牽引電網過電壓產生機理及測試探究

馬晨陽 林燕舞 朱 娟

（1.鐵科縱橫（天津）科技發展有限公司，天津 301700；2.齊齊哈爾四達鐵路設備有限責任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002）

1 牽引電網中牽引變流器系統相關內容分析

1.1 系統主要組成部分

市場上現行的牽引變流器主要由轉接線束及線束工裝車、試驗臺及上位機系統構成，為了確保企業能夠達到顯著的運行效果，此處在進行的絕緣試驗應用了南京長盛的CS99xxX-Nxx 系列產品，在積投入相關建設資金后，借助西門子PLC 作為控制單元，低壓電氣元件、高壓干簧繼電器等元件構建相對完整的操作程序。

1.2 牽引變流器耐壓測試基本流程分析

（1）牽引變流器主要功能和軟件系統研究

牽引變流器是整個列車組的重要組成部分之一，大多數會被安裝在各類列車的最下方。在實際的應用過程中，其主要會對直流制和交流制中的電能量進行轉換，并結合接觸網內部的1500V 直流電轉換為0V～1150V 的三相交流電，繼而通過一定的調壓調頻方式來對交流牽引機，進行制動、調速處理。在電子電力技術不斷發展的大時代背景下，牽引變流器在軌道列車中也發揮著越來越重要的作用。其次，經過相關人員開發和研制，通過IGBT、GTO、IPM 軟件來作為整個電壓驅動的全控型開關元件，在實際的運用中，脈沖開關憑借著性能較好。損耗小、開關頻率高等特點受到研發人員一致認可，牽引變流器主要在供電環節使用，主要由制動電阻、電阻制動器、PWM 逆變器及直流連接環節組成（見圖1）。

（2）絕緣耐壓測試

首先，應將插頭U31X1、U32X1、U33X1 進行有效連接處理，并及時對箱體、被測回路及與箱體連接的相關線路進行全面的隔離開測試處理，在保證接地完整的基礎上，引進先進的耐壓測試儀器進行全面的測試。其次，具體的測試耐壓調壓率應按照≤ΔU/T=500V/s 逐步調高或下降，基本耐壓測試分析表見表1。值得注意的是，應合理的確定上升調整時間、耐壓測試時間、下降調壓（V）時間，在試驗準備前，操作人員應提前確定好每個試驗環節的耗費時間。再次，確保最終的試驗結果最大漏電流I在可控范圍之內。最后，當相關回路測試結束后，應將所有的測試線路歸于原處，為下一個回路測試順利進行奠定夯實基礎。具體的測試時間和耐壓時間圖如圖2 所示。

（3）絕緣電阻測試

首先，應將U31X1、U32X1、U33X1 插頭拔下，并保證被測回路與箱體、以及與箱體相連接的回路必須處于隔離開測試狀態。其次，當進行實際的絕緣電阻測試后，應確保整體測試時間適中，一般為4s～5s 左右。最后，應對SK1～SK5一次進行測驗。

1.3 牽引變流器概述及主要工作原理分析

（1）概述

交流異步電動機電源頻率和同步轉速的具體關系如公式（1）所示。

圖1 牽引變流器軟件應用界面圖

表1 基本耐壓測試分析表

式中：n 代表電機整個轉速；f 代表供電頻率；p 代表電動機極對數；s 代表轉差率。

在對電機內部結構進行調速后，應用半導體功率開關元件對變頻設備、變頻電源對異步電動機進行調速。從實際的性能來講，計算公式如公式（2）所示[4]。

式中：U 代表電機電壓；E 代表電動勢；f代表電機定子繞組中感應電動勢的頻率，與電源頻率f 相等，計量單位Hz；K 代表電機定子繞組的繞組系數，其值由繞組結構決定，K<1；N代表電機定子繞組每相串聯的線圈匝數；φ 代表電機每極磁通。

