基于电力机车变压器励磁涌流及影响研讨

基于电力机车变压器励磁涌流及影响研讨

向振毅

（中车兰州机车有限公司甘肃兰州730050）

摘要：电力机车变压器的结构、参数、工作环境等与电力系统变压器有所不同，具有频繁投切、高阻抗的特点，因此有必要专门针对机车变压器的励磁涌流现象进行分析。关于电力机车变压器励磁涌流发生机理和影响等方面的研究还很少。基于此，本文针对电力机车变压器励磁涌流及影响进行了简要研讨，以供参考。

关键词：电力机车；变压器；励磁涌流；影响

1机车励磁涌流发生机理

牵引供电系统由牵引变电所（SS）、牵引网（TN）、分区所（SP）和电力机车（LM）等构成，如图1所示，牵引变压器（TT）将电力系统三相电压转换成两路单相电压由接触网（T）和钢轨（R）为机车提供电能，变电所出口处和分区所处设置有电分相（S0，S1）。

1.1励磁涌流发生机理

图1中，当机车LM通过变电所处电分相S0或分区所电分相S1进入TN1后，车载变压器会进行恢复供电操作，其空载合闸时易出现励磁涌流现象，此时，系统的等效电路如图2所示。图2中，Rs、Ls分别为变电所及三相系统折算到牵引侧的等效阻抗，R1σ和L1σ、R2σ和L2σ分别为车载变压器的一次侧和二次侧漏电阻、漏电感，Rm和Lm分别为励磁电阻和励磁电感，Rq、Lq分别为机车与变电所之间的牵引网电阻和电感，i1为合闸后一次侧回路电流，u1和u2分别为变压器一次侧和二次侧电压。

变压器T合闸时，电压合闸角为θ，建立合闸回路动态方程为

us=Umsin（ωt+θ）=（Rs+Rq+R1σ+Rm）i1+（Ls+Lq+L1σ）di/dt+dλ/dt

式中：定义Rz=Rs+R1σ+Rm+Rq和Lz=Ls+L1σ+Lq分别为合闸时刻回路电阻和电感；λ为励磁电感Lm上产生的磁链，λ=N1Φm=Lmi1，Φm为一次侧、二次侧绕组的互感磁通，N1为变压器一次侧绕组线圈匝数。

由于变压器磁化特性为非线性，直接求解式较难得到解析式，为定性描述λ变化过程和分析影响涌流的关键参数，可采用近似分段线性的直线法，将非线性方程化简为线性方程求解，即Umsin（ωt+θ）=Rzλ/Lm+（Lz/Lm+1）dλ/dt；

求解式（2）得

式中：磁链λ（t）的表达式由稳态交流分量与衰减分量构成；λr为合闸时变压器铁芯的剩磁。

根据变压器铁芯磁化曲线λ=f（i）如图3所示，当磁链未饱和时，变压器运行在a段，励磁电流很小；当λ＞λsa，即变压器铁芯饱和，磁化曲线进入b段，变压器将出现励磁涌流。在励磁涌流存在期间铁芯会在饱和与未饱和之间切换，这将造成励磁电感的剧烈变化，如图4所示，Lm-sa为铁芯未饱和时的励磁电感，对应图3的a段，Lm-ns为铁芯饱和时的励磁电感，对应图3的b段，可采用近似法使Lm-sa与Lm-ns为常数值，结合图4和上述公式即可求得励磁涌流。

1.2励磁涌流对电压的影响

机车变压器一次侧电压即为其所在位置处的牵引网电压，其端口电压为u1=us-（Rs+Rq）i1-（Ls+Lq）di1/dt，根据变压器回路方程关系式可得u1=R1σi1+L1σdi1/dt+N1dΦm/dt；u2=R2σi2+L2σdi2/dt+N2dΦm/dt，式中，N2为变压器二次侧绕组线圈匝数。由于变压器处于空载状态，二次侧电流i2为零，因此可得到变压器二次侧电压为u2=[us-（Rs+Rq+R1σ）i1-（Ls+Lq+L1σ）di1/dt]N2/N1。

由上述公式可知，当变压器一次侧出现励磁涌流时，不仅会影响变压器一次侧电压波形，也会对二次侧电压造成影响，影响程度与励磁涌流大小、系统阻抗、线路阻抗以及变压器内阻抗等参数有关。

