电力机车励磁涌流仿真及其对公网影响的分析

马 果，吴广宁，王 韬，闵英杰

0 前言

变压器闭合和开断过程中，由于磁通不能突变，励磁曲线工作在饱和区段，电感瞬间下降，导致励磁电流迅速增大，此时电流称为励磁涌流[1]。励磁涌流数值很大，一般可达到额定电流的3～8倍，最大可达到6～10 倍[2]。严重的涌流现象对变压器绝缘将造成恶劣的影响，产生的电气冲击、热效应和机械应力导致绕组变形，减少其使用寿命。同时励磁涌流还可造成变压器差动保护误动作，其谐波成分将严重影响电力系统的供电质量，高次谐波还会对电力电子器件产生极强的破坏作用[3]。

电力机车运行中，频繁的合闸和开闸操作会产生励磁涌流现象。在高速铁路中，列车运行时速达到200～350 km，变压器的开合切换更加频繁，涌流现象愈发突出。

目前国内对电力变压器励磁涌流的研究相对较多，且集中在电力变压器的继电保护和涌流鉴别上面，而对电力机车牵引变压器研究较少，针对励磁涌流的研究则更少[4-9]。本文根据实际试验参数仿真车载变压器，分析影响励磁涌流大小的因素，以及它对牵引网与公网的公共连接点电能质量的影响，加强对电力机车牵引变压器励磁涌流现象的研究。

1 励磁涌流模型搭建与分析

变压器铁心作为一种磁性材料，具有铁磁物质的一般特性，它的磁化曲线并不是一条直线，正因为磁场强度H 与磁感应强度B 不是线性关系，才导致了励磁涌流的产生。

根据电路基本原理，得出磁通公式为

变压器稳态运行时，相应的磁通Φ 不会超过饱和磁通Φs，但当变压器开断后，由于剩磁的作用，再次合闸时磁通可能会超过饱和磁通，从而造成变压器的饱和。

我国国土幅员广阔，各个铁路局使用的电力机车机型有一定差别，但SS4型电力机车作为比较成熟的交-直型机车是目前我国运营的主力机型之一，以它为例进行励磁涌流研究更具有针对性和现实意义。表1 为SS4型电力机车的部分试验参数。

表1 SS4 型电力机车主变压器试验参数[10]表

根据试验参数计算得出牵引变压器阻抗参数：R = 2.192 Ω，X = 16.758 1 Ω。本文采用分段直线拟合的方式进行仿真，既包含线性部分，也涉及饱和曲线部分。励磁涌流持续时间较短，一般不超过1.5 s，本文设定仿真时间1 s。电源采用恒定交流电压源，UN= 25 kV，仿真模型如图1 所示。

图1 励磁涌流仿真基本模型图

下面分析影响电力机车主变压器励磁涌流大小的因素。

（1）合闸时间的影响。在交流电路中，磁通的变化总是滞后电压变化90°。设定t = 0.12 s 合闸即电压过零点合闸，产生励磁涌流，如图2 所示；设定t = 0.125 s 合闸，即电压最大值合闸，磁通为0，不会产生励磁涌流现象，电压直接进入稳态，变压器原边电流仅为幅值很小的励磁电流，建立和维持基本的电磁场（图略）。

（2）剩磁的影响。图3 是剩磁为0.1 pu 时的励磁涌流图，图4 是剩磁为0.6 pu 时的励磁涌流图。对比仿真图3 和图4，剩磁为0.1 pu（标幺值），励磁涌流初次峰值为689.2 A，而剩磁为0.6 pu，励磁涌流初次峰值更达到了1 105 A。剩磁增大50%的标幺值，励磁涌流增大了60.3%。可见，电力机车主变压器的剩磁大小是影响励磁涌流的主要因素。

图2 t = 0.12 s 合闸励磁电流波形图

图3 剩磁为0.1 pu 时的励磁涌流图

图4 剩磁为0.6 pu 时的励磁涌流图

（3）变压器容量的影响。计算SS4B，SS6B，SS7D，SS9型电力机车主变压器试验参数可知，4种机型的绕组阻抗标么值变化不大。从获取的资料表明，从SS4B到SS9变压器的容量几乎提高了一倍（SS4B为4 923 kV·A，SS9为8 668 kV·A），而且以后电力机车变压器容量还将进一步增大，因此分析变压器容量对电力机车励磁涌流的影响是十分必要的[10，11]。表2 为计算后的各型电力机车绕组阻抗值。

表2 各型电力机车绕组阻抗计算值表

经过仿真得出，变压器的容量和励磁涌流的大小略成正比例关系，如图5 所示。

图5 容量与励磁涌流的关系图

（4）接触网电压幅值的影响。电气化铁道规定接触网电压可在19～29 kV 范围内变动。设定交流电源为相应的数值以模拟电力机车在接触网始末端时励磁涌流的情况。限于篇幅，未列出仿真波形图。

接触网电压为19 kV 时，励磁涌流的峰值只有200 A，而接触网电压为29 kV 时，励磁涌流的峰值却达到了881.7 A。故电压越高，励磁涌流越大。

2 励磁涌流对公共连接点影响的分析

电力机车运行时，冲击负荷、过分相方式、各种操作方式和牵引供电回路合闸、机车启动等暂态过程都可能通过牵引供电系统传递造成对公共连接点电能质量的影响，伴随着发生励磁涌流、电压凹陷等现象，电压凹陷同时也作为励磁涌流的结果，因此对励磁涌流的分析更能揭示现象的本质。

