相控分合斷路器對涌流與過電壓的抑制研究

馮振領，廖永衡，樊會娟，李 鵬

0 引言

由于變壓器鐵心存在磁飽和問題，機車/動車主斷路器隨機合閘時，會導致在本車變壓器上產(chǎn)生合閘勵磁涌流，并在同一供電臂內運行的其他機車/動車變壓器上產(chǎn)生和應涌流，同時在地面牽引變電所變壓器上產(chǎn)生勵磁涌流。涌流會造成變壓器繞組絕緣老化、鐵損加大、保護誤動；涌流的諧波注入會使電磁環(huán)境受到污染，降低車載與地面電氣設備的可靠性及壽命，嚴重時還會引起車網(wǎng)諧振。為了降低涌流對機車/動車電氣系統(tǒng)的危害，目前部分機車/動車采取了延時躲避合閘涌流的方法，待涌流衰減后再啟動變流器，該方法以犧牲運輸效率為代價，且不能完全躲避合閘涌流與和應涌流的影 響。對于重載貨運機車與高速動車組，為使過分相后盡快恢復牽引力和制動力，采用了主斷路器合閘后盡早啟動變流器的方法，此時涌流的諧波會通過變流器維持并放大。

目前，國內外針對電力機車/動車變壓器勵磁涌流與和應涌流的產(chǎn)生機理與危害進行了相關研究。文獻[1～5]對電力機車合閘涌流產(chǎn)生機理與影響因素進行了理論及仿真分析。文獻[6～8]對和應涌流產(chǎn)生機理與影響因素進行了理論及仿真分析。文獻[9]實測出了350 km/h標準動車組主斷路器合閘涌流大于748 A，且伴隨變壓器次級電壓波形嚴重畸變，整車高壓與牽引系統(tǒng)中存在大量諧波成分，涌流持續(xù)時間最長可達幾十秒，在涌流產(chǎn)生600 ms時牽引變流器已啟動。文獻[10，11]針對涌流對機車變流器頻譜的影響進行了分析。為了防止涌流引起變壓器差動保護誤動，文獻[12～16]對涌流識別方法進行了研究，但對于防止保護誤動仍存在不足之處，且未從源頭進行涌流抑制。文獻[17]分析了涌流對電能質量的諧波污染。文獻[18，19]對涌流與合閘相位角的關系進行了推理分析。文獻[20]針對斷路器分合閘操作過電壓對動車電氣系統(tǒng)的影響進行了理論與仿真分析，說明了斷路器分閘過電壓較合閘過電壓高，應重點關注分閘過電壓。

由于變壓器與分布電容、雜散電容的存在，使得機車主斷路器合閘時將產(chǎn)生合閘涌流或合閘過電壓，相關文獻中實測的合閘涌流大于748 A[9]，實測到的合閘過電壓達到60～77 kV（25 μs脈沖寬度）。由于合閘涌流與合閘過電壓、分閘過電壓之間存在相互制約關系，且合閘過電壓的脈沖能量很小，不足以對設備絕緣造成危害，因此本文分析不考慮合閘過電壓。

目前，關于長期運用過程中相控分合及隨機分合工況涌流與過電壓對比尚未見研究。本文將重點針對隨機分合斷路器對機車/動車涌流與分閘過電壓的影響，以及相控分合斷路器對機車/動車涌流與分閘過電壓抑制效果進行對比分析。

