机车变压器投入涌流和切出过电压抑制装置的研究

孙向瑞 王 欢

（1、黑龙江帕瓦节能环保科技有限公司，黑龙江 哈尔滨150000 2、黑龙江科技大学 电气学院，黑龙江 哈尔滨150027）

1 概述

电力变压器在空载投入时的涌流中含有广谱的谐波；在切除时会产生过电压，这不仅会污染电网、影响供电质量，也会对变压器本体造成损伤。电力机车运行时，每6～10 分钟就要过一次电分相[1]，当过分相采用车上控制方式时，主变压器每次都要开合一次，涌流和过电压的情况非常严重[2]。若能实现机车变压器无涌流无过电压投入与切除将大大减轻其危害并提高变压器的使用寿命。

2 电力机车对电网的影响

电力机车采用单相供电，为了使电力系统三相平衡，牵引供电系统采用了分段换相的方法，称为电分相，当列车速度为200公里/h 时，每6～10 分钟要过一次电分相无电区，频度较高[3]。机车如此频繁地通过无电区，采用车上控制过电分相方法时，在通过分相区前后机车内要断、合闸，每次都使机车的主变压器产生操作过电压和发生涌流。操作过电压影响变压器寿命；而涌流达额定电流的数倍，谐波含量很大，对电网造成严重干扰、对铁路设备造成严重伤害，对系统的安全运行造成极大威胁[4]。因此，研究安全、可靠、稳定的自动过电分相方案，抑制变压器涌流和过电压是高速铁路发展的迫切要求。

3 变压器投入切除分析

3.1 变压器空载投入涌流

在正常运行时，变压器的空载电流为额定电流的1%左右，当变压器的副边处于空载状态而把原边绕组合闸接通电源时，发生在合闸瞬间的瞬变过程可使原边绕组中的激磁电流急剧增长，有时会超过额定电流的3～7 倍[5]。设外加电压按正弦规律变化，当电压加到原边绕组上时，原边绕组中将产生瞬变磁通，此瞬变磁通的大小与合闸时刻有关。如果当电压通过零值时合闸，则瞬变磁通的振幅最大，有

式中 ф1max-- 瞬变磁通最大振幅值；

ф0-- 变压器铁芯中的剩余磁通；

фm-- 稳态运行情况下铁芯磁通振幅值。

一般变压器在稳态运行时，主磁通фm已接近饱和，即工作点选择在磁化持性曲线的拐弯处，在上述最不利的合闸瞬间，瞬变磁通振幅达到2фm以上，铁芯达到严重饱和情况，相应的激磁电流也很大，可达到正常稳态激磁电流的几十倍或额定电流的1.5～4 倍以上，谐波含有率极大，持续时间会长达数秒钟之久，是电网中普遍存在的、频繁发生的短时高值谐波电流；当电网的某次谐波阻抗为较大的容性阻抗时空投变压器，很可能会发生谐波放大作用而导致严重的危险。

3.2 变压器空载时的过电压

图1

图1 是忽略了漏抗之后，变压器空载运行的单相等值电路，其中LB为激磁电抗，CB为变压器本身及连接导线之间的电容。在QF 未断开前，电路在工频电压作用下，开关中流过的电流i为变压器空载电流iL与电容CB中电流iC的向量和，因CB很小，可略去iC，即：

如果断路器在工频电流自然过零时熄灭电弧，这时电感上电压UL和电容上电压UC都恰好是工频电压最大值，熄弧时电感中贮存的磁能为零，电容CB很小贮存的电场能量有限，电容不可能从其它方面得到能量，故电容上电压最大值不超过工频电压。

设断路器开断时iL的瞬时值为i0，电感和电容上的电压为UL=UC=U0，则，LB和CB中贮存的能量各为：

当全部磁场能量转变为电场能量时，电容CB上电压电大值可由下式求得：

因CB很小，可略去截流时其中的电场能量，则可得

对于三相变压器，一般的截流过电压可以通过相间耦合影响到另一相的过电压，在不利的情况下，如果耦合过来的电压与原极性相同，则就会产生较高的过电压。

4 采用开关变压器技术投切空载变压器

开关变压器技术可以做到空载变压器无涌流投入和无过电压切除。

一次系统如图2 所示，QF1、QF2、QF3为断路器，T 为空载变压器、TK为开关变压器，空载变压器T 投入前，QF1、QF2、QF3断开。需投入空载变压器T 时，TK二次可控硅处于断开状态，这时合上QF1与QF3，由于开关变压器TK和空载变压器T 串联，故不会产生涌流。 系统控制框图如图2 所示：

图2 控制框图

QF1与QF3闭合后，系统控制调节可控硅使UK逐渐下降，当UK≈0、UT≈U 时，合上QF2，因QF2两端电压很小，不会有大的瞬变情况发生，然后断开QF1与QF3，变压器T 空载投入结束。当要切除空载变压器T 时，首先合上QF1与QF3，系统调节可控硅使UK≈0，之后断开QF2，QF2两端电压很小，不会有大的瞬变过程。系统控制关断触发信号，可控硅电流过零关断，不会产生截流过电压。再断开QF1与QF3，变压器T 空载切除结束。

5 结论

开关变压器技术是从源头上消除产生危害的条件，使涌流及过电压不能发生，不仅消除了对电网及电气化铁道的影响，而且消除了对自身的伤害，能显著提高设备寿命。

通过在某铁路局对200kVA 电力变压器进行了实际的投入切除验证工作。变压器参数为S=200kVA、UN=10kV、IN=11.55A，实现了变压器的无涌流投入无过电压的控制过程。