磁饱和对变压器运行的影响与预防措施

摘 要：变压器是地铁电气化区域走形轨道电路的重要组成部分。由于不平衡电流及变压器本身结构的影响，在运行过程中变压器会经常出现磁饱和问题，而磁饱和会对地铁列车运行轨道上的传输信号造成影响。文章主要是以地铁供电网所使用的扼流式变压器做为背景介绍变压器在运行过程中产生磁饱和的原因、影响，以及提出有效的预防措施。

关键词：磁饱和；变压器；影响；措施

一、运行中的变压器产生磁饱和的原因

在地铁车辆运行的供电网区域，列车的牵引电流主要是由冲击电流和稳态电流组成。而在运行过程中产生的冲击电流主要是由以下三方面原因造成：

第一，列车在满载行驶的过程中通过升弓或者变换相位时会产生50Hz的短暂性冲击电流；

第二，在天气寒冷的时候，列车的接触电网上会覆盖着较多的冰凌，导致接触电网出现不良，这个时候也会产生冲击电流；

第三，由于列车在隧道时会高速运行，逆变器产生较大的瞬时电流，以致变压器的过流保护开关和接触器频繁开闭，导致冲击电流频繁产生，从而对变压器的正常运行造成很大影响。

正由于产生冲击电流的原因比较多，以及受到列车行驶轨道供电网络整体结构和变压器运行状态的牵制，变压器在运行过程中会出现磁饱和现象，严重影响到列车轨道的电路信号的传输，而变压磁饱和原因分为内部原因和外部原因。

（一）磁饱和的内部原因

在列车运行的过程中，由于不同型号列车的牵引电流的传输方式不相同，走形轨道两端的漏电流值和阻抗值也不一样，导致在两条轨道之间产生不平衡的电流。

由于线路所用的变压器中间是带抽头的 48 匝的信号线圈和一个 16 匝牵引线圈，交变磁场变比为3：1（如下图1所示），假设变压器是运行在平衡状态下，两个16匝线圈的流入和流出方向是相反的，由于列车在运行过程中变压器会产生交变磁场，且磁场之间在理论上是互相抵消的，但是变压器这种理想的平衡运行状态在实际的使用过程中基本上很难做到，所以，如果列车在运行过程中如果牵引电流不平衡，变压器线圈的两端就会产生电流差和干扰电压，由于变压器本身磁铁芯的空隙比较小，而干扰电压又是被直接施加到线圈上，电流差值（If）和干扰电压值（Uf）是成正比关系，这样就更容易使变压器在运行过程中产生磁饱和现象。

（二）磁饱和的外在原因

冲击电流是变压器产生磁饱和的外因。冲击电流会对列车走形轨道上的电路产生破坏作用，而变压器由于受到磁芯电流偏差和外部的电流冲击，在这个过程中就会产生平衡电流，变压器就会出现磁饱和现象。变压器在磁饱和状态下运行时，列车走形轨道上的电流值就会减小，且会影响到接触网上电流信号的输送，输出的波形也严重失真，轨道上变压器的继电器也不能正常打开或者关闭，从而使列车上的设备无法接收到有效的信号源，严重威胁到列车的安全行驶。磁饱和波形图如图2所示。

二、磁饱和对变压器运行的影響

（一）产生高发热现象

变压器工作在磁芯饱和状态时，输入端的电流会由于磁芯饱和而突然升高（不可控）导致烧毁原边电路元件。而且此时不能够顺利传输能量给副边。

（二）产生瞬时效应

在变压器处在瞬变负载状态下时，输入的电压就会变高，而负载上的电流又比较小，如果这个时候负载上的电流急剧升高，则控制电路上的脉冲宽度就会变大，对变压器上的功率进行补充，输入脉冲宽度和电压值都会达到最大，即使这这个过程只是一瞬间，但变压器也会出现磁饱和现象，对电路造成破坏。

三、预防措施

预防变压器在运行过程中出现磁饱和，最有效的方法是如何去改善列车在运行时牵引电流的不平衡问题。从变压器运行的角度来看，主要有以下措施。

1）要保证列车的正常行驶，防止变压器产生磁饱和，就必需配电维护部门从整个供电网系统的角度出发，和其它相关部門的技术人员相互配合，充分发挥各自部门的作用，保证变压器是在正常的工作状态下运行。从供配电维护部门本身的角度对问题进行有效分析，列车走形轨道上的的阻抗和变压器的运行状态有很大关联。列车在行驶过程中发生晃动时，变压器上连接线的电阻的稳定性就会变差，电阻变大，从而使列车走形轨内部的牵引电流值出现不平衡。因此，在日常供电线路的维护过程中，对变压器的连接线进行检修是很有必要的。

2）如果运行的区段比较短，可以对走形轨道上的继电器进行缓放，保证变压器上的翼板缓放时间控制在 0.5s-0.8s之间， 以便产生冲击电流时，内轨道上的继电器不会错误落下。

3）根据需要增加变压器的铁芯气隙，这样变压器上铁芯的磁化曲线和气隙磁化直线就会有相互叠加的作用，从而对合成磁化曲线进行延长，降低了电阻值，使变压器上的铁芯很难出现饱和，降低走形轨道的电流不平衡现象。

4）在变压器右翼处增加一个扼流用的适配器，这就变为 BES 扼流变压器。

其原理如图3所示：

扼流适配器主要是由 LC 振荡电路组成，其谐振阻抗反射到轨道的阻抗大约为 0.02Ω，这等于 2 条轨道之间接 1 根线，在一定程度上降低了变压器牵引线圈上的干扰电压。但随着变压器气隙的增大，阻抗变小，不利于列车电路线路的传输。因此，对变压器的谐振电路进行设计时，要根据实际工作情况选项合适参数的扼流适配器，保证LC 振荡电路上的容性阻抗和线圈的感性阻抗能组成并联谐振电路，进而提高设计电路的传输效率。

目前，地铁系统上的变压器大部分都是采用增开气隙和增加扼流适配器这两种方法来预防电流不平衡造成变压器产生磁饱和的问题。同时也能改善列车轨道电路的平衡性，提高列车信号的传输效率，保证列车的正常运行。

参考文献：

[1] 靳素芳，张兆锋.变压器状态检修技术研究分析[J].中国高新技术企业，2010（13）：157-159.

[2] 韩永力.变压器磁饱和状态检测[J].企业技术开发，2013（12）：9-12

作者简介：

黄发智（1989-），男，广东湛江人，助理工程师，研究方向：电气自动化及其轨道交通应用。