牵引电网过电压产生机理及测试探究

马晨阳 林燕舞 朱 娟

（1.铁科纵横（天津）科技发展有限公司，天津 301700；2.齐齐哈尔四达铁路设备有限责任公司，黑龙江 齐齐哈尔 161002）

1 牵引电网中牵引变流器系统相关内容分析

1.1 系统主要组成部分

市场上现行的牵引变流器主要由转接线束及线束工装车、试验台及上位机系统构成，为了确保企业能够达到显著的运行效果，此处在进行的绝缘试验应用了南京长盛的CS99xxX-Nxx 系列产品，在积投入相关建设资金后，借助西门子PLC 作为控制单元，低压电气元件、高压干簧继电器等元件构建相对完整的操作程序。

1.2 牵引变流器耐压测试基本流程分析

（1）牵引变流器主要功能和软件系统研究

牵引变流器是整个列车组的重要组成部分之一，大多数会被安装在各类列车的最下方。在实际的应用过程中，其主要会对直流制和交流制中的电能量进行转换，并结合接触网内部的1500V 直流电转换为0V～1150V 的三相交流电，继而通过一定的调压调频方式来对交流牵引机，进行制动、调速处理。在电子电力技术不断发展的大时代背景下，牵引变流器在轨道列车中也发挥着越来越重要的作用。其次，经过相关人员开发和研制，通过IGBT、GTO、IPM 软件来作为整个电压驱动的全控型开关元件，在实际的运用中，脉冲开关凭借着性能较好。损耗小、开关频率高等特点受到研发人员一致认可，牵引变流器主要在供电环节使用，主要由制动电阻、电阻制动器、PWM 逆变器及直流连接环节组成（见图1）。

（2）绝缘耐压测试

首先，应将插头U31X1、U32X1、U33X1 进行有效连接处理，并及时对箱体、被测回路及与箱体连接的相关线路进行全面的隔离开测试处理，在保证接地完整的基础上，引进先进的耐压测试仪器进行全面的测试。其次，具体的测试耐压调压率应按照≤ΔU/T=500V/s 逐步调高或下降，基本耐压测试分析表见表1。值得注意的是，应合理的确定上升调整时间、耐压测试时间、下降调压（V）时间，在试验准备前，操作人员应提前确定好每个试验环节的耗费时间。再次，确保最终的试验结果最大漏电流I在可控范围之内。最后，当相关回路测试结束后，应将所有的测试线路归于原处，为下一个回路测试顺利进行奠定夯实基础。具体的测试时间和耐压时间图如图2 所示。

（3）绝缘电阻测试

首先，应将U31X1、U32X1、U33X1 插头拔下，并保证被测回路与箱体、以及与箱体相连接的回路必须处于隔离开测试状态。其次，当进行实际的绝缘电阻测试后，应确保整体测试时间适中，一般为4s～5s 左右。最后，应对SK1～SK5一次进行测验。

1.3 牵引变流器概述及主要工作原理分析

（1）概述

交流异步电动机电源频率和同步转速的具体关系如公式（1）所示。

图1 牵引变流器软件应用界面图

表1 基本耐压测试分析表

式中：n 代表电机整个转速；f 代表供电频率；p 代表电动机极对数；s 代表转差率。

在对电机内部结构进行调速后，应用半导体功率开关元件对变频设备、变频电源对异步电动机进行调速。从实际的性能来讲，计算公式如公式（2）所示[4]。

式中：U 代表电机电压；E 代表电动势；f代表电机定子绕组中感应电动势的频率，与电源频率f 相等，计量单位Hz；K 代表电机定子绕组的绕组系数，其值由绕组结构决定，K<1；N代表电机定子绕组每相串联的线圈匝数；φ 代表电机每极磁通。

