約124%。