基于PSCAD的动车组过分相时车载牵引变压器励磁涌流仿真分析

曹保江，宋勇葆，高国强，吴广宁

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031)

车载牵引变压器作为动车组的核心设备，其在动车组升降弓、过分相、弓网离线等过程中频繁的投入与切出，这对其工作时良好运行提出了严峻考验。稳态运行时，变压器励磁电流大约为额定电流的2%，变压器空载合闸时，变压器铁芯磁通过饱和，将产生很大的励磁涌流，其幅值可能达到额定电流的4～8倍[1]。励磁电流较大会对列车车载变压器造成损害，损坏车载牵引变压器的绝缘性能，使其机械应力变大，导致牵引绕组变形，引起变压器继电保护系统的误动作，也会给高速列车高压系统带来一定程度的危害[2]。

目前，国内外对于变压器空载合闸产生励磁涌流的研究大多集中在励磁涌流产生的机理、励磁涌流的谐波特征等方面[3]。文献[4]以单相变压器为例，简要分析了变压器励磁涌流的产生机理，提出励磁涌流的大小与铁芯剩磁、合闸时电压的相角等因素有关。文献[5]提出电力机车空载合闸时的数学模型，利用MATLAB对比分析励磁涌流与变压器短路电流各自的特点。文献[6]结合CRH3型动车组牵引变压器特性，对其高压系统进行仿真分析，同时通过傅里叶分析对励磁涌流进行了谐波分析，认为高速动车组牵引变压器采用二次谐波制动比的差动保护方法是可行的。文献[7]利用FFT(傅里叶分析)和小波分析，对变压器励磁涌流产生机理及特征进行研究，提出可以根据二次谐波含量和小波系数的特征来鉴别变压器励磁涌流和故障电流。文献[8]研究空载投入变压器时产生的励磁涌流对直流输电系统正常运行产生的影响，这对动车组牵引传动整流，直流侧中间支撑电容选型有指导意义。文献[9]提出变压器励磁涌流是引起差动保护暂态不平衡电流的主要原因。文献[10]认为牵引变压器低压侧电流互感器暂态饱和、冲击电流中含有大量负荷电流是造成差动保护二次谐波制动失效的原因。

综上所述，研究变压器励磁涌流的特点具有重要意义。本文针对动车组车载自动断电过分相过程中产生的励磁涌流进行研究分析。根据现场实测波形，分析励磁涌流中谐波构成特点，构建仿真模型并探究变压器剩磁、合闸时电压的相角对励磁涌流的影响。

1 动车组车载自动断电过分相过程

电气化铁路采用分段供电，变电所与变电所之间的接触网中设置的无电区段称为分相区。车辆进入分相区前，停止牵引，断开主断路器，车辆依靠惯性通过分相区，驶出分相区后，再牵引行驶。CRH380B型动车组采用车载式GXF-3A自动断电过分相装置。动车组通过车载信号接收器获取地面信号发生器发出的定位信号，确定车辆在分相区域的位置。在过分相过程中，除分相预告外的一切操作均由动车组控制系统自动完成。图1给出了车载信号接收器和地面信号发生器的位置。动车组头车(即端车EC01/EC08)到达G1点时，列车中央控制单元(CCU)封锁四象限整流器，变流器整流部分不工作，牵引传动系统进入“直流环节电压保持”模式，此后CCU命令断开主断路器(VCB)，动车组将在无牵引、无网压的状态下驶入分相区[11]。此后列车不能施加牵引力，车载供电不能由接触网提供，再生制动产生的电能也不能回馈给接触网，空气制动可以继续发挥作用，过分相前后车上的风机类负载、伴热等阻性负载、照明、继电器等负载均不断电，再生制动产生的电能可确保列车通过分相区时对辅助供电系统的持续供电。头车到达G2点时，CCU将发出“强制断开VCB”信号将其断开，确保列车断电过分相。头车到达G3点时，CCU发出合VCB指令，控制VCB重新闭合。头车到达G4点时，CCU检测到接触网电压在正确有效范围之内，控制列车进入牵引工况。

图1 动车组过分相过程

CRH380B型动车组的主电路由网侧电压互感器、主断路器、车载牵引变压器、牵引变流器(包括四象限整流器、中间直流环节、逆变器)和牵引电机组成。主电路如图2所示。受电弓从接触网获得工频单相交流电后，由牵引变压器降压后输入牵引变流器。牵引变流器单元内部的四象限整流器将1 550 V的交流电整流为3 000 V的中间直流电压。中间直流电压通过PWM变频单元向牵引电机提供变压变频(VVVF)的三相交流电[11]。

图2 动车组主电路

2 牵引变压器励磁涌流产生机理分析

式中：C1为衰减的非周期分量，若不考虑损耗，则为直流分量。设断路器闭合(t=0)瞬间接触网电源电压为u2(t)=Umsin(ωt+β)，此时变压器主磁通φ2为

由于过分相时间间隔较短，根据铁芯磁通不能突变的特性，得到空载合闸时铁芯中的磁通为

3 模型构建与实测数据分析

车载牵引变压器励磁涌流主要发生在动车组接收到地面信号后断路器合闸时。合闸前四象限脉冲整流器由中央控制单元控制关闭，牵引电机再生制动发出的电能经逆变器整流后给中间直流环节，不回馈给接触网，只为辅助供电系统供电，供动车组辅助用电设备使用[11]。合闸后的一段时间内动车组仍处于无牵引状态，直到检测到接触网电压处于合理范围内，才施加牵引力运行。因此，仿真模型中牵引变压器二次侧设置为空载状态。本文采用国际上通用的电力系统电磁暂态仿真程序PSCAD/EMTDC[8]。图3为仿真模型。接触网电源电压为27.5 kV，电分相两侧供电臂长度为25 km，车载主变压器采用经典模型，容量为3.06 MV/A，变比为27.5 kV/1.5 kV，仿真中用直流电流源来模拟变压器剩磁。模型中主要参数见表1。