在实际的调速管理中，应确保U不变的基础上，φ 和f成反比，即φ 增加，f随之减少，此时牵引变流器的磁路应处于饱和状态，当励磁电流急剧上升时，铁损也应随之上升，此时电机的功率因数逐渐下降，电机发热效果和运行功率也明显下降，假如f逐渐上升，φ 就随之减小，此时电磁转矩数值逐渐降低的同时，电机负载能力也相继下降，由此可以看出，在对f进行调整的过程中，还要对U进行合理规划，只有在电机运行效果完好的基础上，才能对变频变压电源进行综合调速管理。

（2）牵引变流器工作原理

牵引变流器通过合理的内部结构将直流电转换成频率可变的交流电和相应的电压，并采用正弦脉宽调制（SPWM）方法，促使牵引变流器实际的输出波形酷似正弦波，在广泛应用于驱动异步电机后，达到无极调速效果。

图2 测试时间和耐压时间图

2 牵引电网过电压的工作机理

2.1 牵引电力机车

具体的牵引电网供电系统应根据机车具体型号适当调整。产生大面积电容、电感、电阻现象是牵引电网中经常出现的问题之一，牵引电网在运行中同时也面临转动负荷压力过大、变化波动明显的不良后果。

2.2 牵引电网过电压工作机理

（1）电力机车在行驶过程中产生的网端过电压分析

电力机车的机械元件、受电弓等部位在和接触线紧密连接期间，会在滑动期间产生明显的受电情况。通过简单的牵引电网运行可以得知，求得回路总电感的计算如公式（3）、公式（4）所示。

式中：C 代表对地总电容；L 代表牵引电网馈电线长度；L代表整流变压漏感器；l代表电力机车与电源端总体间距的馈线总长度；L代表单位长度接触线电感；C代表对地电容量；C代表母线对地电容。

然而，受到外界客观环境因素影响，电力机车在运行期间可能会出现“跳弓”等不良情况，在伴随断弧和起弧时，可能导致机车变换器设备出现故障，具体来说，在处于通电状态的起弧模式下，电弧的运行参数会不断下降，而一旦出现断弧效应时，电路系统会产生明显波动，在产生相关电磁反应后，馈电线电压数值直接增加，计算公式如公式（5）所示。

式中：I代表电力机车电流数值由；U代表电动机反电势由；U代表网端过电压。

U可套用上述能量关系计算公式（4）求得。值得注意的是，如果是多台电力机车同时运转，机车内部的电力装置会自动产生大规模的网端过电压泄放回路现象。

（2）电力机车行程过程中受电弓端过电压分析

当电力机车的相关装置出现电源断开现象时，就会出现相应的“跳弓”截流情况，在各电机系统产生电磁后，就会产生相应的等效电路图。其中，设电动机回路的等效电阻为R，等效电感为L，初始电流为I，电动机反电势为U，对馈电线电容为C，受电弓对地电容为C。在实际的等效电路中，可以不对电阻R和C的数值进行细致计算，如果将U设置为一个固定参数，则振荡电压u（t）的计算公式如公式（6）所示。

式中：t 代表时间。

（3）牵引电网操作电源开关过电压

在进行电源闸开关启动时，研究人员在对电阻影响忽略后，可以得出公式（7）。

式中：u（t）代表电容电压。

公式各个元素含义同上。假定进行电源闸关闭启设置时，即对牵引电网进行载合关闭时，电动机的所有分支电路都会断开连接，在电磁过程中的整体电压为设定的2 倍。

（4）交流系统过电压的影响

众所周知，交流电网在供电过程中会形成牵引电网，而在电网运行期间形成的过电压流经整流器设备时会对牵引电网造成极大影响。例如，如果形成三相桥式整流器供电的模式时，在牵引电网中产生的过电压即为线路间过电压，其基本电压数值始终为整数，如公式（8）所示。

