地磁暴對高鐵扼流變壓器的影響分析與仿真

錢學(xué)成，董美玲

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地磁暴對高鐵扼流變壓器的影響分析與仿真

錢學(xué)成，董美玲

介紹了鋼軌中產(chǎn)生地磁感應(yīng)電流GIC的機(jī)理，分析了GIC侵害高鐵扼流變壓器的路徑，以BE2-600/25型扼流變壓器為例，利用Maxwell軟件搭建了扼流變壓器模型，給出該型扼流變壓器在遭受地磁感應(yīng)電流時的電磁特性仿真結(jié)果。

地磁暴；高鐵；扼流變壓器；電磁特性

0 引言

地磁暴是由太陽風(fēng)劇烈吹拂地磁場而引起的自然災(zāi)害，地磁暴在地球表面不同地理位置處感應(yīng)出地磁感應(yīng)電勢ESP（Earth Surface Potentials），ESP又在地面長距離導(dǎo)體，如輸電線路、鋼軌、管道等形成的回路中引發(fā)地磁感應(yīng)電流GIC（Geomagnetically Induced Current），GIC為一種頻率在0.001～0.1 Hz之間的準(zhǔn)直流[1]。

國內(nèi)外已經(jīng)有文獻(xiàn)表明GIC能引起高鐵電氣及信號系統(tǒng)故障。1982年7月強(qiáng)地磁暴期間，瑞典電氣化鐵路中的軌道電路系統(tǒng)工作異常，信號機(jī)燈光顏色在沒有列車占用軌道的情況下由綠色誤變?yōu)榧t色[2]。1996年3月，地磁暴使俄羅斯北部鐵路Nyandoma至Obozerskaya區(qū)段的鐵路車站信號集中閉塞系統(tǒng)（SCB）異常[3]。文獻(xiàn)[4]探討了地磁暴在電氣化鐵路中引發(fā)GIC的原理。文獻(xiàn)[5]給出了關(guān)于地磁暴強(qiáng)度及其特征對鐵路軌道產(chǎn)生的ESP和GIC大小影響的相關(guān)研究內(nèi)容。文獻(xiàn)[6]分析了GIC在軌道電路中的流通路徑及GIC侵害扼流變壓器的原理。

高鐵扼流變壓器體積小，是信號系統(tǒng)軌道電路的重要設(shè)備，筆者根據(jù)扼流變壓器的實際技術(shù)參數(shù)，利用Maxwell軟件對扼流變壓器遭受GIC干擾的電磁特性進(jìn)行仿真計算，以期有關(guān)部門重視地磁暴對高鐵信號系統(tǒng)的影響。

1 GIC對扼流變壓器的影響分析

1.1 扼流變壓器的作用及組成

絕緣節(jié)將軌道電路劃分為若干區(qū)段，扼流變壓器的牽引線圈直接并接在鋼軌絕緣節(jié)的兩側(cè)。在一送一受軌道電路區(qū)段中一般設(shè)置2個扼流變壓器，這2個扼流變壓器的中點分別用電連接線與相鄰區(qū)段軌道電路的扼流變壓器中點連接。扼流變壓器對牽引電流的阻抗很小，使50 Hz牽引電流在鋼軌中得以順暢流通。

扼流變壓器與普通雙繞組變壓器不同，扼流變壓器牽引線圈（一次側(cè)）的2個半圈（2×8匝）在軌道電路中用于傳輸工頻50 Hz牽引電流，并且在區(qū)間上、下行軌道電路中起到平衡牽引電流的作用；信號線圈（二次側(cè)，48匝）和牽引線圈的整圈用于軌道電路25 Hz信號變壓傳輸，同時配合軌道變壓器和軌道繼電器等設(shè)備。扼流變壓器變比為1∶3。50 Hz牽引電流在2根鋼軌中朝同一方向流動，若牽引電流對稱，在扼流變壓器牽引線圈2個半圈中產(chǎn)生的磁場相互抵消，不會在信號線圈中感應(yīng)出50 Hz電流。

1.2 GIC侵害扼流變壓器的機(jī)理

我國高鐵以AT供電方式為主，ESP可等效為兩不同位置處接地點之間的電勢差，GIC的形成主要有2種方式：（1）由于牽引變壓器和自耦變壓器均存在接地點，變壓器接地產(chǎn)生ESP，ESP、大地、鋼軌構(gòu)成回路引發(fā)GIC，GIC在鋼軌中流通，如圖1所示；（2）鋼軌每隔一定距離需設(shè)置接地，使鋼軌中的大部分牽引電流經(jīng)貫通地線流回牽引變電所，由于鋼軌接地產(chǎn)生GIC，GIC侵害扼流變壓器，示意圖見圖2。這2種方式下，鋼軌中流通的GIC均直接侵入扼流變壓器。