图3 仿真电路图

为了解过分相期间牵引变压器励磁涌流实际运行情况，本文选取牵引变压器一次侧作为主要测试对象，在相应的测点安装电流检测传感器。动车组运行过程中，实时跟踪牵引变压器一次侧工作地绕组电流，所有数据通过双层屏蔽信号电缆输入到多通道数据采集器内。现场试验如图4所示。

表1 模型中主要参数值

图4 现场试验

测试中，多次采集到一次侧励磁涌流现象的发生。图5为典型的一次过分相过程中励磁涌流现象，局部电流波形放大图如图6所示，可以看到励磁涌流幅值达到平稳运行时一次侧电流的3～4倍，约为360 A。其值有可能达到变压器差动保护整定值，引起差动保护误动作，对动车组的正常运行造成很大影响。

图5 变压器一次侧电流

图6 一次侧励磁涌流放大图

励磁电流波形表现为明显的尖顶波和间断角，偏向于时间轴一侧，含有大量非周期分量和高次谐波分量。非周期分量的衰减时间常数与变压器至电源间阻抗的大小、变压器容量以及铁芯的饱和程度等因素有关。

图7为利用MATLAB中的powergui模块对励磁涌流进行快速傅里叶变换(FFT)分析得到的励磁涌流谐波含量图。图8为各次谐波含量随着时间的变化趋势。可以得出，高次谐波中以二次和三次谐波为主，二次谐波含量较高，三、四、五次谐波含量相对较低，而且随着时间的推移，各次谐波含量所占的比例均有增加，其中二次谐波的含量在合闸后的一段时间内超过基波分量的60%，这为变压器差动保护准确区分励磁涌流和故障电流提供了参考依据。

图7 变压器空载合闸励磁涌流FFT分析

图8 各次谐波含量

4 仿真结果分析

利用建立的仿真模型，对变压器产生的励磁涌流进行仿真分析。

4.1 剩磁对励磁涌流的影响

仿真中通过在变压器一次侧注入直流电流的方式来模拟变压器剩磁，直流电流与初始剩磁的对应关系见表2。改变电流值的大小可以改变剩磁，在电源相位角为0°时进行仿真，此相位角下励磁涌流最大，铁芯饱和最为严重，仿真结果如图9所示。由图9可知，波形偏离时间轴一侧，出现间断。剩磁越大，变压器励磁涌流越严重，幅值越大。剩磁为0.3 p.u时，励磁涌流最大值为552 A，剩磁为0.5 p.u时，励磁涌流最大值为649 A，剩磁为0.7 p.u时，励磁涌流最大值为730 A。根据仿真结果可以发现，没有剩磁的情况下一样会有涌流存在，这主要是因为此时变压器已经出现饱和。励磁涌流的间断角与铁芯饱和磁通、剩磁大小、合闸时刻有很大关系。仿真与试验波形大致趋势基本一致，仿真值比实测值偏大，主要原因可能是仿真时接触网电压相位、变压器剩磁与实测值不同。

表2 直流电流与初始剩磁对应关系

图9 不同剩磁条件下励磁涌流仿真结果

4.2 合闸角度对励磁涌流的影响

仿真中通过改变合闸时刻的方式来模拟断路器合闸初相角对励磁涌流的影响。剩磁为额定磁通，合闸角为0°，30°，60°，90°时的仿真波形如图10所示。可以看出，在合闸角为0°时励磁涌流最大，合闸角为90°时涌流最小，符合励磁涌流产生的原理。

图10 不同电源相位角下空载合闸励磁涌流

若不考虑变压器剩磁和绕组损耗，根据第二节励磁涌流产生机理，变压器绕组产生磁通将超前合闸电压90°。在接触网电压相位90°时合闸，车载变压器的磁通量瞬时值刚好过零点，合闸前后系统的磁通未发生变化，变压器铁芯中的磁通处于稳态，因此不会产生涌流现象。若在电压过零时合闸，此时绕组磁通量相角为90°，磁通刚好达到峰值。为了保证合闸瞬间磁通量不变，在合闸后系统将产生一个暂态磁通，主要用于抵消合闸瞬间稳态分量的的瞬态值，其大小和合闸初相角直接相关。此时，励磁电流也将迅速增加以满足磁通增加的需要，从而引起励磁涌流现象的发生。在经过半周期后，绕组的磁通反向，但之前产生的用于抵消绕组磁通的反磁通依然保持原有方向，此时铁芯内的磁通量相叠加，磁通量将扩大一倍，使得铁芯磁路出现严重的过饱合[12]。在不考虑剩磁自动消退的情况下，如果将分闸相位角同合闸相位角合理配合，则能使剩磁和暂态磁通相互抵消，从而抑制涌流的产生。

5 结论

从实测电流波形及仿真验证可得到以下结论：

(1)励磁涌流中含有高次谐波，其中以二次和三次谐波为主，二次谐波含量较高，三、四、五次谐波含量相对较低，而且随着时间的推移，各次谐波含量所占的比例均逐渐增加，其中二次谐波的含量在合闸后的一段时间内超过基波分量的60%。

(2)当合闸角为0°、剩磁为0 p.u时，变压器出现饱和，且变压器剩磁越大，合闸瞬间变压器饱和现象越突出，励磁涌流现象越严重。

(3)合闸角度对变压器励磁涌流影响有较大影响，在合闸角为0°时励磁涌流最大，合闸角为90°时涌流最小。主要原因是变压器绕组产生磁通超前合闸电压90°。