基于PSCAD的動車組過分相時車載牽引變壓器勵磁涌流仿真分析

曹保江，宋勇葆，高國強，吳廣寧

(西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031)

車載牽引變壓器作為動車組的核心設備，其在動車組升降弓、過分相、弓網離線等過程中頻繁的投入與切出，這對其工作時良好運行提出了嚴峻考驗。穩態運行時，變壓器勵磁電流大約為額定電流的2%，變壓器空載合閘時，變壓器鐵芯磁通過飽和，將產生很大的勵磁涌流，其幅值可能達到額定電流的4～8倍[1]。勵磁電流較大會對列車車載變壓器造成損害，損壞車載牽引變壓器的絕緣性能，使其機械應力變大，導致牽引繞組變形，引起變壓器繼電保護系統的誤動作，也會給高速列車高壓系統帶來一定程度的危害[2]。

目前，國內外對于變壓器空載合閘產生勵磁涌流的研究大多集中在勵磁涌流產生的機理、勵磁涌流的諧波特征等方面[3]。文獻[4]以單相變壓器為例，簡要分析了變壓器勵磁涌流的產生機理，提出勵磁涌流的大小與鐵芯剩磁、合閘時電壓的相角等因素有關。文獻[5]提出電力機車空載合閘時的數學模型，利用MATLAB對比分析勵磁涌流與變壓器短路電流各自的特點。文獻[6]結合CRH3型動車組牽引變壓器特性，對其高壓系統進行仿真分析，同時通過傅里葉分析對勵磁涌流進行了諧波分析，認為高速動車組牽引變壓器采用二次諧波制動比的差動保護方法是可行的。文獻[7]利用FFT(傅里葉分析)和小波分析，對變壓器勵磁涌流產生機理及特征進行研究，提出可以根據二次諧波含量和小波系數的特征來鑒別變壓器勵磁涌流和故障電流。文獻[8]研究空載投入變壓器時產生的勵磁涌流對直流輸電系統正常運行產生的影響，這對動車組牽引傳動整流，直流側中間支撐電容選型有指導意義。文獻[9]提出變壓器勵磁涌流是引起差動保護暫態不平衡電流的主要原因。文獻[10]認為牽引變壓器低壓側電流互感器暫態飽和、沖擊電流中含有大量負荷電流是造成差動保護二次諧波制動失效的原因。

綜上所述，研究變壓器勵磁涌流的特點具有重要意義。本文針對動車組車載自動斷電過分相過程中產生的勵磁涌流進行研究分析。根據現場實測波形，分析勵磁涌流中諧波構成特點，構建仿真模型并探究變壓器剩磁、合閘時電壓的相角對勵磁涌流的影響。

1 動車組車載自動斷電過分相過程

電氣化鐵路采用分段供電，變電所與變電所之間的接觸網中設置的無電區段稱為分相區。車輛進入分相區前，停止牽引，斷開主斷路器，車輛依靠慣性通過分相區，駛出分相區后，再牽引行駛。CRH380B型動車組采用車載式GXF-3A自動斷電過分相裝置。動車組通過車載信號接收器獲取地面信號發生器發出的定位信號，確定車輛在分相區域的位置。在過分相過程中，除分相預告外的一切操作均由動車組控制系統自動完成。圖1給出了車載信號接收器和地面信號發生器的位置。動車組頭車(即端車EC01/EC08)到達G1點時，列車中央控制單元(CCU)封鎖四象限整流器，變流器整流部分不工作，牽引傳動系統進入“直流環節電壓保持”模式，此后CCU命令斷開主斷路器(VCB)，動車組將在無牽引、無網壓的狀態下駛入分相區[11]。此后列車不能施加牽引力，車載供電不能由接觸網提供，再生制動產生的電能也不能回饋給接觸網，空氣制動可以繼續發揮作用，過分相前后車上的風機類負載、伴熱等阻性負載、照明、繼電器等負載均不斷電，再生制動產生的電能可確保列車通過分相區時對輔助供電系統的持續供電。頭車到達G2點時，CCU將發出“強制斷開VCB”信號將其斷開，確保列車斷電過分相。頭車到達G3點時，CCU發出合VCB指令，控制VCB重新閉合。頭車到達G4點時，CCU檢測到接觸網電壓在正確有效范圍之內，控制列車進入牽引工況。

