牵引供电系统中铁磁谐振过电压的产生及防治

郭红梅，何建建

（1.武汉铁路职业技术学院 工程师；湖北 武汉430205 2.武钢股份有限公司能源总厂，工程师，湖北 武汉 430083）

随着铁路事业的迅猛发展，供电系统的回路数增多、供电线路增长以及高速动车组的使用出现了一种具有隐蔽性的过电压，这种过电压是伴随着我国高速铁路的迅速发展而出现的一种特殊的过电压，即铁磁谐振过电压。当供电系统产生了铁磁谐振以后，可能引发弧光过电压使电缆“放炮”，或者产生幅值很高的高次电压谐波给直流机车安全运行带来威胁，也可能引发谐振过电压或过电流致使电压互感器烧毁。如果这些问题处理不好，将对我国铁路的安全高效运行带来威胁。为保证列车运行安全，必须采取相应的防治措施把牵引网电压控制在合理的水平，以消除铁路谐振过电压的产生。

1 车网耦合铁磁谐振过电压的产生

在牵引供电系统中，随着我国铁路第六次大提速的实施，由于机车和牵引供电系统的配合问题，在机车电气传动部分与牵引供电组成的系统中产生了铁磁谐振过电压。

在牵引供电系统中由牵引网的分布电容和含铁芯的电感元件（如车载变压器、电压互感器）组成。当接触网电压升高到一定程度，车载牵引变压器进入饱和运行状态〔1〕，这种含铁芯的电感元件参数具有非线性的特点，牵引网的分布电容与饱和励磁电感组成谐振回路，在满足一定激发条件时会产生铁磁谐振现象。

2 车网耦合铁磁谐振过电压的特点

2.1 具有隐蔽性 机车的电气传动部分与牵引供电系统相对独立。由于牵引网上机车运行情况的复杂性（包括直流机车、交流机车、高速动车等），使得产生的铁磁谐振过电压具有较强的隐蔽性，给分析铁磁谐振过电压产生的原因带来困难。

2.2 具有特殊性 车载变压器（电感元件）的实际运行电压变化范围很大，牵引网电压的升高致使车载变压器进入饱和运行状态，从而产生铁磁谐振现象。这种铁磁谐振过电压与一般的谐波放大现象不一样，其电压谐波高并且出现的偶次谐波幅值较大；与操作过电压不一样，其持续时间长；与线性谐振过电压的渐进发展也不一样，其过电压的幅值异常变高。

2.3 具有随机性 机车在运行过程中，由于系统结构的复杂性和运行方式的灵活性，铁磁谐振会随机车的运行状态或产生或发展或消失，有许多量是在快速变化的，使谐振过电压的产生具有随机性。

2.4 具有传播性 当产生铁磁谐振时牵引供电网电压异常升高，给机车安全运行带来威胁。因铁磁谐振带来的影响并不限于谐振回路本身，其产生的谐振电压和电流向牵引供电系统的其它部分传播，导致电压保护装置动作或避雷装置发生爆炸现象。

3 谐振频率区域的判别

为了便于分析事故和快速处理事故，尽快恢复铁路运行，有必要对铁磁谐振频率区域进行判别。

牵引供电系统中发生不同频率的铁磁谐振，主要与Xc0/Xm（即车载变压器并联运行综合电感的感抗Xm与供电网对地分布电容的容抗Xc0的比值）有直接关系。

3.1 基频谐振 当Xc0/Xm 的比值约等于1 时，发生谐振的谐振频率几乎与电网频率相等，称为基频谐振，伴有接地指示，也称为虚幻接地。表现的特性为过电流很大，过电压不超过相电压的3.2倍，三相电压表显示数值两相升高、一相降低，虽然线电压正常，但此种情况下往往会导致电压互感器熔丝熔断，严重时会烧坏互感器。

3.2 分频谐振 当Xc0/Xm的比值较小（0.01～0.07范围内）时易发生分频谐振，即产生铁磁谐振时振荡频率较低。表现的特性为过电压不超过相电压的2.5倍，三相电压表数值同时升高，并且周期性摆动，但线电压正常，能量交换所需时间较长。

3.3 高频谐振 当Xc0/Xm 的比值较大（在0.55～2.8范围内）时发生高频谐振。表现的特性为过电流较小，过电压倍数较高，最大值可达到相电压的4～5倍，三相电压表显示的数值同时升高，但线电压正常。振荡时能量交换所需时间较短，速度较快。

在同一谐振区域内谐振的最低外施触发电压（临界值）与Xc0/Xm 的值有关，当Xc0/Xm 更小或更大（Xc0/Xm≤0.01 或Xc0/Xm≥2.8）时，铁磁谐振不易产生。铁磁谐振的外施触发电压在不同的谐振区域内是不同的，高频谐振区域的最高而分频谐振区域的谐振外施电压最低，在正常情况下系统内稍有波动就可能引发谐振。

4 谐振过电压的防治措施

抑制铁路磁谐振过电压最有效的措施是供电网的电压不能升高到使车载变压器进入饱和运行状态〔2〕，把牵引网电压控制在合理的水平是消除牵引网上铁磁谐振过电压的最有效方法。

4.1 制定接触网上机车安全运行的电压标准 制定接触网上的电压标准应考虑我国公共电网的结构、供电能力、电压等级、线路的运输需求、牵引网的电压损失以及车载变压器的抗饱和特性等因素。设计制造变压器时尽可能采取变压器抗饱和的方案，考虑车载变压器与牵引网可能发生铁磁谐振的所有情况，在接触网的规定电压范围内使变压器脱离饱和运行状态。

4.2 增加车载变压器的铁磁谐振试验 车载变压器在出厂验收时增加铁磁谐振试验。在机车运行过程中一旦出现铁磁谐振过电压或较长时间原因不明的过电压，立即采取措施降低接触网电压，使车载牵引变压器脱离饱和运行状态，避免铁磁谐振的发生。

4.3 吸收谐波能量 在电压难以调整的地方，可根据具体的谐振频率和牵引供电参数设计消谐装置，通过该装置吸收谐波能量以防止谐波能量累积的破坏〔3〕。当谐振发生时，消谐装置动作可靠，吸收谐振能量，达到消除铁磁谐振的目的；同时消谐装置可记录故障时的电压、电流、振荡频率等参数，便于分析事故。

5 结束语

消除铁磁谐振对保障整个牵引供电系统的安全运行有着重要的意义，选择好的消谐措施，对保证供电系统的安全，设备安全以及人身安全具有非常重要的实际意义。

〔1〕刘肖杰，张剑.铁路中性点不接地电力系统铁磁谐振的产生原因及特点〔J〕.电气开关，2004，（6）：36一37。

〔2〕张雪原.高速重载铁路车网耦合下过电压产生机理与防护办法研究〔D〕.成都：西南交通大学博士学位论文2007。

〔3〕刘肖杰.消除铁路中性点不接地电力系统铁磁谐振的措施〔J〕.电气开关，2005，（l）：31-33.