式中：u 代表过电压；u，u，u代表线路内部的过电压。

3 牵引电网过电压测试系统设计

3.1 测试系统设计分析

牵引电网中的随机信号和过电压信号是对等的，在按照前文叙述的计算公式后，得出完整的系统数量运行关系网。为了能够达到国家设定的系统运行标准，科研人员应密切关注牵引电网运行状态，制造出先进的分压器-磁带记录设备，在联系磁带记录仪提供的大量信号后，利用系统技术来优化记录仪的工作效率。

3.2 测录信号回放处理分析

对当前牵引信号和各类情况综合收集汇总可以发现，电压信号的形成原因有多种，此处简单的介绍以下几种回放处理设计内容。首先，针对于磁带记录仪-记忆示波器回放系统，操作人员根据仪器设备内传输的数据信号，通过记忆示波器等设备来搜寻到相关电压信号，在一系列的定量分析后，采用拍摄采集到相关电压波形信号。

4 牵引电网过电压测试及测试结果

4.1 测试项目及测录

在对山西省临汾市乡宁和蒲县附近诸多煤矿井内的牵引电网进行测试后，测试人员通过对电力机车受电弓侧过电压数据信息，对电力机车电源进行启停处理后，拉闸在电力机下呈现的反应及电力机车行车中牵引电网馈电线的过电压值进行测试后，在空载情况下对合闸处理进行测试，回放处理后，获得牵引电网总的过电压幅值和脉宽信息。

4.2 3种测试结果

首先，针对牵引电网的馈电线过电压管理，尤其电力机车在实际行驶过程中，可能极易受到电压荷载压力影响。例如，电网过压值可能在“截流”期间发生大幅度的变化，主要是由于电网负载压力和电压倍数存在一定联系。

其次，在对电力机车受电弓过电压进行测试时，可以直接获取50 次～60 次的“跳弓”截流过电压信号，同样，过电压负载和倍数存在一定的联系，基本保持在1.24～3.97，此时脉宽为0.47ms，整体振荡频率为1.12kHz。值得重点说明的是，电力机车在行驶期间如果出现反复的起弧现象，此时牵引电网内部的燃弧效应不会形成过电压，并构成完整的实录波形图。

最后，在牵引电网中进行电源开关的操作时主要有以下2 种测试结果。第一，空载合闸过程中，在实际回放期间不会产生过电压信号。第二，在拉闸期间，两个网分别进行20 次试验，回放期间都会存在振荡电压，整个衰减过程相对较快。对其中一个网进行测验，其过电压幅度最高可达7.4 倍，平均可达4.3 倍，脉宽2.32μs。另一个网的过电压幅值最高可达6.1倍，平均达3.9 倍，脉宽1.72μs。

4.3 测试结论

首先，受电弓经常出现“跳弓”情况时，电磁出现震荡反应主要是由于牵引电网中“跳弓”截流的位置造成的，基本的过电压幅度不会高于4.1 倍，脉宽在1.1ms 左右，这些现象的产生基本会电网中系统配置参数有着直接联系。

其次，一旦振荡过电压出现在牵引电网拉闸过程中，即表明整体的幅值倍数较高，在进行此个操作环节时应对电源进行切断处理。一旦故障发生后才会开始进行跳闸，在实际的过电压数据分析中可以不以此种过电压现象作为参考依据。与此同时，当交流系统中的过电压通过整流器传递至牵引电网过电压时，可以通过在电源测方设置吸收电路。

最后，在对电力机车电子装置设计过程中，通过大量实践证明，使用4 倍电源电压、1.1ms 脉宽的过电压设计阻波电路可以确保整个系统的过压能力。

5 结语

工业企业管理人员应顺应时代发展契机，在对牵引电网过电压产生原理充分了解的基础上，投入适量建设资金，引进先进的电力电子装置，尤其是在应用较多的城市交通轨道建设中，管理部门应确保牵引电网安全稳定的情况下，对电网系统中进行过电压检测和绝缘检验，在保证电力装置性能良好的基础上，拓展牵引系统应用范围，促进社会的可持续发展。