圖1 動車組過分相過程

CRH380B型動車組的主電路由網側電壓互感器、主斷路器、車載牽引變壓器、牽引變流器(包括四象限整流器、中間直流環節、逆變器)和牽引電機組成。主電路如圖2所示。受電弓從接觸網獲得工頻單相交流電后，由牽引變壓器降壓后輸入牽引變流器。牽引變流器單元內部的四象限整流器將1 550 V的交流電整流為3 000 V的中間直流電壓。中間直流電壓通過PWM變頻單元向牽引電機提供變壓變頻(VVVF)的三相交流電[11]。

圖2 動車組主電路

2 牽引變壓器勵磁涌流產生機理分析

式中：C1為衰減的非周期分量，若不考慮損耗，則為直流分量。設斷路器閉合(t=0)瞬間接觸網電源電壓為u2(t)=Umsin(ωt+β)，此時變壓器主磁通φ2為

由于過分相時間間隔較短，根據鐵芯磁通不能突變的特性，得到空載合閘時鐵芯中的磁通為

3 模型構建與實測數據分析

車載牽引變壓器勵磁涌流主要發生在動車組接收到地面信號后斷路器合閘時。合閘前四象限脈沖整流器由中央控制單元控制關閉，牽引電機再生制動發出的電能經逆變器整流后給中間直流環節，不回饋給接觸網，只為輔助供電系統供電，供動車組輔助用電設備使用[11]。合閘后的一段時間內動車組仍處于無牽引狀態，直到檢測到接觸網電壓處于合理范圍內，才施加牽引力運行。因此，仿真模型中牽引變壓器二次側設置為空載狀態。本文采用國際上通用的電力系統電磁暫態仿真程序PSCAD/EMTDC[8]。圖3為仿真模型。接觸網電源電壓為27.5 kV，電分相兩側供電臂長度為25 km，車載主變壓器采用經典模型，容量為3.06 MV/A，變比為27.5 kV/1.5 kV，仿真中用直流電流源來模擬變壓器剩磁。模型中主要參數見表1。

圖3 仿真電路圖

為了解過分相期間牽引變壓器勵磁涌流實際運行情況，本文選取牽引變壓器一次側作為主要測試對象，在相應的測點安裝電流檢測傳感器。動車組運行過程中，實時跟蹤牽引變壓器一次側工作地繞組電流，所有數據通過雙層屏蔽信號電纜輸入到多通道數據采集器內。現場試驗如圖4所示。

表1 模型中主要參數值

圖4 現場試驗

測試中，多次采集到一次側勵磁涌流現象的發生。圖5為典型的一次過分相過程中勵磁涌流現象，局部電流波形放大圖如圖6所示，可以看到勵磁涌流幅值達到平穩運行時一次側電流的3～4倍，約為360 A。其值有可能達到變壓器差動保護整定值，引起差動保護誤動作，對動車組的正常運行造成很大影響。

圖5 變壓器一次側電流

圖6 一次側勵磁涌流放大圖

勵磁電流波形表現為明顯的尖頂波和間斷角，偏向于時間軸一側，含有大量非周期分量和高次諧波分量。非周期分量的衰減時間常數與變壓器至電源間阻抗的大小、變壓器容量以及鐵芯的飽和程度等因素有關。

圖7為利用MATLAB中的powergui模塊對勵磁涌流進行快速傅里葉變換(FFT)分析得到的勵磁涌流諧波含量圖。圖8為各次諧波含量隨著時間的變化趨勢。可以得出，高次諧波中以二次和三次諧波為主，二次諧波含量較高，三、四、五次諧波含量相對較低，而且隨著時間的推移，各次諧波含量所占的比例均有增加，其中二次諧波的含量在合閘后的一段時間內超過基波分量的60%，這為變壓器差動保護準確區分勵磁涌流和故障電流提供了參考依據。