1 涌流現(xiàn)狀

在電氣化鐵路中，由于牽引網(wǎng)中存在電分相，相鄰兩個供電臂存在天然的供電中斷區(qū)，當電力機車或高速動車組（以下統(tǒng)稱列車）高速受流于接觸網(wǎng)時，會頻繁處于有電-失電-有電工況。列車通過電分相時，斷路器經(jīng)過一次分閘與合閘操作，在列車變壓器恢復供電時，可能產(chǎn)生勵磁涌流現(xiàn)象。列車變壓器的結構、參數(shù)、工作環(huán)境等與電力系統(tǒng)變壓器有所不同，其具有動態(tài)、頻繁投切、高阻抗的特點，尤其是在高速鐵路中，列車運行速度高，過分相更加頻繁且時間短，變壓器的磁通衰減量小，涌流現(xiàn)象更加突出。此外，高速鐵路行車密度大，會出現(xiàn)線路雙車甚至多車同時在同一供電臂運行的情況，在列車過分相時產(chǎn)生的勵磁涌流會經(jīng)牽引網(wǎng)影響到鄰近的列車，從而產(chǎn)生和應涌流，且在變電所出口分相處，列車的合閘涌流將直接影響上一級的牽引變壓器。考慮到列車位置和狀態(tài)的時變性，和應涌流將更為復雜。合閘涌流與合閘相位的關系如圖1所示，可見，隨機合閘大概率會產(chǎn)生合閘涌流，并引發(fā)和應涌流及地面變壓器的勵磁涌流。

1.1 涌流對牽引網(wǎng)電壓的影響

涌流含有含量很高的低次諧波（直流分量、2次諧波）和豐富的高次諧波。牽引網(wǎng)電壓越高、變壓器容量越大、剩磁越大，勵磁涌流越大，涌流造成的變壓器一次側、二次側電壓損失和畸變率也越大。機車變流器在這種畸變網(wǎng)壓作用下，輸出電流的主要頻譜分布會包含與牽引網(wǎng)諧振點或諧振帶一致的非特征次諧波分量，在特征次諧波電流未與牽引網(wǎng)耦合發(fā)生諧振的情況下，該非特征次諧波可以維持車網(wǎng)系統(tǒng)的諧振。

圖1 合閘涌流與合閘相位的關系

圖2為機車上實測的涌流與網(wǎng)壓、變壓器二次側電壓波形。可以看出，涌流產(chǎn)生后牽引網(wǎng)電壓發(fā)生了明顯的跌落與畸變，牽引網(wǎng)電壓諧波總畸變率THDu由0.92%增大至8.21%；同時，變壓器二次側電壓諧波總畸變率THDu已達到27.26%，網(wǎng)壓與變壓器二次側電壓的THDu均已嚴重超出GB/T 14549—1993《電能質量 公用電網(wǎng)諧波》關于35 kV系統(tǒng)THDu≤3%的要求。

圖2 合閘涌流引起網(wǎng)壓與變壓器二次側電壓畸變

1.2 合閘涌流引起其他機車變壓器產(chǎn)生和應涌流

由于變壓器間的磁鏈作用，機車主斷路器隨機合閘時，不但導致本車上產(chǎn)生合閘涌流，還會在同一供電臂內運行的其他機車上產(chǎn)生和應涌流。圖3所示為機車運行過程中的和應涌流實測波形。可以看出，由于受到同一供電臂內其他合閘機車的影響，正常運行的機車變壓器上產(chǎn)生了和應涌流，和應涌流的諧波通過變流器維持并放大，最終導致網(wǎng)壓諧波總畸變率THDu由3.80%增大到13.92%，嚴重超出標準規(guī)定THDu應不大于3%的要求。

圖3 和應涌流引起牽引網(wǎng)壓跌落與畸變

1.3 涌流對地面牽引變壓器的影響

機車變壓器的合閘涌流還會導致地面牽引變壓器產(chǎn)生較大勵磁涌流，如圖4所示。可以看出：重聯(lián)機車在變電所出口分相處合閘，在地面牽引變壓器上先后產(chǎn)生兩次勵磁涌流；機車合閘位置距牽引變電所越近，涌流對地面牽引變電所變壓器的勵磁涌流影響越大；機車合閘位置距牽引變電所越遠，涌流對牽引網(wǎng)電壓的影響越突出；前節(jié)機車主斷路器合閘后在地面牽引變壓器上產(chǎn)生175 A的勵磁涌流，后節(jié)機車主斷路器合閘后又在地面牽引變壓器上產(chǎn)生了500 A的勵磁涌流，這兩部分勵磁涌流同時使牽引網(wǎng)壓發(fā)生了明顯的跌落與畸變。

