磁飽和對變壓器運行的影響與預防措施

摘 要：變壓器是地鐵電氣化區域走形軌道電路的重要組成部分。由于不平衡電流及變壓器本身結構的影響，在運行過程中變壓器會經常出現磁飽和問題，而磁飽和會對地鐵列車運行軌道上的傳輸信號造成影響。文章主要是以地鐵供電網所使用的扼流式變壓器做為背景介紹變壓器在運行過程中產生磁飽和的原因、影響，以及提出有效的預防措施。

關鍵詞：磁飽和；變壓器；影響；措施

一、運行中的變壓器產生磁飽和的原因

在地鐵車輛運行的供電網區域，列車的牽引電流主要是由沖擊電流和穩態電流組成。而在運行過程中產生的沖擊電流主要是由以下三方面原因造成：

第一，列車在滿載行駛的過程中通過升弓或者變換相位時會產生50Hz的短暫性沖擊電流；

第二，在天氣寒冷的時候，列車的接觸電網上會覆蓋著較多的冰凌，導致接觸電網出現不良，這個時候也會產生沖擊電流；

第三，由于列車在隧道時會高速運行，逆變器產生較大的瞬時電流，以致變壓器的過流保護開關和接觸器頻繁開閉，導致沖擊電流頻繁產生，從而對變壓器的正常運行造成很大影響。

正由于產生沖擊電流的原因比較多，以及受到列車行駛軌道供電網絡整體結構和變壓器運行狀態的牽制，變壓器在運行過程中會出現磁飽和現象，嚴重影響到列車軌道的電路信號的傳輸，而變壓磁飽和原因分為內部原因和外部原因。

（一）磁飽和的內部原因

在列車運行的過程中，由于不同型號列車的牽引電流的傳輸方式不相同，走形軌道兩端的漏電流值和阻抗值也不一樣，導致在兩條軌道之間產生不平衡的電流。

由于線路所用的變壓器中間是帶抽頭的 48 匝的信號線圈和一個 16 匝牽引線圈，交變磁場變比為3：1（如下圖1所示），假設變壓器是運行在平衡狀態下，兩個16匝線圈的流入和流出方向是相反的，由于列車在運行過程中變壓器會產生交變磁場，且磁場之間在理論上是互相抵消的，但是變壓器這種理想的平衡運行狀態在實際的使用過程中基本上很難做到，所以，如果列車在運行過程中如果牽引電流不平衡，變壓器線圈的兩端就會產生電流差和干擾電壓，由于變壓器本身磁鐵芯的空隙比較小，而干擾電壓又是被直接施加到線圈上，電流差值（If）和干擾電壓值（Uf）是成正比關系，這樣就更容易使變壓器在運行過程中產生磁飽和現象。

（二）磁飽和的外在原因

沖擊電流是變壓器產生磁飽和的外因。沖擊電流會對列車走形軌道上的電路產生破壞作用，而變壓器由于受到磁芯電流偏差和外部的電流沖擊，在這個過程中就會產生平衡電流，變壓器就會出現磁飽和現象。變壓器在磁飽和狀態下運行時，列車走形軌道上的電流值就會減小，且會影響到接觸網上電流信號的輸送，輸出的波形也嚴重失真，軌道上變壓器的繼電器也不能正常打開或者關閉，從而使列車上的設備無法接收到有效的信號源，嚴重威脅到列車的安全行駛。磁飽和波形圖如圖2所示。

二、磁飽和對變壓器運行的影響

（一）產生高發熱現象

變壓器工作在磁芯飽和狀態時，輸入端的電流會由于磁芯飽和而突然升高（不可控）導致燒毀原邊電路元件。而且此時不能夠順利傳輸能量給副邊。

（二）產生瞬時效應

在變壓器處在瞬變負載狀態下時，輸入的電壓就會變高，而負載上的電流又比較小，如果這個時候負載上的電流急劇升高，則控制電路上的脈沖寬度就會變大，對變壓器上的功率進行補充，輸入脈沖寬度和電壓值都會達到最大，即使這這個過程只是一瞬間，但變壓器也會出現磁飽和現象，對電路造成破壞。

三、預防措施

預防變壓器在運行過程中出現磁飽和，最有效的方法是如何去改善列車在運行時牽引電流的不平衡問題。從變壓器運行的角度來看，主要有以下措施。

1）要保證列車的正常行駛，防止變壓器產生磁飽和，就必需配電維護部門從整個供電網系統的角度出發，和其它相關部門的技術人員相互配合，充分發揮各自部門的作用，保證變壓器是在正常的工作狀態下運行。從供配電維護部門本身的角度對問題進行有效分析，列車走形軌道上的的阻抗和變壓器的運行狀態有很大關聯。列車在行駛過程中發生晃動時，變壓器上連接線的電阻的穩定性就會變差，電阻變大，從而使列車走形軌內部的牽引電流值出現不平衡。因此，在日常供電線路的維護過程中，對變壓器的連接線進行檢修是很有必要的。

2）如果運行的區段比較短，可以對走形軌道上的繼電器進行緩放，保證變壓器上的翼板緩放時間控制在 0.5s-0.8s之間， 以便產生沖擊電流時，內軌道上的繼電器不會錯誤落下。

3）根據需要增加變壓器的鐵芯氣隙，這樣變壓器上鐵芯的磁化曲線和氣隙磁化直線就會有相互疊加的作用，從而對合成磁化曲線進行延長，降低了電阻值，使變壓器上的鐵芯很難出現飽和，降低走形軌道的電流不平衡現象。

4）在變壓器右翼處增加一個扼流用的適配器，這就變為 BES 扼流變壓器。

其原理如圖3所示：

扼流適配器主要是由 LC 振蕩電路組成，其諧振阻抗反射到軌道的阻抗大約為 0.02Ω，這等于 2 條軌道之間接 1 根線，在一定程度上降低了變壓器牽引線圈上的干擾電壓。但隨著變壓器氣隙的增大，阻抗變小，不利于列車電路線路的傳輸。因此，對變壓器的諧振電路進行設計時，要根據實際工作情況選項合適參數的扼流適配器，保證LC 振蕩電路上的容性阻抗和線圈的感性阻抗能組成并聯諧振電路，進而提高設計電路的傳輸效率。

目前，地鐵系統上的變壓器大部分都是采用增開氣隙和增加扼流適配器這兩種方法來預防電流不平衡造成變壓器產生磁飽和的問題。同時也能改善列車軌道電路的平衡性，提高列車信號的傳輸效率，保證列車的正常運行。

參考文獻：

[1] 靳素芳，張兆鋒.變壓器狀態檢修技術研究分析[J].中國高新技術企業，2010（13）：157-159.

[2] 韓永力.變壓器磁飽和狀態檢測[J].企業技術開發，2013（12）：9-12

作者簡介：

黃發智（1989-），男，廣東湛江人，助理工程師，研究方向：電氣自動化及其軌道交通應用。