地磁暴对高铁扼流变压器的影响分析与仿真

钱学成，董美玲



地磁暴对高铁扼流变压器的影响分析与仿真

钱学成，董美玲

介绍了钢轨中产生地磁感应电流GIC的机理，分析了GIC侵害高铁扼流变压器的路径，以BE2-600/25型扼流变压器为例，利用Maxwell软件搭建了扼流变压器模型，给出该型扼流变压器在遭受地磁感应电流时的电磁特性仿真结果。

地磁暴；高铁；扼流变压器；电磁特性

0 引言

地磁暴是由太阳风剧烈吹拂地磁场而引起的自然灾害，地磁暴在地球表面不同地理位置处感应出地磁感应电势ESP（Earth Surface Potentials），ESP又在地面长距离导体，如输电线路、钢轨、管道等形成的回路中引发地磁感应电流GIC（Geomagnetically Induced Current），GIC为一种频率在0.001～0.1 Hz之间的准直流[1]。

国内外已经有文献表明GIC能引起高铁电气及信号系统故障。1982年7月强地磁暴期间，瑞典电气化铁路中的轨道电路系统工作异常，信号机灯光颜色在没有列车占用轨道的情况下由绿色误变为红色[2]。1996年3月，地磁暴使俄罗斯北部铁路Nyandoma至Obozerskaya区段的铁路车站信号集中闭塞系统（SCB）异常[3]。文献[4]探讨了地磁暴在电气化铁路中引发GIC的原理。文献[5]给出了关于地磁暴强度及其特征对铁路轨道产生的ESP和GIC大小影响的相关研究内容。文献[6]分析了GIC在轨道电路中的流通路径及GIC侵害扼流变压器的原理。

高铁扼流变压器体积小，是信号系统轨道电路的重要设备，笔者根据扼流变压器的实际技术参数，利用Maxwell软件对扼流变压器遭受GIC干扰的电磁特性进行仿真计算，以期有关部门重视地磁暴对高铁信号系统的影响。

1 GIC对扼流变压器的影响分析

1.1 扼流变压器的作用及组成

绝缘节将轨道电路划分为若干区段，扼流变压器的牵引线圈直接并接在钢轨绝缘节的两侧。在一送一受轨道电路区段中一般设置2个扼流变压器，这2个扼流变压器的中点分别用电连接线与相邻区段轨道电路的扼流变压器中点连接。扼流变压器对牵引电流的阻抗很小，使50 Hz牵引电流在钢轨中得以顺畅流通。

扼流变压器与普通双绕组变压器不同，扼流变压器牵引线圈（一次侧）的2个半圈（2×8匝）在轨道电路中用于传输工频50 Hz牵引电流，并且在区间上、下行轨道电路中起到平衡牵引电流的作用；信号线圈（二次侧，48匝）和牵引线圈的整圈用于轨道电路25 Hz信号变压传输，同时配合轨道变压器和轨道继电器等设备。扼流变压器变比为1∶3。50 Hz牵引电流在2根钢轨中朝同一方向流动，若牵引电流对称，在扼流变压器牵引线圈2个半圈中产生的磁场相互抵消，不会在信号线圈中感应出50 Hz电流。

1.2 GIC侵害扼流变压器的机理

我国高铁以AT供电方式为主，ESP可等效为两不同位置处接地点之间的电势差，GIC的形成主要有2种方式：（1）由于牵引变压器和自耦变压器均存在接地点，变压器接地产生ESP，ESP、大地、钢轨构成回路引发GIC，GIC在钢轨中流通，如图1所示；（2）钢轨每隔一定距离需设置接地，使钢轨中的大部分牵引电流经贯通地线流回牵引变电所，由于钢轨接地产生GIC，GIC侵害扼流变压器，示意图见图2。这2种方式下，钢轨中流通的GIC均直接侵入扼流变压器。

图1 变压器接地产生GIC示意图

图2 钢轨接地产生GIC示意图

2 扼流变压器的工程参数

图3反应了BE2-600/25型扼流变压器的基本结构，在“E”型铁芯的中央柱上安装绕组，铁芯选取DW310-35型硅钢片。“E”型铁芯和“一”字型衔铁之间留有空隙，以防止工作中的磁饱和，该型扼流变压器的铁芯气隙选为0.3 mm，这些部件组装后放入铸铁箱内。端子1和端子2之间的绕组为牵引线圈，端子3为牵引线圈的中心抽头，端子4和端子5之间的绕组为信号线圈。中心抽头把牵引线圈分为完全相同的2个“半绕组”，牵引线圈内部不对称度不大于1%。

图3 扼流变压器的铁芯结构

当温度为20℃时，牵引线圈的直流电阻不大于0.003 3W，信号线圈的直流电阻不大于0.1W，此时牵引线圈和信号线圈对准直流GIC的阻碍很小。在环境温度为60℃时，加在扼流变压器牵引线圈端子1和端子2间的电流为额定电流的条件下，通电10 min，断电10 min，再连续通电2.5 h后，其温升不允许超过110℃[7]。

