電力機車勵磁涌流仿真及其對公網(wǎng)影響的分析

馬 果，吳廣寧，王 韜，閔英杰

0 前言

變壓器閉合和開斷過程中，由于磁通不能突變，勵磁曲線工作在飽和區(qū)段，電感瞬間下降，導(dǎo)致勵磁電流迅速增大，此時電流稱為勵磁涌流[1]。勵磁涌流數(shù)值很大，一般可達到額定電流的3～8倍，最大可達到6～10 倍[2]。嚴重的涌流現(xiàn)象對變壓器絕緣將造成惡劣的影響，產(chǎn)生的電氣沖擊、熱效應(yīng)和機械應(yīng)力導(dǎo)致繞組變形，減少其使用壽命。同時勵磁涌流還可造成變壓器差動保護誤動作，其諧波成分將嚴重影響電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，高次諧波還會對電力電子器件產(chǎn)生極強的破壞作用[3]。

電力機車運行中，頻繁的合閘和開閘操作會產(chǎn)生勵磁涌流現(xiàn)象。在高速鐵路中，列車運行時速達到200～350 km，變壓器的開合切換更加頻繁，涌流現(xiàn)象愈發(fā)突出。

目前國內(nèi)對電力變壓器勵磁涌流的研究相對較多，且集中在電力變壓器的繼電保護和涌流鑒別上面，而對電力機車牽引變壓器研究較少，針對勵磁涌流的研究則更少[4-9]。本文根據(jù)實際試驗參數(shù)仿真車載變壓器，分析影響勵磁涌流大小的因素，以及它對牽引網(wǎng)與公網(wǎng)的公共連接點電能質(zhì)量的影響，加強對電力機車牽引變壓器勵磁涌流現(xiàn)象的研究。

1 勵磁涌流模型搭建與分析

變壓器鐵心作為一種磁性材料，具有鐵磁物質(zhì)的一般特性，它的磁化曲線并不是一條直線，正因為磁場強度H 與磁感應(yīng)強度B 不是線性關(guān)系，才導(dǎo)致了勵磁涌流的產(chǎn)生。

根據(jù)電路基本原理，得出磁通公式為

變壓器穩(wěn)態(tài)運行時，相應(yīng)的磁通Φ 不會超過飽和磁通Φs，但當變壓器開斷后，由于剩磁的作用，再次合閘時磁通可能會超過飽和磁通，從而造成變壓器的飽和。

我國國土幅員廣闊，各個鐵路局使用的電力機車機型有一定差別，但SS4型電力機車作為比較成熟的交-直型機車是目前我國運營的主力機型之一，以它為例進行勵磁涌流研究更具有針對性和現(xiàn)實意義。表1 為SS4型電力機車的部分試驗參數(shù)。

表1 SS4 型電力機車主變壓器試驗參數(shù)[10]表

根據(jù)試驗參數(shù)計算得出牽引變壓器阻抗參數(shù)：R = 2.192 Ω，X = 16.758 1 Ω。本文采用分段直線擬合的方式進行仿真，既包含線性部分，也涉及飽和曲線部分。勵磁涌流持續(xù)時間較短，一般不超過1.5 s，本文設(shè)定仿真時間1 s。電源采用恒定交流電壓源，UN= 25 kV，仿真模型如圖1 所示。

圖1 勵磁涌流仿真基本模型圖

下面分析影響電力機車主變壓器勵磁涌流大小的因素。

（1）合閘時間的影響。在交流電路中，磁通的變化總是滯后電壓變化90°。設(shè)定t = 0.12 s 合閘即電壓過零點合閘，產(chǎn)生勵磁涌流，如圖2 所示；設(shè)定t = 0.125 s 合閘，即電壓最大值合閘，磁通為0，不會產(chǎn)生勵磁涌流現(xiàn)象，電壓直接進入穩(wěn)態(tài)，變壓器原邊電流僅為幅值很小的勵磁電流，建立和維持基本的電磁場（圖略）。

（2）剩磁的影響。圖3 是剩磁為0.1 pu 時的勵磁涌流圖，圖4 是剩磁為0.6 pu 時的勵磁涌流圖。對比仿真圖3 和圖4，剩磁為0.1 pu（標幺值），勵磁涌流初次峰值為689.2 A，而剩磁為0.6 pu，勵磁涌流初次峰值更達到了1 105 A。剩磁增大50%的標幺值，勵磁涌流增大了60.3%?？梢?，電力機車主變壓器的剩磁大小是影響勵磁涌流的主要因素。

圖2 t = 0.12 s 合閘勵磁電流波形圖

圖3 剩磁為0.1 pu 時的勵磁涌流圖

圖4 剩磁為0.6 pu 時的勵磁涌流圖

（3）變壓器容量的影響。計算SS4B，SS6B，SS7D，SS9型電力機車主變壓器試驗參數(shù)可知，4種機型的繞組阻抗標么值變化不大。從獲取的資料表明，從SS4B到SS9變壓器的容量幾乎提高了一倍（SS4B為4 923 kV·A，SS9為8 668 kV·A），而且以后電力機車變壓器容量還將進一步增大，因此分析變壓器容量對電力機車勵磁涌流的影響是十分必要的[10，11]。表2 為計算后的各型電力機車繞組阻抗值。