励磁涌流必然造成电压幅值产生变化，反应在公共连接点处则是电压在某一范围内产生波动，因此借助电压波动作为衡量励磁涌流对公共连接点影响的参数，可以评估励磁涌流对公网造成影响的程度。为简化模型，仿真中抽象出实际情况中的主要电气设备，牵引网模型参数由直供条件下采用分散参数计算得出。仅将Ynd11 接线下公共点线电压波形如图6—图8 列出，V/v 接线和Scott 接线只作分析。

图6 AB 相线电压波形图

图7 AC 相线电压波形图

图8 BC 相线电压波形图

经计算Ynd11 接线公共连接点的电压波动dAB=3.6%, dAC=1.22%, dBC=2%。

V/v 接线情况下电压波动dAB= 1.48%，dAC=0.32%，dBC= 0.32%；Scott 接线情况下电压波动dAB= 3.54%，dAC= 1%，dBC= 1.9%。

Ynd11 接线形式下，电压波动较大的是AB 相线电压，仿真中电力机车接在二次侧的α相，电流主要由次边的ab 相和bc 相供给，反映在变压器原边则是AB 相和BC 相。经计算，AB 相线电压波动为3.6%，BC 相线电压波动为2%。V/v 接线形式下，AB 相线电压的波动幅度明显大于其他2 个线电压的波动幅度。这是由于电力机车的冲击性负荷主要反映在A 相，AB 相线电压的波动达到了1.48%。Scott 接线形式下，由Scott 变压器中的高变压器向电力机车供电，电力机车合闸时，负荷通过Scott 变压器反应在A 相上面，仿真结果显示AB 相线电压波动最大，为3.54%，AC、BC 相线电压也受到波动，但波动的幅度较小，仅为AB 相线电压波动的54%和28%。

进行牵引变压器原边相电压波动的仿真。仿真结果：Ynd11 接线情况下电压波动d = 0.92%；V/v接线情况下电压波动d = 0.32%；Scott 接线情况下电压波动d = 0.96%。

仿真结果表明，虽然牵引变压器接线形式不同，但是三者的电压波动均不大，没有超过1%，同时与线电压波动相比，明显偏小。其中V/v 接线情况下相同是因为牵引变压器原边相电压即三相线电压。

Ynd11、V/v 和Scott 接线情况下励磁涌流有效值分别为698、593 和937 A。图9 为湖东牵引变电所负载记录图，图中次边电流的最大测量数值为973 A，接线形式为Scott，仿真数据与实测数据（937 A）相差不大，表明该仿真模型能够较为准确地模拟电力机车发生励磁涌流的现象，并能够对实际情况进行理论说明。

图9 大秦铁路湖东牵引变电所电流负载曲线图

3 结论

（1）合闸时间、剩磁和电压幅值是影响车载主变压器励磁涌流大小的主要因素，变压器容量是间接影响因素。

（2）3 种接线形式下励磁涌流对公共连接点的电压均会造成一定影响。不同的接线形式影响的程度不同，Ynd11 接线形式和Scott 接线形式下电压波动幅值最大，V/v 接线形式下整体电压的波动幅度较小。

（3）牵引变压器原边绕组电压波动的幅度小于三相电力系统线电压波动的幅度。重负荷线电压的波动幅度大于轻负荷线电压的波动幅度。

（4）励磁涌流传递到牵引变压器原边时电压波动并不明显，最大为3.6%，最小为0.32%。总体而言，电力机车发生励磁涌流对公共连接点的影响不大。

[1] 黄绍平，李永坚.基于MATLAB的变压器空载合闸瞬变过程仿真研究[J].继电器，2004，32（8）：91.

[2] 姜军，王志超.变压器励磁涌流的危害及抑制方法[J].北华大学学报（自然科学版），2007，8（5）：469.

[3] 郝治国，张保会，褚云龙，等.变压器空载合闸励磁涌流抑制技术研究[J].高压电器，2005，41（2）：81.

[4] 郝治国，张保会，禇云龙.变压器励磁涌流鉴别技术的现状和发展[J].变压器，2005，42（7）：23.

[5] 索娜，李学武.单相牵引变压器励磁涌流鉴别研究[J].变压器，2009，46（1）：32.

[6] 康小宁，何璐，焦在滨，等.基于励磁电感参数识别的变压器励磁涌流判别方法[J].西安交通大学学报，2007，41（10）.

[7] 李红岩，张璿，侯媛彬.基于小波变换的变压器励磁涌流鉴别的新方法[J].高电压技术，2008，34（3）：500-502.

[8] 肖国军.变压器励磁涌流现象分析及应对措施[J].电气化铁道，2004，（5）：9-10.

[9] Wu Li-Cheng, Liu Chih-Wen, Chien Shih-En，ect.The Effect of Inrush Current on Transformer Protection[C].Power Symposium, 2006.NAPS 2006.38th North American,American:449-456.

[10] 许荣华.SS4B型电力机车（7）—主变压器及电抗器[J].机车电传动，1997，（4）：24-25.

[11] 龙谷宗.SS9型客运电力机车[6]—主变压器、平波电抗器[J].电力机车技术，2000，（2）：4.