3 GIC存在时的模型求解

在有限元数值计算中，最终求解的是矩阵方程，边界条件作为该方程组的定解条件，是模型各个边界上的已知量，可以是场量，或者是其他可用来定解的物理量。为简化分析，视各绕组中的电流在绕组所占有的空间内均匀分布，且忽略绕组内环流以及磁滞特性对磁场的影响。由于模型具有对称性，设置模型边界条件为Symmetry（对称边界），这样计算量将减少一半。根据文献[8]选择扼流变压器的仿真参数，部分参数设置如表1所示。

表1 扼流变压器线圈参数

（a）线圈匝数参数

（b）牵引线圈参数

（c）信号线圈参数

根据文献[9]中的不对称GIC的数值，在扼流变压器牵引线圈中分别通入0、0.5、1、1.5、2、2.5 A的直流电流来分析不同数值的不对称GIC对扼流变压器电磁特性的影响。

不同数值的GIC对应的扼流变压器的励磁电流波形如图5所示，从图中可以直观地看出，随直流量GIC的增加，扼流变压器的励磁电流也随之增大；2.5 A的GIC足以造成扼流变压器励磁电流波形发生很大畸变，呈现正负半波不对称波形，铁芯磁饱和，大大降低了扼流变压器的工作效率，造成扼流变压器电能消损增加，轨道电路无法正常工作[10]。

图5 励磁电流波形图

图6反映了在扼流变压器牵引绕组通入上述6种不同数值的GIC时，扼流变压器铁芯损耗的波形图。从图中看出，扼流变压器铁芯损耗的曲线波形随着通入直流量GIC的增加向正方向偏移，GIC数值越大，铁芯损耗也越大；当直流量达到2.5 A时，铁芯损耗的偏移已经很明显，损耗的最大值接近100.7 W，损耗情况较严重。铁芯损耗产生的“涡流”使扼流变压器的铁芯发热，变压器的温升增加，对扼流变压器的寿命和正常工作造成影响。

图6 铁芯损耗波形

图7直观反应了扼流变压器的磁链变化，可以看出，随着GIC的增加，磁链也随之增加，磁链在铁芯中过度聚集后会导致扼流变压器铁芯饱和，影响其正常工作。

图7 磁链变化3D图

限于篇幅，将1 A和2 A的GIC分别通入扼流变压器中，图8反映了扼流变压器铁芯的磁通密度分布情况，可以看出，随着通入GIC数值的增加，铁芯的磁通密度也随之增加。根据GB/T 13789-92中单片电工钢片（带）磁性能测量方法和硅钢片的磁化曲线，可知DW310-35型硅钢片在额定工况工作时，磁通密度在1.5～1.6 T附近。当铁芯的工作点超过磁饱和点，励磁电流会发生变化，由正弦曲线变为尖顶波。当无GIC通入时，扼流变压器的铁芯磁通密度约为1.5 T，当GIC为2 A时，铁芯的磁通密度最大值达到2.31 T，此时铁芯已经严重饱和，可导致一系列问题，如铁芯振动加剧、漏磁增加等。

图9反应了通入1 A和2 A的GIC后绕组的损耗情况，可以看出，绕组损耗也随着GIC的增加而增大，从35 W/m3增大到366 W/m3，增大了10倍多。损耗过多将导致扼流变压器效率降低，发热温升变大，变压器发热严重，绕组绝缘加速老化或热击穿，甚至导致铁芯烧毁，影响其寿命和正常工作，进而影响高铁信号系统的可靠性。

（a）GIC= 0 A

（b）GIC= 1 A

（c）IGIC = 2 A

（a）GIC= 0 A

（b）GIC= 1 A

（c）GIC= 2 A

图9 绕组损耗云图

4 结语

本文阐述了基于Maxwell软件建立的GIC侵害高铁扼流变压器的模型，给出在通入不同数值的GIC后，扼流变压器的励磁电流、铁芯损耗、磁链、磁通密度分布和绕组损耗等一系列电磁特性变化情况，可以得出一致的结论：GIC窜入扼流变压器后，会对高铁扼流变压器的电磁特性造成不良影响，导致其非正常工作，进而影响整个高铁信号系统的安全运行。

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[3] 马云凤，宗伟，刘连光，等. 高铁电气系统中的GMD干扰监测及信号消噪方法[J]. 电力自动化设备，2016，36（3）：165-168.

[4] 卞丽丽. 铁路低压电气系统磁暴干扰响应机制研究[D]. 华北电力大学，2013：7-21.

[5] 钱学成，刘明光，刘铁，等. 地磁暴对轨道电路电磁干扰的机理分析[J]. 铁道学报，2015，37（5）：42-46.

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The paper introduces the generation mechanism of geomagnetic induced current (GIC), analyzes the routes from which GIC invade into the choke transformers of high speed railways, with model of BE2-600/25 choke transformer as an example, by application of Maxwell software, a choke transformer model is established, and simulation results of electromagnetic characteristics are obtained for the choke transformer when it is being invaded by the GIC.

Geomagnetic storms; high speed railway; choke transformer; electromagnetic characteristics

10.19587/j.cnki.1007-936x.2017.05.018

U284.93

A

1007-936X(2017)05-0079-05

钱学成.国网江苏省电力公司常州供电公司，助理工程师；董美玲.国网江苏省电力公司常州供电公司，助理工程师。

国家自然科学基金项目（41374189）：地磁暴侵害高铁电气系统的电路模型与算法。

2017-01-07