2仿真分析

根据图1针对电力机车变压器合闸进行仿真分析。牵引变压器为单相变压器，容量31.5MV•A，牵引网长度为25km；选取HXD3型机车为研究对象，其变压器额定容量为9006kV•A，高压侧额定电压为25kV，牵引侧为1450V，阻抗电压百分比为41％，空载电流0.26％，空载损耗2600W，负载损耗224kW。为精确模拟变压器合闸，模型中通过实时改变机车与变电所间的牵引网阻抗来模拟机车动态特性。

2.1励磁涌流

分别对机车变压器在牵引网首端、末端合闸时变压器励磁涌流、一次侧电压（牵引网电压）、二次侧电压的变化情况进行分析。机车变压器在牵引网首端合闸，合闸初相角为0°，得出励磁电流、一次侧与二次侧电压相关图，有图可知，合闸后，在0.2056s时变压器开始出现励磁涌流，最大值达到633A，超过机车额定电流峰值，列车动态特性下的变压器励磁涌流与未考虑动态特性时有一定差异，动态条件下模型更能体现机车运行状态。在0.2056s时，即励磁涌流出现阶段变压器一次侧电压发生跌落，其基波有效值降为26.39kV，畸变率为5.42％，二次侧电压跌落更为严重，基波有效值仅1185V，远小于额定电压，电压损失达到25％，畸变率则高达44.65％。

对比分析机车在牵引网首端、末端合闸时变压器励磁涌流、一次侧与二次侧电压，得出相关数据可知，由于牵引网阻抗的阻尼作用，机车变压器在末端合闸时产生的励磁涌流小于在首端合闸时，励磁涌流的出现造成了变压器一次侧、二次侧电压跌落和畸变，但由于机车在末端时牵引网阻抗的增大，变压器一次侧电压损失和畸变率大于在首端时，而二次侧电压受到励磁涌流的影响，与在首端时基本相同。

2.2合闸角度的影响

由于机车变压器合闸时牵引网电压相角具有随机性，分析在不同合闸初相角下变压器励磁涌流的产生情况，得出相关图，由图可知，机车变压器在电压相角为0°和180°，即电压过零时刻合闸产生的励磁涌流最大，在电压初相角为90°和270°时合闸未出现励磁涌流现象，在电压正负半周的对应相角合闸产生的励磁涌流大小基本相同。

2.3牵引网电压的影响

电气化铁道规定接触网必须电压在19～29kV范围内，在不同牵引网电压下，机车变压器的励磁涌流的变化情况以及涌流对电压的影响，得出相关图，由图可知，变压器励磁涌流大小与牵引网初始电压呈正比例关系，牵引网电压越高，励磁涌流越大，但其谐波畸变率越小，而励磁涌流造成的变压器一次侧、二次侧的电压损失和畸变率也越大，机车在末端时涌流对变压器一次侧电压的影响更突出。

2.4阻抗百分比的影响

阻抗电压百分比是车载牵引变压器的重要参数，交直交型机车的变压器的阻抗电压百分比较高，交直型机车则较小，分析不同阻抗电压百分比下，变压器励磁涌流的变化情况与其对电压的影响，得出相关图。由图可知，变压器的阻抗电压百分比越大，励磁涌流越小，其谐波畸变率也小幅降低，而变压器一次侧电压损失与畸变率也因励磁涌流的减小而降低；虽然阻抗电压百分比增大会使涌流减小，但由于变压器内阻抗也增大，励磁涌流对二次侧电压的影响反而更为严重，当阻抗电压百分比越大，二次侧电压越小，其压损和畸变率也越大，因此具有高阻抗的交直交机车二次侧电压对励磁涌流较敏感，受影响较大。

2.5剩磁的影响

机车通过分相时间较短，机车变压器在分闸后短时内再合闸时，内部可能存有剩磁，分析变压器在存在0.1～0.9p.u.剩磁的情况下励磁涌流的变化情况以及其对电压的影响，得出相关图。由图可知，剩磁的存在会激发更严重的励磁涌流，变压器剩磁越高，则励磁涌流越大，其畸变率呈下降趋势，而涌流造成的变压器一侧电压损失也越大，且在末端时更严重，变压器二次侧电压也随剩磁的升高而明显降低。