在實際的調速管理中，應確保U不變的基礎上，φ 和f成反比，即φ 增加，f隨之減少，此時牽引變流器的磁路應處于飽和狀態，當勵磁電流急劇上升時，鐵損也應隨之上升，此時電機的功率因數逐漸下降，電機發熱效果和運行功率也明顯下降，假如f逐漸上升，φ 就隨之減小，此時電磁轉矩數值逐漸降低的同時，電機負載能力也相繼下降，由此可以看出，在對f進行調整的過程中，還要對U進行合理規劃，只有在電機運行效果完好的基礎上，才能對變頻變壓電源進行綜合調速管理。

（2）牽引變流器工作原理

牽引變流器通過合理的內部結構將直流電轉換成頻率可變的交流電和相應的電壓，并采用正弦脈寬調制（SPWM）方法，促使牽引變流器實際的輸出波形酷似正弦波，在廣泛應用于驅動異步電機后，達到無極調速效果。

圖2 測試時間和耐壓時間圖

2 牽引電網過電壓的工作機理

2.1 牽引電力機車

具體的牽引電網供電系統應根據機車具體型號適當調整。產生大面積電容、電感、電阻現象是牽引電網中經常出現的問題之一，牽引電網在運行中同時也面臨轉動負荷壓力過大、變化波動明顯的不良后果。

2.2 牽引電網過電壓工作機理

（1）電力機車在行駛過程中產生的網端過電壓分析

電力機車的機械元件、受電弓等部位在和接觸線緊密連接期間，會在滑動期間產生明顯的受電情況。通過簡單的牽引電網運行可以得知，求得回路總電感的計算如公式（3）、公式（4）所示。

式中：C 代表對地總電容；L 代表牽引電網饋電線長度；L代表整流變壓漏感器；l代表電力機車與電源端總體間距的饋線總長度；L代表單位長度接觸線電感；C代表對地電容量；C代表母線對地電容。

然而，受到外界客觀環境因素影響，電力機車在運行期間可能會出現“跳弓”等不良情況，在伴隨斷弧和起弧時，可能導致機車變換器設備出現故障，具體來說，在處于通電狀態的起弧模式下，電弧的運行參數會不斷下降，而一旦出現斷弧效應時，電路系統會產生明顯波動，在產生相關電磁反應后，饋電線電壓數值直接增加，計算公式如公式（5）所示。

式中：I代表電力機車電流數值由；U代表電動機反電勢由；U代表網端過電壓。

U可套用上述能量關系計算公式（4）求得。值得注意的是，如果是多臺電力機車同時運轉，機車內部的電力裝置會自動產生大規模的網端過電壓泄放回路現象。

（2）電力機車行程過程中受電弓端過電壓分析

當電力機車的相關裝置出現電源斷開現象時，就會出現相應的“跳弓”截流情況，在各電機系統產生電磁后，就會產生相應的等效電路圖。其中，設電動機回路的等效電阻為R，等效電感為L，初始電流為I，電動機反電勢為U，對饋電線電容為C，受電弓對地電容為C。在實際的等效電路中，可以不對電阻R和C的數值進行細致計算，如果將U設置為一個固定參數，則振蕩電壓u（t）的計算公式如公式（6）所示。

式中：t 代表時間。

（3）牽引電網操作電源開關過電壓

在進行電源閘開關啟動時，研究人員在對電阻影響忽略后，可以得出公式（7）。

式中：u（t）代表電容電壓。

公式各個元素含義同上。假定進行電源閘關閉啟設置時，即對牽引電網進行載合關閉時，電動機的所有分支電路都會斷開連接，在電磁過程中的整體電壓為設定的2 倍。

（4）交流系統過電壓的影響

眾所周知，交流電網在供電過程中會形成牽引電網，而在電網運行期間形成的過電壓流經整流器設備時會對牽引電網造成極大影響。例如，如果形成三相橋式整流器供電的模式時，在牽引電網中產生的過電壓即為線路間過電壓，其基本電壓數值始終為整數，如公式（8）所示。

