動車組牽引系統操作過電壓對比分析

摘 要：文章對比分析了兩種不同結構牽引系統操作過電壓特性，并對主斷路器閉合、斷開的暫態過程進行了探討，最后給出了改進措施，大幅減小了牽引系統操作過電壓幅值。

關鍵詞：動車組；牽引系統；操作過電壓；主輔分離；主輔一體

1 概述

動車組牽引系統是由許多電感、電容性元件所組成的復雜電路。主斷路器閉合、斷開的瞬間會使牽引系統從一種電磁狀態過渡為另一種電磁狀態，電磁能與靜電能在感性與容性元件中以電路固有頻率交替轉化，以致使在牽引變壓器一次繞組、牽引繞組上均出現過電壓，稱之為操作過電壓[1]。

目前動車組牽引系統主要分為兩類：一是主輔分離結構，其牽引變壓器由牽引繞組、輔助繞組構成；二是主輔一體結構，牽引變壓器只有牽引繞組，輔助系統自牽引變流器的中間電容取電。文章主要探討兩種結構牽引系統在主斷路器閉合、斷開瞬間所產生的操作過電壓特性。

2 操作過電壓實測波形及特性對比

動車組靜置狀態下閉合或斷開主斷路器，主輔分離牽引系統僅輔助繞組投入工作，牽引繞組與脈沖整流器之間處于斷開狀態，而主輔一體牽引系統則會投入脈沖整流器、中間電容、以及輔助逆變器。兩種結構動車組過電壓實測波形如下圖所示（波形從上到下分別為牽引繞組1、牽引繞組2、原邊繞組）：

（1）主輔分離牽引系統合閘時原邊繞組沒有出現過電壓，牽引繞組測得最高3.2倍過電壓；分閘時原邊繞組出現最高1.2倍過電壓，牽引繞組測得最高2.4倍過電壓。

（2）主輔一體牽引系統合閘時牽引變壓器原邊繞組出現1.2倍過電壓，牽引繞組測得最高2.5倍過電壓；分閘時原邊繞組出現1.7倍過電壓，牽引繞組測得最高1.5倍過電壓。

由此可以看出：對于原邊繞組而言，分閘過電壓幅值要大于合閘幅值，且主輔一體結構幅值較大；對于牽引繞組而言，合閘過電壓幅值要大于分閘幅值，且主輔分離結構幅值較大。

3 等效電路暫態分析

3.1 暫態過程等效電路建模

動車組在靜置狀態下僅輔助系統工作，其容量在牽引變壓器總容量中所占比例較小，因此原邊繞組所需的勵磁電流較小。

主斷路器閉合瞬間，牽引變壓器處于空載狀態，繞組內部僅有剩磁。由于鐵芯磁通不能突變，因此在建立穩態磁場的同時會出現一個非周期分量的磁通。剩磁、穩態磁通、非周期分量磁通三者疊加會導致鐵芯內磁飽和，一部分磁能轉化為勵磁涌流，從而產生過電壓。主斷路器斷開瞬間，由于其真空包滅弧能力極強，在電流尚未到達自然零點時，電弧熄滅，電流被迫截斷，電感負荷上剩余的磁場能就會轉化為電場能，從而引起截流過電壓[2]。

3.2 主輔分離牽引系統暫態過程分析

當主斷路器閉合時，根據變壓器空載時電壓方程，原邊繞組的感應電動勢完全由原邊電流建立，因此原邊側不會出現過電壓，而牽引繞組空載回路在勵磁涌流的作用下，感應出的電動勢無處釋放從而產生了過電壓[3]。

當主斷路器斷開時，原邊繞組內磁通產生振蕩效應，感應出的電動勢疊加在原邊繞組兩端，造成過電壓。而牽引繞組本身無電流，不會產生感應電動勢，即使原邊繞組存在截流過電壓，其感應出的過電壓幅值也小于閉合時勵磁涌流所產生的過電壓[4]。

3.3 主輔一體牽引系統暫態過程分析

當主斷路器閉合時，原邊繞組在鐵芯內建立磁通，并在牽引繞組兩端產生感應電動勢，雖然原邊繞組在勵磁涌流作用下產生了過電壓，但經過中間充電電容、二次濾波電抗器的釋放，疊加到牽引繞組的過電壓較主輔分離結構變壓器要小。另外，由于牽引繞組IGBT脈沖整流的過程中又再次產生勵磁電流，進而在原邊繞組側感應出電動勢，因此主輔一體結構變壓器原邊繞組過電壓幅值較主輔分離結構要高。

主斷路器主觸頭是一個氣動元件，自發送斷開指令到主觸頭完全分離的過程中，牽引變流器IGBT整流模塊仍在進行通、斷轉換，雖然牽引繞組在L、C濾波作用下未產生較大的截流過電壓（小于主輔分離結構的變壓器），但原邊繞組所產生的截流過電壓則無處釋放（大于主輔分離結構的變壓器）。

4 改進措施

通過對實測波形及等效電路的分析，減小牽引系統操作過電壓的措施主要有兩種：一是減小干擾源（如：牽引繞組開路則無法在原邊感應過電壓），二是設置過電壓泄放通路（如：主輔一體結構變壓器牽引繞組過電壓幅值較小）。因此我們通過實時檢測電壓波動的方式及時封鎖IGBT控制脈沖，一方面減小了IGBT開關通斷帶來的電流脈動，另一方面二次濾波電抗器、中間電容也起到了良好的濾波作用。經過實測驗證：合閘時原邊繞組測得最高1.1倍過電壓，牽引繞組測得最高1.4倍過電壓；分閘時原邊繞組出現最高1.2倍過電壓，牽引繞組測得最高1.1倍過電壓，大大降低了過電壓幅值。

5結束語

綜上所述，經對比分析可知：主輔分離、主輔一體牽引系統二者在操作過電壓方面各有優缺點。總體而言主輔一體結構的牽引系統性能比較優良，也便于實時控制。結合二者優點所改進的IGBT脈沖控制算法，更是大幅減小了操作過電壓幅值，不僅有利于保護牽引系統內各電氣元件，延長其使用壽命、優化其電氣性能，同時也可以減小對接觸網的干擾，提高25kV電源品質。

參考文獻

[1]史丹.動車組高壓系統操作過電壓及其抑制技術研究[D].北京：北京交通大學，2015.

[2]李娜.電力機車系統電磁暫態過程研究[D].北京：北京交通大學，2010.

[3]馬果，等.電力機車勵磁涌流仿真及其對公網影響分析[J].電氣化鐵道，2010（1）：1-4.

[4]張龍斌，等.切除空載線路過電壓matlab仿真研究[J].黑龍江科技信息，2015（15）：53.

作者簡介：侯小強（1982-），男，工程師，漢族，中車青島四方機車車輛股份有限公司技術中心電氣開發部。