表2 各型電力機車繞組阻抗計算值表

經(jīng)過仿真得出，變壓器的容量和勵磁涌流的大小略成正比例關(guān)系，如圖5 所示。

圖5 容量與勵磁涌流的關(guān)系圖

（4）接觸網(wǎng)電壓幅值的影響。電氣化鐵道規(guī)定接觸網(wǎng)電壓可在19～29 kV 范圍內(nèi)變動。設(shè)定交流電源為相應(yīng)的數(shù)值以模擬電力機車在接觸網(wǎng)始末端時勵磁涌流的情況。限于篇幅，未列出仿真波形圖。

接觸網(wǎng)電壓為19 kV 時，勵磁涌流的峰值只有200 A，而接觸網(wǎng)電壓為29 kV 時，勵磁涌流的峰值卻達到了881.7 A。故電壓越高，勵磁涌流越大。

2 勵磁涌流對公共連接點影響的分析

電力機車運行時，沖擊負荷、過分相方式、各種操作方式和牽引供電回路合閘、機車啟動等暫態(tài)過程都可能通過牽引供電系統(tǒng)傳遞造成對公共連接點電能質(zhì)量的影響，伴隨著發(fā)生勵磁涌流、電壓凹陷等現(xiàn)象，電壓凹陷同時也作為勵磁涌流的結(jié)果，因此對勵磁涌流的分析更能揭示現(xiàn)象的本質(zhì)。

勵磁涌流必然造成電壓幅值產(chǎn)生變化，反應(yīng)在公共連接點處則是電壓在某一范圍內(nèi)產(chǎn)生波動，因此借助電壓波動作為衡量勵磁涌流對公共連接點影響的參數(shù)，可以評估勵磁涌流對公網(wǎng)造成影響的程度。為簡化模型，仿真中抽象出實際情況中的主要電氣設(shè)備，牽引網(wǎng)模型參數(shù)由直供條件下采用分散參數(shù)計算得出。僅將Ynd11 接線下公共點線電壓波形如圖6—圖8 列出，V/v 接線和Scott 接線只作分析。

圖6 AB 相線電壓波形圖

圖7 AC 相線電壓波形圖

圖8 BC 相線電壓波形圖

經(jīng)計算Ynd11 接線公共連接點的電壓波動dAB=3.6%, dAC=1.22%, dBC=2%。

V/v 接線情況下電壓波動dAB= 1.48%，dAC=0.32%，dBC= 0.32%；Scott 接線情況下電壓波動dAB= 3.54%，dAC= 1%，dBC= 1.9%。

Ynd11 接線形式下，電壓波動較大的是AB 相線電壓，仿真中電力機車接在二次側(cè)的α相，電流主要由次邊的ab 相和bc 相供給，反映在變壓器原邊則是AB 相和BC 相。經(jīng)計算，AB 相線電壓波動為3.6%，BC 相線電壓波動為2%。V/v 接線形式下，AB 相線電壓的波動幅度明顯大于其他2 個線電壓的波動幅度。這是由于電力機車的沖擊性負荷主要反映在A 相，AB 相線電壓的波動達到了1.48%。Scott 接線形式下，由Scott 變壓器中的高變壓器向電力機車供電，電力機車合閘時，負荷通過Scott 變壓器反應(yīng)在A 相上面，仿真結(jié)果顯示AB 相線電壓波動最大，為3.54%，AC、BC 相線電壓也受到波動，但波動的幅度較小，僅為AB 相線電壓波動的54%和28%。

進行牽引變壓器原邊相電壓波動的仿真。仿真結(jié)果：Ynd11 接線情況下電壓波動d = 0.92%；V/v接線情況下電壓波動d = 0.32%；Scott 接線情況下電壓波動d = 0.96%。

仿真結(jié)果表明，雖然牽引變壓器接線形式不同，但是三者的電壓波動均不大，沒有超過1%，同時與線電壓波動相比，明顯偏小。其中V/v 接線情況下相同是因為牽引變壓器原邊相電壓即三相線電壓。

Ynd11、V/v 和Scott 接線情況下勵磁涌流有效值分別為698、593 和937 A。圖9 為湖東牽引變電所負載記錄圖，圖中次邊電流的最大測量數(shù)值為973 A，接線形式為Scott，仿真數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)（937 A）相差不大，表明該仿真模型能夠較為準確地模擬電力機車發(fā)生勵磁涌流的現(xiàn)象，并能夠?qū)嶋H情況進行理論說明。

圖9 大秦鐵路湖東牽引變電所電流負載曲線圖

3 結(jié)論

（1）合閘時間、剩磁和電壓幅值是影響車載主變壓器勵磁涌流大小的主要因素，變壓器容量是間接影響因素。

（2）3 種接線形式下勵磁涌流對公共連接點的電壓均會造成一定影響。不同的接線形式影響的程度不同，Ynd11 接線形式和Scott 接線形式下電壓波動幅值最大，V/v 接線形式下整體電壓的波動幅度較小。

（3）牽引變壓器原邊繞組電壓波動的幅度小于三相電力系統(tǒng)線電壓波動的幅度。重負荷線電壓的波動幅度大于輕負荷線電壓的波動幅度。

（4）勵磁涌流傳遞到牽引變壓器原邊時電壓波動并不明顯，最大為3.6%，最小為0.32%?？傮w而言，電力機車發(fā)生勵磁涌流對公共連接點的影響不大。

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