电力机车过分相铁磁谐振分析

2014-12-08宋成虎李兆鹏

中国科技纵横 2014年8期

关键词：中性线铁磁电力机车

宋成虎李兆鹏

(大连交通大学,辽宁大连 116028)

电力机车过分相铁磁谐振分析

宋成虎李兆鹏

(大连交通大学,辽宁大连 116028)

车载高压电压互感器是电力机车车载重要的电气设备,对于机车的安全可靠运行起着至关重要的作用。但电力机车通过关节式电分相时,经常出现铁磁谐振过电压,造成车顶保护间隙放电,互感器烧毁等,严重影响电气化铁路的安全运营。因此迫切需要对电力机车通过关节式电分相车载高压电压互感器铁磁谐振进行研究。

电力机车电压互感器关节式电分相铁磁谐振

电力机车高压电压互感是机车车顶高压电器设备,主要实现接触网电压测量、功率计量和保护功能。机车在进入电分中性段时会产生很高的过电压,当过电压大于一定值时,互感器铁心饱和,电感降低,当于系统电容参数匹配时产生铁磁谐振。当系统发生铁磁谐振时,互感器一次侧线圈将会流过很大的过电流,如果铁磁谐振持续存在,将导致互感器线圈温度持续升高,击穿绝缘,以致烧毁,严重威胁机车的安全可靠运行。因此对机车高压电压互感器铁磁谐振的研究具有很重要的理论和现实的意义。

1 系统模型推导

电力机车在进入电分相中性时,机车主断路器已断开,此时仅有受电弓和高压电压互感器与中性线相连接,电压互感器可看作空载变压器,牵引接触网供电臂长度一般为m,可视为电力系统中短线路架空线,可以用电阻和电感的串联电路来进行等效。因此,机车过进入关节式电分相时的等效电路如图1-1所示。

图中,Ua—牵引供电27．5kv电压源;Ls一牵引变电所变压器的等值电抗;Rs一牵引变电所变压器等值电阻;R1一牵引接触网等值电阻;L1一牵引接触网等值电抗;C1—中性线对地电容;Cm一受电弓与车顶高压引线对地电容;Lm一高压互感器等值电抗;Rm—高压互感器等值电阻;R2一关节式电分相中性线电阻;L2一中性线等值电抗;C2一中性线对地电容。

因为电源,线路的阻抗值很小,对整个等效阻抗影响很小,实际上主要由电容决定,电容Cm相对于C2很小,因此,Ls、Rs、L1、R1、L2、R2和Cm各值在计算时,可忽略不计。对图1-1进行戴维宁等效变换,如图1-2所示。

图1-1 机车进入电分相中性线等效电路图

图1-2 戴维宁等效电路

图3-1 仿真波形

图3-2 仿真波形

2 仿真分析

本文主要以机车过分相系统发生分频谐振为例,分析电压互感器铁芯损耗对系统铁磁谐振的影响。互感器铁损用励磁电阻Rm表示,供电电源频率f＝50Hz。

(1)当互感器两端初始电压为40Kv,电压互感器电压波形如图3-2所示。图中横轴表示时间,单位S(秒);纵轴表示电压值,单位V(安培)。

由图3-1可见,互感器电压频率近似等于系统电源频率的,说明此时互感器发生了铁磁谐振。

(2)初始电压不变,电压互感器电压波形如图3-2所示。

由图3-2可见,电压互感器铁芯损耗增加,在进过几个震荡周期后,铁磁谐振谐振过电压完全消失。

由上面的仿真分析可知：电力机车过关节式分相,在一定条件下,电压互感器可能发生铁磁谐振;随着互感器铁芯损耗的增大,阻尼了系统铁磁谐振,对铁磁谐振有抑制作用。

3 抑制措施

3.1 选用励磁特性较好的电压互感器

机车过分相互感器磁谐振现象主要是由于电压互感器铁芯磁饱和,引起铁心电感值的非线性变化,当电感变化范围内的电感值与外部电容值达到一定匹配时,则引发系统非线性铁磁谐振,所以应该从改善电压互感器励磁特性入手。想要彻底决绝机车过分相铁磁谐振问题,最根本的方法是选用励磁特性好的电压互感器,是机车在过关节式电分相引发暂态过电压时,互感器铁芯不易饱和,避免励磁电感的减小与系统中的电容元件构成谐振参数匹配。

3.2 RC保护装置

RC保护装置是铁路牵引电力系统中一种常用的抑制操作过电压的防护方法,它也用来抑制电力机车通过关节式电分相结构过程中产生的过电压。RC保护装置可以改变电路的工作状态,让振荡电路变成无振荡电路,从而过电压幅值降低到电力机车控制系统绝缘强度允许范围以内,防止对电力机车、接触网、关节式电分相结构以及牵引变电带来严重的损失,提高电力机车运营的可靠性。