圖4 車載主斷合閘引起地面變壓器涌流與網(wǎng)壓諧振

1.4 涌流加大電磁輻射

涌流還會產(chǎn)生嚴重的電磁輻射，可能導致控制系統(tǒng)紊亂。以某型HXD機車為例，主斷路器合閘時經(jīng)常造成制動系統(tǒng)死機。圖5所示為網(wǎng)側柜外實測的主斷路器隨機合閘與相控合閘時的磁場輻射對比。可以看出，隨機合閘時產(chǎn)生的磁場輻射最大達到了背景的50倍（背景為0.1 μT，最大磁場輻射為5 μT）。

圖5 相控與隨機合閘磁場輻射對比

2 分閘過電壓現(xiàn)狀

斷路器隨機分閘時會使變壓器原邊與次邊產(chǎn)生分閘過電壓。圖6所示為斷路器隨機分閘時在變壓器二次側監(jiān)測到的過電壓。可以看出，分閘時在變壓器二次側產(chǎn)生了1.6倍的操作過電壓。

圖6 隨機分閘時變壓器二次側產(chǎn)生的過電壓

圖7為斷路器隨機分閘時在變壓器原邊避雷器上監(jiān)測到的沖擊電流，圖8為避雷器伏安特性曲線。圖7顯示分閘時避雷器上產(chǎn)生了30.95 A的沖擊電流。結合圖7與圖8可知，斷路器隨機分閘時在變壓器原邊產(chǎn)生了大于75 kV的操作過電壓。

圖7 隨機分閘時變壓器原邊的避雷器沖擊電流

圖8 避雷器伏安特性曲線

3 涌流與過電壓抑制

3.1 涌流抑制原理

斷路器關合空載變壓器時，變壓器一次側電壓設為

式中：Us為系統(tǒng)電壓值，Um為系統(tǒng)電壓峰值，ω為角頻率，α為系統(tǒng)電壓初相角，R為變壓器一次繞組電阻，i(t)為穩(wěn)態(tài)電流，φ(t)為鐵心磁通。

主回路電壓方程為

式中：L為鐵心電感。

設鐵心中剩磁為φr，則鐵心磁通為

式中：φm為鐵心磁通峰值。

如果在電壓過零時刻即初相角α= 0時合閘，鐵心磁通將達到2φm+φr。如果在φr+φmcosα= 0時合閘，鐵心中將沒有暫態(tài)磁通，只有穩(wěn)態(tài)磁通，變壓器將進入穩(wěn)態(tài)運行，則此時最佳合閘相位α為

3.2 過電壓抑制原理

感應電動勢計算式為

由式（5）可知，感性負載電路在電流相位過零點切斷時將不會產(chǎn)生過電壓。變壓器屬于感性負載，電流相位滯后電壓相位90°，電壓峰值正好對應電流過零點。因此，斷路器選擇電壓相位5 ms為目標電弧熄滅點，則不會產(chǎn)生分閘過電壓。

3.3 相控分合原理

相控分合斷路器通過選擇合適的分合閘相位，能夠實現(xiàn)抑制涌流與過電壓的目的。

3.3.1 相控分閘原理

相控分閘時序如圖9所示。相控控制器實時監(jiān)測電壓過零點（T0時刻），當接收到機車控制系統(tǒng)下發(fā)的分閘命令（T1時刻，具有相位隨機性）后，啟動相控邏輯，確定最佳目標電弧熄滅點位于電壓峰值處（T4時刻），根據(jù)人工智能算法預估斷路器的預期分閘時間和目標電弧熄滅處的預期燃弧時間（T4?T3），自動計算出合適的選相等待時間（T2?T1）。機車控制系統(tǒng)下發(fā)合閘命令（T1時刻）開始計時，到達選相等待時間（T2時刻）后，發(fā)出相控分閘的命令。