2.6变压器容量

根据需求和机车型号的不同，机车变压器有不同的容量，在其他条件不变时，分析变压器不同容量时，励磁涌流变化情况与其对电压的影响，得出相关图。由图可知，励磁涌流与变压器容量呈正比例关系，变压器容量越大，合闸产生的励磁涌流也越大，其造成的牵引网电压损失也越大，则变压器一次侧、二次侧电压也越低，但电压畸变率则随着容量的升高而增大，因此在机车变压器容量较高的重载线路，变压器励磁涌流带来的影响会更突出。

2.7牵引网分布电容的影响

牵引网为架空线路，其参数具有分布性，为了定性地研究系统参数变化对涌流的影响，上述分析中未考虑线路分布电容，现将牵引网分布电容加入到仿真模型后分析其对励磁涌流的影响，机车在牵引网首端、末端分别合闸时，励磁涌流以及其传输到变电所处电流、牵引网电压，得出相关图。由图可知，在系统中考虑分布电容后，变压器励磁涌流未出现明显改变，但涌流传输到变电所处时，电流中出现明显的高次谐波电流，发生了高次谐波放大现象，且机车末端合闸时，高次谐波放大现象更为严重；考虑分布电容后，在励磁涌流存在阶段，牵引网电压中出现明显高次谐波，尤其是当机车在牵引网末端合闸时，高次谐波电压更为突出，表明励磁涌流传输距离越长，高次谐波电流放大现象越严重，造成的高次谐波电压也越高，并造成牵引网电压负半周期出现谐振过电压现象。

分析机车在牵引网末端合闸后，励磁涌流、牵引变电所馈线电流以及在考虑分布电容前后牵引网电压的各次谐波含有率，得出相关图。由图可知，励磁涌流传输到牵引变电所处后，40～50次等高次谐波发生放大现象，而低次谐波与直流量基本未发生变化，由于励磁涌流中高次谐波含量较低，因此发生放大后的高次谐波占比不高；在考虑分布电容情况下，牵引网电压中直流分量和低次谐波未发生变化，而40～54次高次谐波成分明显升高，其频谱分布与变电所处电流一致，表明机车变压器-牵引供电系统的谐振频率在此频段内，在励磁涌流中的高次谐波与此频段的高阻抗作用下产生较高的高次谐波电压。在线路实际运行中，可能会出现上述几种条件同时作用的情况，如在牵引网电压28kV，变压器容量10MV•A，剩磁0.5p.u.时，此时励磁涌流将更高，其对系统的影响要比考虑单独一个条件时更严重。

结语

综上所述，可知，机车变压器合闸可能产生高于额定电流的励磁涌流，会造成变压器一、二次侧电压发生暂降和畸变，尤其是二次侧电压损失和畸变率较为严重，其中二次谐波含量最高；机车合闸位置距牵引变电所越远，励磁涌流越小，但由于牵引网阻抗的增大，使得变压器一次侧电压损失和谐波畸变率在涌流减小的同时反而增大，在末端合闸时涌流对牵引网电压的影响最为突出，而机车合闸位置变化对二次侧电压损失和畸变影响不大。

牵引网电压、变压器容量、剩磁越大，励磁涌流越大，涌流造成的变压器一次侧、二次侧电压损失和畸变率也越大；变压器的阻抗电压百分比越大，励磁涌流越小，变压器一次侧电压损失与畸变率也越小，但由于变压器内阻抗增大，励磁涌流对二次侧电压的影响反而更为严重，二次侧电压变小，其压损和畸变率增大，因此高阻抗的交直交机车二次侧电压对励磁涌流较敏感，受影响较大。

参考文献：

[1]曾耀吾.机车变压器短路阻抗计算及励磁涌流特性分析[D].长沙理工大学，2014.

[2]赵元哲，李群湛，周福林，等.电力机车变压器和应涌流产生机理与影响因素[J].电力系统保护与控制，2017.

作者简介：

向振毅（1991.09），男，甘肃高台人，中央广播电视大学法学，专科，单位：中车兰州机车有限公司，研究方向：电力机车