電力機車過分相鐵磁諧振分析

宋成虎 李兆鵬

(大連交通大學,遼寧大連 116028)

電力機車過分相鐵磁諧振分析

宋成虎 李兆鵬

(大連交通大學,遼寧大連 116028)

車載高壓電壓互感器是電力機車車載重要的電氣設備,對于機車的安全可靠運行起著至關重要的作用。但電力機車通過關節式電分相時,經常出現鐵磁諧振過電壓,造成車頂保護間隙放電,互感器燒毀等,嚴重影響電氣化鐵路的安全運營。因此迫切需要對電力機車通過關節式電分相車載高壓電壓互感器鐵磁諧振進行研究。

電力機車 電壓互感器 關節式電分相 鐵磁諧振

電力機車高壓電壓互感是機車車頂高壓電器設備,主要實現接觸網電壓測量、功率計量和保護功能。機車在進入電分中性段時會產生很高的過電壓,當過電壓大于一定值時,互感器鐵心飽和,電感降低,當于系統電容參數匹配時產生鐵磁諧振。當系統發生鐵磁諧振時,互感器一次側線圈將會流過很大的過電流,如果鐵磁諧振持續存在,將導致互感器線圈溫度持續升高,擊穿絕緣,以致燒毀,嚴重威脅機車的安全可靠運行。因此對機車高壓電壓互感器鐵磁諧振的研究具有很重要的理論和現實的意義。

1 系統模型推導

電力機車在進入電分相中性時,機車主斷路器已斷開,此時僅有受電弓和高壓電壓互感器與中性線相連接,電壓互感器可看作空載變壓器,牽引接觸網供電臂長度一般為m,可視為電力系統中短線路架空線,可以用電阻和電感的串聯電路來進行等效。因此,機車過進入關節式電分相時的等效電路如圖1-1所示。

圖中,Ua—牽引供電27．5kv電壓源;Ls一牽引變電所變壓器的等值電抗;Rs一牽引變電所變壓器等值電阻;R1一牽引接觸網等值電阻;L1一牽引接觸網等值電抗;C1—中性線對地電容;Cm一受電弓與車頂高壓引線對地電容;Lm一高壓互感器等值電抗;Rm—高壓互感器等值電阻;R2一關節式電分相中性線電阻;L2一中性線等值電抗;C2一中性線對地電容。

因為電源,線路的阻抗值很小,對整個等效阻抗影響很小,實際上主要由電容決定,電容Cm相對于C2很小,因此,Ls、Rs、L1、R1、L2、R2和Cm各值在計算時,可忽略不計。對圖1-1進行戴維寧等效變換,如圖1-2所示。

圖1-1 機車進入電分相中性線等效電路圖

圖1-2 戴維寧等效電路

圖3-1 仿真波形

圖3-2 仿真波形

2 仿真分析

本文主要以機車過分相系統發生分頻諧振為例,分析電壓互感器鐵芯損耗對系統鐵磁諧振的影響。互感器鐵損用勵磁電阻Rm表示,供電電源頻率f＝50Hz。

(1)當互感器兩端初始電壓為40Kv,電壓互感器電壓波形如圖3-2所示。圖中橫軸表示時間,單位S(秒);縱軸表示電壓值,單位V(安培)。

由圖3-1可見,互感器電壓頻率近似等于系統電源頻率的,說明此時互感器發生了鐵磁諧振。

(2)初始電壓不變,電壓互感器電壓波形如圖3-2所示。

由圖3-2可見,電壓互感器鐵芯損耗增加,在進過幾個震蕩周期后,鐵磁諧振諧振過電壓完全消失。

由上面的仿真分析可知：電力機車過關節式分相,在一定條件下,電壓互感器可能發生鐵磁諧振;隨著互感器鐵芯損耗的增大,阻尼了系統鐵磁諧振,對鐵磁諧振有抑制作用。

3 抑制措施

3.1 選用勵磁特性較好的電壓互感器

機車過分相互感器磁諧振現象主要是由于電壓互感器鐵芯磁飽和,引起鐵心電感值的非線性變化,當電感變化范圍內的電感值與外部電容值達到一定匹配時,則引發系統非線性鐵磁諧振,所以應該從改善電壓互感器勵磁特性入手。想要徹底決絕機車過分相鐵磁諧振問題,最根本的方法是選用勵磁特性好的電壓互感器,是機車在過關節式電分相引發暫態過電壓時,互感器鐵芯不易飽和,避免勵磁電感的減小與系統中的電容元件構成諧振參數匹配。

3.2 RC保護裝置

RC保護裝置是鐵路牽引電力系統中一種常用的抑制操作過電壓的防護方法,它也用來抑制電力機車通過關節式電分相結構過程中產生的過電壓。RC保護裝置可以改變電路的工作狀態,讓振蕩電路變成無振蕩電路,從而過電壓幅值降低到電力機車控制系統絕緣強度允許范圍以內,防止對電力機車、接觸網、關節式電分相結構以及牽引變電帶來嚴重的損失,提高電力機車運營的可靠性。

4 結語

本文介紹了關節式電分相結構以及等效模型。通過對機車進入電分相中性線模型仿真發現,隨著互感器鐵芯損耗的增大,阻尼了系統鐵磁諧振,對鐵磁諧振有抑制作用。最后提出了兩種抑制諧振的方法。

[1]劉猛愷.機車過分相暫態過程分析.西南交通大學研究生學位論文[J],2010.5.

[2]宋新江.高速鐵路接觸網知識讀本.中國鐵道出版社[M],2012.7.

[3]高偉.配電網電磁式電壓互感器諧振過電壓抑制措施研究.西安理工大學碩士學位論文[J],2009.3.