圖9 相控分閘時序

3.3.2 相控合閘原理

相控合閘時序如圖10所示。相控控制器實時監(jiān)測電壓過零點（T0時刻），接收到機車控制系統(tǒng)下發(fā)合閘命令（T1時刻，具有相位隨機性）后，啟動相控邏輯，確定最佳目標關合點位于峰值處（T3時刻），并根據(jù)人工智能算法預估斷路器的預期合閘時間和目標關合點處的預期擊穿時間（T4?T3），自動計算出合適的選相等待時間。機車控制系統(tǒng)下發(fā)合閘命令（T1時刻）開始計時，到達選相等待時間（T2時刻）后，發(fā)出相控合閘的命令。

圖10 相控合閘時序

3.4 涌流抑制效果

對比HXD1、HXD1B、HXD1D、HXD2、HXD2C、HXD3、HXD3C、HXD3D機車隨機分合、相控分合工況的運用情況，統(tǒng)計對比涌流結果見表1，網(wǎng)壓和變壓器二次側THDu統(tǒng)計對比結果見表2。

合閘涌流持續(xù)時間與涌流峰值直接相關，涌流峰值越大，涌流持續(xù)時間越長、涌流衰減越慢。為了綜合評價每次合閘涌流的沖擊能量，引入涌流沖擊當量這個指標。涌流沖擊當量的定義為涌流起始的一個周期內I2r的積分，無量綱。

由表1可以看出，綜合各車型的數(shù)據(jù)，相控分合的主斷路器涌流峰值平均值在23 A左右，涌流沖擊當量平均每次約為1。而隨機分合的主斷路器涌流峰值平均值在185 A左右，涌流沖擊當量平均每次約為85。即相控分合的主斷路器合閘時產(chǎn)生的涌流沖擊能量很小，僅為隨機分合主斷路器涌流沖擊能量的1.17%，說明相控分合斷路器可以有效地抑制合閘涌流，不會使其他機車與地面牽引變壓器產(chǎn)生和應涌流與勵磁涌流。

表1 相控與隨機分合閘工況機車變壓器涌流對比

表2 相控與隨機分合閘工況網(wǎng)壓與變壓器二次側THDu對比

由表2可以看出，綜合各車型的數(shù)據(jù)，相控分合的主斷路器變壓器二次側THDu平均值在2.6%左右，合閘后與合閘前網(wǎng)壓THDu的差值平均每次約為0.14%。而隨機分合的主斷路器變壓器二次側THDu平均值在16.9%左右，合閘后與合閘前網(wǎng)壓THDu的差值平均每次約為1.74%。相控分合斷路器不會加大網(wǎng)壓與變壓器二次側電壓的諧波成分，不會加大變流器的諧波輸出，有利于凈化牽引供電電能質量。

3.5 過電壓抑制效果

圖11所示為相控分閘時牽引網(wǎng)與變壓器二次側電壓波形。可以看出，各車型相控分閘時牽引網(wǎng)與變壓器二次側均未產(chǎn)生過電壓。

圖11 各型車相控分閘時牽引網(wǎng)與變壓器二次側電壓波形

4 結論

（1）機車/動車主斷路器隨機分合會在牽引網(wǎng)上頻繁產(chǎn)生大幅值、諧波含量豐富的涌流，引起牽引網(wǎng)壓與變壓器二次側電壓發(fā)生跌落與畸變，還會產(chǎn)生大幅值的磁場輻射與浪涌過電壓，嚴重時會造成車網(wǎng)諧振、機車/動車控制系統(tǒng)與通信系統(tǒng)紊亂。

（2）經(jīng)大量現(xiàn)場試驗驗證，相控分合斷路器通過選擇合適的合分閘相位，可以有效抑制涌流與過電壓，合分閘時不再產(chǎn)生電磁暫態(tài)沖擊，能夠凈化牽引供電電能質量，保護機車電氣系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)，并為變流器盡早投入提供良好的電氣環(huán)境。