圖7 變壓器空載合閘勵磁涌流FFT分析

圖8 各次諧波含量

4 仿真結果分析

利用建立的仿真模型，對變壓器產生的勵磁涌流進行仿真分析。

4.1 剩磁對勵磁涌流的影響

仿真中通過在變壓器一次側注入直流電流的方式來模擬變壓器剩磁，直流電流與初始剩磁的對應關系見表2。改變電流值的大小可以改變剩磁，在電源相位角為0°時進行仿真，此相位角下勵磁涌流最大，鐵芯飽和最為嚴重，仿真結果如圖9所示。由圖9可知，波形偏離時間軸一側，出現間斷。剩磁越大，變壓器勵磁涌流越嚴重，幅值越大。剩磁為0.3 p.u時，勵磁涌流最大值為552 A，剩磁為0.5 p.u時，勵磁涌流最大值為649 A，剩磁為0.7 p.u時，勵磁涌流最大值為730 A。根據仿真結果可以發現，沒有剩磁的情況下一樣會有涌流存在，這主要是因為此時變壓器已經出現飽和。勵磁涌流的間斷角與鐵芯飽和磁通、剩磁大小、合閘時刻有很大關系。仿真與試驗波形大致趨勢基本一致，仿真值比實測值偏大，主要原因可能是仿真時接觸網電壓相位、變壓器剩磁與實測值不同。

表2 直流電流與初始剩磁對應關系

圖9 不同剩磁條件下勵磁涌流仿真結果

4.2 合閘角度對勵磁涌流的影響

仿真中通過改變合閘時刻的方式來模擬斷路器合閘初相角對勵磁涌流的影響。剩磁為額定磁通，合閘角為0°，30°，60°，90°時的仿真波形如圖10所示。可以看出，在合閘角為0°時勵磁涌流最大，合閘角為90°時涌流最小，符合勵磁涌流產生的原理。

圖10 不同電源相位角下空載合閘勵磁涌流

若不考慮變壓器剩磁和繞組損耗，根據第二節勵磁涌流產生機理，變壓器繞組產生磁通將超前合閘電壓90°。在接觸網電壓相位90°時合閘，車載變壓器的磁通量瞬時值剛好過零點，合閘前后系統的磁通未發生變化，變壓器鐵芯中的磁通處于穩態，因此不會產生涌流現象。若在電壓過零時合閘，此時繞組磁通量相角為90°，磁通剛好達到峰值。為了保證合閘瞬間磁通量不變，在合閘后系統將產生一個暫態磁通，主要用于抵消合閘瞬間穩態分量的的瞬態值，其大小和合閘初相角直接相關。此時，勵磁電流也將迅速增加以滿足磁通增加的需要，從而引起勵磁涌流現象的發生。在經過半周期后，繞組的磁通反向，但之前產生的用于抵消繞組磁通的反磁通依然保持原有方向，此時鐵芯內的磁通量相疊加，磁通量將擴大一倍，使得鐵芯磁路出現嚴重的過飽合[12]。在不考慮剩磁自動消退的情況下，如果將分閘相位角同合閘相位角合理配合，則能使剩磁和暫態磁通相互抵消，從而抑制涌流的產生。

5 結論

從實測電流波形及仿真驗證可得到以下結論：

(1)勵磁涌流中含有高次諧波，其中以二次和三次諧波為主，二次諧波含量較高，三、四、五次諧波含量相對較低，而且隨著時間的推移，各次諧波含量所占的比例均逐漸增加，其中二次諧波的含量在合閘后的一段時間內超過基波分量的60%。

(2)當合閘角為0°、剩磁為0 p.u時，變壓器出現飽和，且變壓器剩磁越大，合閘瞬間變壓器飽和現象越突出，勵磁涌流現象越嚴重。

(3)合閘角度對變壓器勵磁涌流影響有較大影響，在合閘角為0°時勵磁涌流最大，合閘角為90°時涌流最小。主要原因是變壓器繞組產生磁通超前合閘電壓90°。