圖1 變壓器接地產(chǎn)生GIC示意圖

圖2 鋼軌接地產(chǎn)生GIC示意圖

2 扼流變壓器的工程參數(shù)

圖3反應(yīng)了BE2-600/25型扼流變壓器的基本結(jié)構(gòu)，在“E”型鐵芯的中央柱上安裝繞組，鐵芯選取DW310-35型硅鋼片。“E”型鐵芯和“一”字型銜鐵之間留有空隙，以防止工作中的磁飽和，該型扼流變壓器的鐵芯氣隙選為0.3 mm，這些部件組裝后放入鑄鐵箱內(nèi)。端子1和端子2之間的繞組為牽引線圈，端子3為牽引線圈的中心抽頭，端子4和端子5之間的繞組為信號線圈。中心抽頭把牽引線圈分為完全相同的2個“半繞組”，牽引線圈內(nèi)部不對稱度不大于1%。

圖3 扼流變壓器的鐵芯結(jié)構(gòu)

當(dāng)溫度為20℃時，牽引線圈的直流電阻不大于0.003 3W，信號線圈的直流電阻不大于0.1W，此時牽引線圈和信號線圈對準(zhǔn)直流GIC的阻礙很小。在環(huán)境溫度為60℃時，加在扼流變壓器牽引線圈端子1和端子2間的電流為額定電流的條件下，通電10 min，斷電10 min，再連續(xù)通電2.5 h后，其溫升不允許超過110℃[7]。

3 GIC存在時的模型求解

在有限元數(shù)值計算中，最終求解的是矩陣方程，邊界條件作為該方程組的定解條件，是模型各個邊界上的已知量，可以是場量，或者是其他可用來定解的物理量。為簡化分析，視各繞組中的電流在繞組所占有的空間內(nèi)均勻分布，且忽略繞組內(nèi)環(huán)流以及磁滯特性對磁場的影響。由于模型具有對稱性，設(shè)置模型邊界條件為Symmetry（對稱邊界），這樣計算量將減少一半。根據(jù)文獻(xiàn)[8]選擇扼流變壓器的仿真參數(shù)，部分參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 扼流變壓器線圈參數(shù)

（a）線圈匝數(shù)參數(shù)

（b）牽引線圈參數(shù)

（c）信號線圈參數(shù)

根據(jù)文獻(xiàn)[9]中的不對稱GIC的數(shù)值，在扼流變壓器牽引線圈中分別通入0、0.5、1、1.5、2、2.5 A的直流電流來分析不同數(shù)值的不對稱GIC對扼流變壓器電磁特性的影響。

不同數(shù)值的GIC對應(yīng)的扼流變壓器的勵磁電流波形如圖5所示，從圖中可以直觀地看出，隨直流量GIC的增加，扼流變壓器的勵磁電流也隨之增大；2.5 A的GIC足以造成扼流變壓器勵磁電流波形發(fā)生很大畸變，呈現(xiàn)正負(fù)半波不對稱波形，鐵芯磁飽和，大大降低了扼流變壓器的工作效率，造成扼流變壓器電能消損增加，軌道電路無法正常工作[10]。

圖5 勵磁電流波形圖

圖6反映了在扼流變壓器牽引繞組通入上述6種不同數(shù)值的GIC時，扼流變壓器鐵芯損耗的波形圖。從圖中看出，扼流變壓器鐵芯損耗的曲線波形隨著通入直流量GIC的增加向正方向偏移，GIC數(shù)值越大，鐵芯損耗也越大；當(dāng)直流量達(dá)到2.5 A時，鐵芯損耗的偏移已經(jīng)很明顯，損耗的最大值接近100.7 W，損耗情況較嚴(yán)重。鐵芯損耗產(chǎn)生的“渦流”使扼流變壓器的鐵芯發(fā)熱，變壓器的溫升增加，對扼流變壓器的壽命和正常工作造成影響。

圖6 鐵芯損耗波形

圖7直觀反應(yīng)了扼流變壓器的磁鏈變化，可以看出，隨著GIC的增加，磁鏈也隨之增加，磁鏈在鐵芯中過度聚集后會導(dǎo)致扼流變壓器鐵芯飽和，影響其正常工作。