式中：u 代表過電壓；u，u，u代表線路內部的過電壓。

3 牽引電網過電壓測試系統設計

3.1 測試系統設計分析

牽引電網中的隨機信號和過電壓信號是對等的，在按照前文敘述的計算公式后，得出完整的系統數量運行關系網。為了能夠達到國家設定的系統運行標準，科研人員應密切關注牽引電網運行狀態，制造出先進的分壓器-磁帶記錄設備，在聯系磁帶記錄儀提供的大量信號后，利用系統技術來優化記錄儀的工作效率。

3.2 測錄信號回放處理分析

對當前牽引信號和各類情況綜合收集匯總可以發現，電壓信號的形成原因有多種，此處簡單的介紹以下幾種回放處理設計內容。首先，針對于磁帶記錄儀-記憶示波器回放系統，操作人員根據儀器設備內傳輸的數據信號，通過記憶示波器等設備來搜尋到相關電壓信號，在一系列的定量分析后，采用拍攝采集到相關電壓波形信號。

4 牽引電網過電壓測試及測試結果

4.1 測試項目及測錄

在對山西省臨汾市鄉寧和蒲縣附近諸多煤礦井內的牽引電網進行測試后，測試人員通過對電力機車受電弓側過電壓數據信息，對電力機車電源進行啟停處理后，拉閘在電力機下呈現的反應及電力機車行車中牽引電網饋電線的過電壓值進行測試后，在空載情況下對合閘處理進行測試，回放處理后，獲得牽引電網總的過電壓幅值和脈寬信息。

4.2 3種測試結果

首先，針對牽引電網的饋電線過電壓管理，尤其電力機車在實際行駛過程中，可能極易受到電壓荷載壓力影響。例如，電網過壓值可能在“截流”期間發生大幅度的變化，主要是由于電網負載壓力和電壓倍數存在一定聯系。

其次，在對電力機車受電弓過電壓進行測試時，可以直接獲取50 次～60 次的“跳弓”截流過電壓信號，同樣，過電壓負載和倍數存在一定的聯系，基本保持在1.24～3.97，此時脈寬為0.47ms，整體振蕩頻率為1.12kHz。值得重點說明的是，電力機車在行駛期間如果出現反復的起弧現象，此時牽引電網內部的燃弧效應不會形成過電壓，并構成完整的實錄波形圖。

最后，在牽引電網中進行電源開關的操作時主要有以下2 種測試結果。第一，空載合閘過程中，在實際回放期間不會產生過電壓信號。第二，在拉閘期間，兩個網分別進行20 次試驗，回放期間都會存在振蕩電壓，整個衰減過程相對較快。對其中一個網進行測驗，其過電壓幅度最高可達7.4 倍，平均可達4.3 倍，脈寬2.32μs。另一個網的過電壓幅值最高可達6.1倍，平均達3.9 倍，脈寬1.72μs。

4.3 測試結論

首先，受電弓經常出現“跳弓”情況時，電磁出現震蕩反應主要是由于牽引電網中“跳弓”截流的位置造成的，基本的過電壓幅度不會高于4.1 倍，脈寬在1.1ms 左右，這些現象的產生基本會電網中系統配置參數有著直接聯系。

其次，一旦振蕩過電壓出現在牽引電網拉閘過程中，即表明整體的幅值倍數較高，在進行此個操作環節時應對電源進行切斷處理。一旦故障發生后才會開始進行跳閘，在實際的過電壓數據分析中可以不以此種過電壓現象作為參考依據。與此同時，當交流系統中的過電壓通過整流器傳遞至牽引電網過電壓時，可以通過在電源測方設置吸收電路。

最后，在對電力機車電子裝置設計過程中，通過大量實踐證明，使用4 倍電源電壓、1.1ms 脈寬的過電壓設計阻波電路可以確保整個系統的過壓能力。

5 結語

工業企業管理人員應順應時代發展契機，在對牽引電網過電壓產生原理充分了解的基礎上，投入適量建設資金，引進先進的電力電子裝置，尤其是在應用較多的城市交通軌道建設中，管理部門應確保牽引電網安全穩定的情況下，對電網系統中進行過電壓檢測和絕緣檢驗，在保證電力裝置性能良好的基礎上，拓展牽引系統應用范圍，促進社會的可持續發展。