牽引供電系統中鐵磁諧振過電壓的產生及防治

郭紅梅，何建建

（1.武漢鐵路職業技術學院 工程師；湖北 武漢430205 2.武鋼股份有限公司能源總廠，工程師，湖北 武漢 430083）

隨著鐵路事業的迅猛發展，供電系統的回路數增多、供電線路增長以及高速動車組的使用出現了一種具有隱蔽性的過電壓，這種過電壓是伴隨著我國高速鐵路的迅速發展而出現的一種特殊的過電壓，即鐵磁諧振過電壓。當供電系統產生了鐵磁諧振以后，可能引發弧光過電壓使電纜“放炮”，或者產生幅值很高的高次電壓諧波給直流機車安全運行帶來威脅，也可能引發諧振過電壓或過電流致使電壓互感器燒毀。如果這些問題處理不好，將對我國鐵路的安全高效運行帶來威脅。為保證列車運行安全，必須采取相應的防治措施把牽引網電壓控制在合理的水平，以消除鐵路諧振過電壓的產生。

1 車網耦合鐵磁諧振過電壓的產生

在牽引供電系統中，隨著我國鐵路第六次大提速的實施，由于機車和牽引供電系統的配合問題，在機車電氣傳動部分與牽引供電組成的系統中產生了鐵磁諧振過電壓。

在牽引供電系統中由牽引網的分布電容和含鐵芯的電感元件（如車載變壓器、電壓互感器）組成。當接觸網電壓升高到一定程度，車載牽引變壓器進入飽和運行狀態〔1〕，這種含鐵芯的電感元件參數具有非線性的特點，牽引網的分布電容與飽和勵磁電感組成諧振回路，在滿足一定激發條件時會產生鐵磁諧振現象。

2 車網耦合鐵磁諧振過電壓的特點

2.1 具有隱蔽性 機車的電氣傳動部分與牽引供電系統相對獨立。由于牽引網上機車運行情況的復雜性（包括直流機車、交流機車、高速動車等），使得產生的鐵磁諧振過電壓具有較強的隱蔽性，給分析鐵磁諧振過電壓產生的原因帶來困難。

2.2 具有特殊性 車載變壓器（電感元件）的實際運行電壓變化范圍很大，牽引網電壓的升高致使車載變壓器進入飽和運行狀態，從而產生鐵磁諧振現象。這種鐵磁諧振過電壓與一般的諧波放大現象不一樣，其電壓諧波高并且出現的偶次諧波幅值較大；與操作過電壓不一樣，其持續時間長；與線性諧振過電壓的漸進發展也不一樣，其過電壓的幅值異常變高。

2.3 具有隨機性 機車在運行過程中，由于系統結構的復雜性和運行方式的靈活性，鐵磁諧振會隨機車的運行狀態或產生或發展或消失，有許多量是在快速變化的，使諧振過電壓的產生具有隨機性。

2.4 具有傳播性 當產生鐵磁諧振時牽引供電網電壓異常升高，給機車安全運行帶來威脅。因鐵磁諧振帶來的影響并不限于諧振回路本身，其產生的諧振電壓和電流向牽引供電系統的其它部分傳播，導致電壓保護裝置動作或避雷裝置發生爆炸現象。

3 諧振頻率區域的判別

為了便于分析事故和快速處理事故，盡快恢復鐵路運行，有必要對鐵磁諧振頻率區域進行判別。

牽引供電系統中發生不同頻率的鐵磁諧振，主要與Xc0/Xm（即車載變壓器并聯運行綜合電感的感抗Xm與供電網對地分布電容的容抗Xc0的比值）有直接關系。

3.1 基頻諧振 當Xc0/Xm 的比值約等于1 時，發生諧振的諧振頻率幾乎與電網頻率相等，稱為基頻諧振，伴有接地指示，也稱為虛幻接地。表現的特性為過電流很大，過電壓不超過相電壓的3.2倍，三相電壓表顯示數值兩相升高、一相降低，雖然線電壓正常，但此種情況下往往會導致電壓互感器熔絲熔斷，嚴重時會燒壞互感器。

3.2 分頻諧振 當Xc0/Xm的比值較小（0.01～0.07范圍內）時易發生分頻諧振，即產生鐵磁諧振時振蕩頻率較低。表現的特性為過電壓不超過相電壓的2.5倍，三相電壓表數值同時升高，并且周期性擺動，但線電壓正常，能量交換所需時間較長。

3.3 高頻諧振 當Xc0/Xm 的比值較大（在0.55～2.8范圍內）時發生高頻諧振。表現的特性為過電流較小，過電壓倍數較高，最大值可達到相電壓的4～5倍，三相電壓表顯示的數值同時升高，但線電壓正常。振蕩時能量交換所需時間較短，速度較快。

在同一諧振區域內諧振的最低外施觸發電壓（臨界值）與Xc0/Xm 的值有關，當Xc0/Xm 更小或更大（Xc0/Xm≤0.01 或Xc0/Xm≥2.8）時，鐵磁諧振不易產生。鐵磁諧振的外施觸發電壓在不同的諧振區域內是不同的，高頻諧振區域的最高而分頻諧振區域的諧振外施電壓最低，在正常情況下系統內稍有波動就可能引發諧振。

4 諧振過電壓的防治措施

抑制鐵路磁諧振過電壓最有效的措施是供電網的電壓不能升高到使車載變壓器進入飽和運行狀態〔2〕，把牽引網電壓控制在合理的水平是消除牽引網上鐵磁諧振過電壓的最有效方法。

4.1 制定接觸網上機車安全運行的電壓標準 制定接觸網上的電壓標準應考慮我國公共電網的結構、供電能力、電壓等級、線路的運輸需求、牽引網的電壓損失以及車載變壓器的抗飽和特性等因素。設計制造變壓器時盡可能采取變壓器抗飽和的方案，考慮車載變壓器與牽引網可能發生鐵磁諧振的所有情況，在接觸網的規定電壓范圍內使變壓器脫離飽和運行狀態。

4.2 增加車載變壓器的鐵磁諧振試驗 車載變壓器在出廠驗收時增加鐵磁諧振試驗。在機車運行過程中一旦出現鐵磁諧振過電壓或較長時間原因不明的過電壓，立即采取措施降低接觸網電壓，使車載牽引變壓器脫離飽和運行狀態，避免鐵磁諧振的發生。

4.3 吸收諧波能量 在電壓難以調整的地方，可根據具體的諧振頻率和牽引供電參數設計消諧裝置，通過該裝置吸收諧波能量以防止諧波能量累積的破壞〔3〕。當諧振發生時，消諧裝置動作可靠，吸收諧振能量，達到消除鐵磁諧振的目的；同時消諧裝置可記錄故障時的電壓、電流、振蕩頻率等參數，便于分析事故。

5 結束語

消除鐵磁諧振對保障整個牽引供電系統的安全運行有著重要的意義，選擇好的消諧措施，對保證供電系統的安全，設備安全以及人身安全具有非常重要的實際意義。

〔1〕劉肖杰，張劍.鐵路中性點不接地電力系統鐵磁諧振的產生原因及特點〔J〕.電氣開關，2004，（6）：36一37。

〔2〕張雪原.高速重載鐵路車網耦合下過電壓產生機理與防護辦法研究〔D〕.成都：西南交通大學博士學位論文2007。

〔3〕劉肖杰.消除鐵路中性點不接地電力系統鐵磁諧振的措施〔J〕.電氣開關，2005，（l）：31-33.