圖7 磁鏈變化3D圖

限于篇幅，將1 A和2 A的GIC分別通入扼流變壓器中，圖8反映了扼流變壓器鐵芯的磁通密度分布情況，可以看出，隨著通入GIC數(shù)值的增加，鐵芯的磁通密度也隨之增加。根據(jù)GB/T 13789-92中單片電工鋼片（帶）磁性能測量方法和硅鋼片的磁化曲線，可知DW310-35型硅鋼片在額定工況工作時，磁通密度在1.5～1.6 T附近。當(dāng)鐵芯的工作點超過磁飽和點，勵磁電流會發(fā)生變化，由正弦曲線變?yōu)榧忭敳ā．?dāng)無GIC通入時，扼流變壓器的鐵芯磁通密度約為1.5 T，當(dāng)GIC為2 A時，鐵芯的磁通密度最大值達(dá)到2.31 T，此時鐵芯已經(jīng)嚴(yán)重飽和，可導(dǎo)致一系列問題，如鐵芯振動加劇、漏磁增加等。

圖9反應(yīng)了通入1 A和2 A的GIC后繞組的損耗情況，可以看出，繞組損耗也隨著GIC的增加而增大，從35 W/m3增大到366 W/m3，增大了10倍多。損耗過多將導(dǎo)致扼流變壓器效率降低，發(fā)熱溫升變大，變壓器發(fā)熱嚴(yán)重，繞組絕緣加速老化或熱擊穿，甚至導(dǎo)致鐵芯燒毀，影響其壽命和正常工作，進(jìn)而影響高鐵信號系統(tǒng)的可靠性。

（a）GIC= 0 A

（b）GIC= 1 A

（c）IGIC = 2 A

（a）GIC= 0 A

（b）GIC= 1 A

（c）GIC= 2 A

圖9 繞組損耗云圖

4 結(jié)語

本文闡述了基于Maxwell軟件建立的GIC侵害高鐵扼流變壓器的模型，給出在通入不同數(shù)值的GIC后，扼流變壓器的勵磁電流、鐵芯損耗、磁鏈、磁通密度分布和繞組損耗等一系列電磁特性變化情況，可以得出一致的結(jié)論：GIC竄入扼流變壓器后，會對高鐵扼流變壓器的電磁特性造成不良影響，導(dǎo)致其非正常工作，進(jìn)而影響整個高鐵信號系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

[1] 錢學(xué)成，劉明光，李陽，等. 地磁暴對25 Hz相敏軌道電路的影響分析[J]. 鐵道學(xué)報，2016，38（5）：60-66.

[2] 馬云鳳. 高鐵電氣系統(tǒng)磁暴效應(yīng)監(jiān)測方法與技術(shù)研究[D]. 華北電力大學(xué)，2015：:2-16.

[3] 馬云鳳，宗偉，劉連光，等. 高鐵電氣系統(tǒng)中的GMD干擾監(jiān)測及信號消噪方法[J]. 電力自動化設(shè)備，2016，36（3）：165-168.

[4] 卞麗麗. 鐵路低壓電氣系統(tǒng)磁暴干擾響應(yīng)機(jī)制研究[D]. 華北電力大學(xué)，2013：7-21.

[5] 錢學(xué)成，劉明光，劉鐵，等. 地磁暴對軌道電路電磁干擾的機(jī)理分析[J]. 鐵道學(xué)報，2015，37（5）：42-46.

[6] Qian X C, Tian H, Yin Y L, et al. Geomagnetic Storms’ Influence on Intercity Railway Track Circuit[J].Urban Rail Transit, 2016,2(2):85-91.

[7] 安海君，李建清，吳保英，等. 25 Hz相敏軌道電路（第二版）[M]. 北京：中國鐵道出版社，2001：60-90.

[8] 田銘興，史宏章，閔永智，等. 扼流變壓器的等效電路[J]. 變壓器，2011，48（5）：30-32.

[9] 卞麗麗，劉連光，蔣智化，等.軌道電路扼流變壓器的磁暴侵害效應(yīng)仿真研究[J]. 中國鐵路，2012，9（4）：59-62.

[10] 李慧奇，崔翔，候永亮，等. 直流偏磁下變壓器勵磁電流的實驗研究及計算[J]. 華北電力大學(xué)學(xué)報，2007，34（4）：1-5.

The paper introduces the generation mechanism of geomagnetic induced current (GIC), analyzes the routes from which GIC invade into the choke transformers of high speed railways, with model of BE2-600/25 choke transformer as an example, by application of Maxwell software, a choke transformer model is established, and simulation results of electromagnetic characteristics are obtained for the choke transformer when it is being invaded by the GIC.

Geomagnetic storms; high speed railway; choke transformer; electromagnetic characteristics

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.018

U284.93

A

1007-936X(2017)05-0079-05

錢學(xué)成.國網(wǎng)江蘇省電力公司常州供電公司，助理工程師；董美玲.國網(wǎng)江蘇省電力公司常州供電公司，助理工程師。

國家自然科學(xué)基金項目（41374189）：地磁暴侵害高鐵電氣系統(tǒng)的電路模型與算法。

2017-01-07