电力机车变压器励磁涌流及其影响研究

电力机车变压器励磁涌流及其影响研究

孙宇飞

中车大连机车车辆有限公司    辽宁大连    116052

摘 要：为了对电气化铁道电力机车变压器的励磁涌流的产生机理进行了分析，构建了电力机车变压器在合闸的瞬间的牵引供电系统的等值线路，并对其进行了分析，得出了变压器的磁通和一次侧的电压的数值计算。同时，分析了在各种工况下变压器所产生励磁涌流的实际变化情况以及其对一、二侧电压所造成的影响。

关键词：电力机车；变压器；励磁涌流；牵引网电压

在变压器空载状态下，将会出现大量的励磁涌流，这不仅会导致差动保护的误动，还会对变压器本身及周边设备造成巨大的冲击，从而影响到电网的可靠性、稳定性。中国的电气化铁路使用的是单相的工频交流系统，为了保证电网三相负载的尽量均衡，通常都是采取交替相序，分相分区供电的方式，而在不同的供电区段间都有电分相连接。为了确保电力列车能够安全地通过电分相，电力列车主的断路器需要进行一次的合闸和分闸，当机车变压器重新开始供电的时候，就有可能会出现励磁涌流的情况。而且，由于机车通过分相的时间很短，变压器的磁通衰减不彻底，这就会让涌流的情况更加明显。

1.机车励磁涌流发生机理

图1中，在列车 LM经过变电站分相区或分区所电分相 S，进入 TN1后，列车上的变压器将执行重新供电的工作，在它的空载合闸过程中容易产生磁场涌流，这时该系统的等效回路见图2。

图2 机车变压器合闸等效电路

图1 牵引供电系统

2.电力机车变压器对励磁涌流所造成的的影响

2.1合闸角度的影响

针对机车变压器合闸时牵引电网电压相角的随机性，对不同合闸初始相角条件下的变压器励磁涌流进行了理论分析。

从图3中可以看到，当电压相角是0度和180度时，也就是当电压过零点时，机车变压器刻合闸时，所产生的励磁涌流达到了最大值，而当电压相角是90度和270度时，所产生的励磁涌流没有发生，而当电压相角是90度和270度时，所产生的励磁涌流在两个不同的相角之间，所造成的幅值也是一样的。当开关初相角度设定为0度，以研究在各种情况下所产生的最大励磁涌流及其对整个系统的影响。

图3 不同合闸初相角时变压器励磁涌流

2.2机车位置的影响

由于机车在首端与末端合闸时，会出现不一样的励磁涌流，假定机车在牵引网的不同部位合闸，对变压器励磁涌流的改变进行了研究，并对其变压器一次侧、二次侧的电压影响进行研究，见4-6。

从图4可以看出，当列车在拖曳网的一端时，在拖曳网的一端，变压器的励磁涌流是最大的，当列车的合闸位置离拖曳变电所的时候，它与变电所之间的拖曳网阻抗也是最大的。因为有了电阻器的阻尼，激磁涌流就会变得更少，在拖曳网的两端时，激磁涌流最少，而其谐波畸变率却会随着距离的增加而略微增加。从图5可以看出，当列车离开变电站的时候，一次端的电压就会更低，可以看出尽管随着路程的增加，激励的涌流会减少。但是，在增加的牵引网络阻抗的情况下，却会增加一次端的电压损耗和一次端的谐波畸变；从图6中可以看出，当合闸在各个位置上时，该变压器次级端的电压是大致一样的，并且该磁场的涌流所引起的该次级端的电压变形是大致一样的。

图4 不同位置时励磁涌流  图5 不同位置时变压器一次侧电压

图6 不同位置时变压器二次侧电压

2.3阻抗百分比的影响

阻抗电压百分率是一个非常关键的指标，交直交型列车的变压器的阻抗电压百分率较高，而交直型列车的电阻率较低，对在不同阻抗电压百分率下，变压器激磁涌流的变化情况以及对电压的影响进行了研究，见图7-8。

从图7-8中可以看出，随着变压器阻抗电压百分数的增加，激磁涌流减少，且其谐波失真也减少，同时随着激磁涌流减少，使变压器初级端的电压损耗及失真也减少；从图8中可以看到，尽管阻抗电压的百分比增加，使得涌流减少，但是因为变压器内阻抗也增加，所以励磁涌流对二次侧电压的影响更加显著，当阻抗电压的百分比越大，二次侧电压就越小，其压耗和畸变率也就越大，所以，拥有高阻抗的交直交列车二次侧电压对励磁涌流比较敏感，并且受到了比较大的影响。

图7 不同阻抗电压百分比时励磁涌流        图8不同阻抗电压百分比时

变压器一次侧电压

2.5变压器容量

由于需求和列车机型的差异，所以，在其它条件不变时，对变压器的功率进行了不同的计算，并对其进行了对比，结果见图9-11。

从图9-11可以看出，励磁涌流与变压器的体积是成正比的，当变压器的体积变得更大时，它所导致的牵引网电压损失也就更大，所以，在一次侧、二次侧的电压也就更小，但是，电压畸变率却是会因为体积的增加而增加，所以，在列车变压器的体积比较高的重载线路上，变压器激磁涌流所带来的影响会更加显著。

图9不同变压器容量时励磁涌流          图10不同容量时变压器一次侧电压

图11 不同容量时变压器二次侧电压

结 论：

(1)在列车变压器的闭锁过程中，由于磁场的作用，会引起变压器一次、二次侧的电压暂时下降和变形，特别是二次侧的损耗和变形速率比较大，而二次侧的二次谐波占很大比例；随着列车开闭距离牵引变电站较长，列车开闭后，一次侧的电流损耗与谐波畸变随列车开闭的距离逐渐降低，但随着电网的阻抗增加，一次侧的电流损耗与谐波畸变随列车开闭时间的增加而增加，尤其是终端开闭时刻，对电网的电压冲击最显著，但列车开闭对二次侧的损耗与谐波畸变的冲击相对较小。

(2)随着牵引电网电压、变压器容量、的增大，激励的电流增大，变压器一次侧和二次侧的电压损耗和变形速率增大；随着变压器的阻抗电压百分数的增加，激磁涌流就会减少，一次端的电压损失与畸变率也会减少。但是，因为在一次端，因为有了变压器的内阻抗的增加，激磁涌流对二次端的电压的影响会更加的明显，二次端的压力会随着二次端的压力变化而增加，所以高阻抗的交直交列车二次端的压力对励磁涌流比较敏感，并且会受到很大的影响。

(3)当考虑到电网中存在着大量的电容器时，由于电网中存在大量的励磁涌流，其中的高阶共振会叠加到电网本身的共振频率上，从而导致了电网中的高阶共振电流会出现一种放大效应，并在共振频率上与电网中的高阻联合作用，形成了一个很高的高阶的电压，从而进一步加剧了电网的电压失真。

参考文献

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