信号电源屏变压器励磁涌流原理分析

王志超

（天津铁路信号有限责任公司，天津 300300)

1 概述

信号电源屏是为铁路站内外信号设备供电的重要设备，是整个铁路信号系统运行的心脏。随着国内高速铁路建设的发展，对铁路运营安全提出更高要求，尤其对信号电源供电可靠性和安全性要求越来越严格。信号电源屏在设计时往往采用变压器进行交流电源的隔离供电，但随之而来的问题是在外电网断电时，I、II 路外电输入切换瞬间可能造成断路器跳闸现象的出现。

2019 年4 月20 日，某城际铁路A 站，发生转辙机电源（信号电源屏中采用三相隔离变压器供电）输入断路器跳闸现象。通过现场进行信号电源屏监测数据回调和功能测试，确定信号电源屏在外电网Ⅰ路输入电源故障时进行输入电源的两路转换，转换到外电Ⅱ路输入电源供电时，转辙机电源的三相变压器相当于瞬间断电后再合闸，产生的励磁涌流导致输入断路器跳闸，转辙机电源停止输出的现象。

2 转辙机电源供电电路

A 站转辙机电源供电电路如图1 所示。

A 站电源屏已经正常开通运营，设备均正常运行，断路器1QF、2QF、3QF 都处于闭合状态。当Ⅰ路输入电源断电时，经过接触器1KM 和2KM 的切换互锁电路，自动转换到Ⅱ路输入电源工作，在Ⅱ路输入电源介入瞬间，相当于对三相变压器T 进行一次空载合闸，在合闸瞬间变压器输入侧形成励磁涌流，冲击掉变压器入口断路器3QF，造成三相变压器断电停止工作。

图1 A站变压器输入电路图Fig.1 Input circuit diagram of transformer at station A

经过到A 站现场观察测试，闭合断路器3QF后，三相变压器正常工作，输出正常，问题消除。

3 变压器励磁涌流产生的原理

变压器正常工作时，需要一定励磁电流建立工作磁场。正常情况下此电流很小，一般不超过额定电流的3%～8%。当变压器空载投入使用时，变压器一次侧会出现数值很大的冲击电流，称为励磁涌流，其数值可达变压器一次侧额定电流的6 ～8 倍。[1]

变压器在合闸瞬间产生励磁涌流的大小，跟变压器铁芯中磁场的建立过程有关。假设变压器输入电压为正弦电压，即：

其中，UA、UB、UC——变压器一次三相电压；

Um——变压器输入电压的最大值；

γ——变压器合闸时的初相角。

以A 相为例，合闸瞬间变压器的瞬时电压u1与电压有效值U1关系为：由于变压器铁芯具有磁饱和特性，空载电流i0与磁通的关系为非线性关系，当电压降i0r1较小时，在计算过程中可忽略，如果不考虑剩磁，A 相电压可简化为可以推导出

4 断路器脱扣特性

断路器是能接通、承载以及分断正常电路条件下的电流，也能在所规定的非正常电路（例如短路）下接通、承载一定时间和分断电流的一种机械开关电器。断路器的额定电流In 是断路器在规定的环境温度下不间断工作的最大通过电流。[4-5]

脱扣特性曲线按照规律一般来说有4 种。

A 类曲线：脱扣器的脱扣电流为2 ～3 倍，适用于保护半导体电子线路，带小功率电源变压器的测量回路或者线路长且电流小的系统。

B 类曲线：脱扣器的脱扣电流为3 ～5 倍，适用于保护短路电流较小的负载。

C 类曲线：脱扣器的脱扣电流为5 ～10 倍，适用于配电保护线路以及具有较高接通电流的照明线路。

D 类曲线：脱扣器的脱扣电流为10 ～20 倍，适用于保护具有很高冲击电流的设备，如电动机、变压器、电磁阀等。

选取断路器时，应满足被保护设备的要求。根据负载性质选择断路器脱扣特性和额定值，输入回路宜为额定电流的1.5 ～2 倍，输出回路宜为额定电流的1.2 ～1.6 倍。[6]

A 站的转辙机电源是三相变压器供电，对于输入回路而言，其断路器负载为三相10 kVA 的变压器，按照星形连接，经计算额定电流In 为15.2 A（设计额定电流16 A），按照标准可选用额定电流30 A 的断路器，经过选型，选取D 脱扣特性的额定电流32 A 的断路器，可满足现场最大640 A 的电流冲击。

5 变压器与断路器配合的合闸试验

由于现场运行条件限制，不能在现场电源屏中进行空载合闸下的励磁涌流试验，因此采用在工厂内部进行模拟试验，验证以上理论分析。为了验证试验模型和计算方法的有效性，同时分析变压器励磁涌流的特性和影响因素，本文对信号电源屏使用的一种220 V 单相变压器进行空载合闸试验，模拟合闸瞬间产生的励磁涌流。

试验接线方式如图2 所示。试验输入电源为交流单相220 V，50 Hz；变压器容量2.6 kVA，额定电压220 V，额定电流11.8 A，变比为1：1；采用FL-2型50 A75 mV 分流器；使用普源DS2102A（探头1 M 衰减×10）的示波器进行励磁涌流数据采集。

图2 变压器模拟冲击试验接线图Fig.2 Transformer wiring diagram of simulated impact test

试验方法：使用示波器采集变压器额定输入电压U0下，分流器在断路器QF 闭合瞬间由输入励磁涌流产生的电压U1的波形，通过电压比值计算变压器励磁涌流与额定电流的倍数关系。

试验步骤如下。

1）使试验变压器达到额定状态，记录分流器两端的电压峰峰值，记作U0，试验结果数据如图3 所示。

图3 分流器在额定状态下的电压峰峰值（U0=70 mV）Fig.3 Peak voltage (U0=70 mV) of shunt at rated condition

2）重复闭合QF 断路器500 次，闭合1 s 后再次合闸，记录分流器两端产生的电压峰值U1，试验结果数据如图4 所示。

3）数据分析筛选，选取其中50 组数据进行列举，试验数据如表1 所示。

4）数据计算，变压器瞬间励磁涌流峰值与额定电流的倍数关系推导如下。

表1 变压器冲击试验数据Tab.1 Transformer impact test data

图4 闭合断路器瞬间分流器电压峰值（U1=290 mV）Fig.4 Peak voltage (U1=290 mV) of instantaneous shunt of close circuit breaker

根据试验数据可知，变压器在合闸瞬间产生的励磁涌流是额定电流的几倍到几十倍不等，试验中测得最高为23.5 倍，考虑到无法测得所有情况，因此在电源屏进行转辙机电源设计时，其输入断路器采用D 脱扣特性断路器，抗冲击范围为10 ～20 倍额定电流，可满足变压器在空载合闸下的电流冲击。[7-8]

6 结论和建议

针对现场产生的断路器跳闸问题，需要对信号电源屏中变压器和断路器进行重新评估。根据试验情况和查对铁路相关行业标准，此站信号电源屏转辙机电源变压器输入断路器在设计时采用D 脱扣特性缓动型断路器，额定电流32 A，满足现场负载需求，但由于现场电压波动，出现偶发跳闸现象。经过试验和数据计算，制定整改方案和意见。

1）更换此站断路器，把断路器额定电流增大到40 A，可以增加理论最大160 A 的抗冲击能力，减小现场出现外网波动尖峰的突发励磁涌流造成的跳闸概率。

2）排查全线其他相同配置的车站，更换断路器，避免线路上此问题的再次发生。

3）建议信号电源屏内变压器的输入浪涌电流限值：小于变压器额定输入电流有效值的10 倍。