相控分合断路器对涌流与过电压的抑制研究

冯振领，廖永衡，樊会娟，李 鹏

0 引言

由于变压器铁心存在磁饱和问题，机车/动车主断路器随机合闸时，会导致在本车变压器上产生合闸励磁涌流，并在同一供电臂内运行的其他机车/动车变压器上产生和应涌流，同时在地面牵引变电所变压器上产生励磁涌流。涌流会造成变压器绕组绝缘老化、铁损加大、保护误动；涌流的谐波注入会使电磁环境受到污染，降低车载与地面电气设备的可靠性及寿命，严重时还会引起车网谐振。为了降低涌流对机车/动车电气系统的危害，目前部分机车/动车采取了延时躲避合闸涌流的方法，待涌流衰减后再启动变流器，该方法以牺牲运输效率为代价，且不能完全躲避合闸涌流与和应涌流的影 响。对于重载货运机车与高速动车组，为使过分相后尽快恢复牵引力和制动力，采用了主断路器合闸后尽早启动变流器的方法，此时涌流的谐波会通过变流器维持并放大。

目前，国内外针对电力机车/动车变压器励磁涌流与和应涌流的产生机理与危害进行了相关研究。文献[1～5]对电力机车合闸涌流产生机理与影响因素进行了理论及仿真分析。文献[6～8]对和应涌流产生机理与影响因素进行了理论及仿真分析。文献[9]实测出了350 km/h标准动车组主断路器合闸涌流大于748 A，且伴随变压器次级电压波形严重畸变，整车高压与牵引系统中存在大量谐波成分，涌流持续时间最长可达几十秒，在涌流产生600 ms时牵引变流器已启动。文献[10，11]针对涌流对机车变流器频谱的影响进行了分析。为了防止涌流引起变压器差动保护误动，文献[12～16]对涌流识别方法进行了研究，但对于防止保护误动仍存在不足之处，且未从源头进行涌流抑制。文献[17]分析了涌流对电能质量的谐波污染。文献[18，19]对涌流与合闸相位角的关系进行了推理分析。文献[20]针对断路器分合闸操作过电压对动车电气系统的影响进行了理论与仿真分析，说明了断路器分闸过电压较合闸过电压高，应重点关注分闸过电压。

由于变压器与分布电容、杂散电容的存在，使得机车主断路器合闸时将产生合闸涌流或合闸过电压，相关文献中实测的合闸涌流大于748 A[9]，实测到的合闸过电压达到60～77 kV（25 μs脉冲宽度）。由于合闸涌流与合闸过电压、分闸过电压之间存在相互制约关系，且合闸过电压的脉冲能量很小，不足以对设备绝缘造成危害，因此本文分析不考虑合闸过电压。

目前，关于长期运用过程中相控分合及随机分合工况涌流与过电压对比尚未见研究。本文将重点针对随机分合断路器对机车/动车涌流与分闸过电压的影响，以及相控分合断路器对机车/动车涌流与分闸过电压抑制效果进行对比分析。

1 涌流现状

在电气化铁路中，由于牵引网中存在电分相，相邻两个供电臂存在天然的供电中断区，当电力机车或高速动车组（以下统称列车）高速受流于接触网时，会频繁处于有电-失电-有电工况。列车通过电分相时，断路器经过一次分闸与合闸操作，在列车变压器恢复供电时，可能产生励磁涌流现象。列车变压器的结构、参数、工作环境等与电力系统变压器有所不同，其具有动态、频繁投切、高阻抗的特点，尤其是在高速铁路中，列车运行速度高，过分相更加频繁且时间短，变压器的磁通衰减量小，涌流现象更加突出。此外，高速铁路行车密度大，会出现线路双车甚至多车同时在同一供电臂运行的情况，在列车过分相时产生的励磁涌流会经牵引网影响到邻近的列车，从而产生和应涌流，且在变电所出口分相处，列车的合闸涌流将直接影响上一级的牵引变压器。考虑到列车位置和状态的时变性，和应涌流将更为复杂。合闸涌流与合闸相位的关系如图1所示，可见，随机合闸大概率会产生合闸涌流，并引发和应涌流及地面变压器的励磁涌流。

1.1 涌流对牵引网电压的影响

涌流含有含量很高的低次谐波（直流分量、2次谐波）和丰富的高次谐波。牵引网电压越高、变压器容量越大、剩磁越大，励磁涌流越大，涌流造成的变压器一次侧、二次侧电压损失和畸变率也越大。机车变流器在这种畸变网压作用下，输出电流的主要频谱分布会包含与牵引网谐振点或谐振带一致的非特征次谐波分量，在特征次谐波电流未与牵引网耦合发生谐振的情况下，该非特征次谐波可以维持车网系统的谐振。

图1 合闸涌流与合闸相位的关系

图2为机车上实测的涌流与网压、变压器二次侧电压波形。可以看出，涌流产生后牵引网电压发生了明显的跌落与畸变，牵引网电压谐波总畸变率THDu由0.92%增大至8.21%；同时，变压器二次侧电压谐波总畸变率THDu已达到27.26%，网压与变压器二次侧电压的THDu均已严重超出GB/T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》关于35 kV系统THDu≤3%的要求。

图2 合闸涌流引起网压与变压器二次侧电压畸变

1.2 合闸涌流引起其他机车变压器产生和应涌流

由于变压器间的磁链作用，机车主断路器随机合闸时，不但导致本车上产生合闸涌流，还会在同一供电臂内运行的其他机车上产生和应涌流。图3所示为机车运行过程中的和应涌流实测波形。可以看出，由于受到同一供电臂内其他合闸机车的影响，正常运行的机车变压器上产生了和应涌流，和应涌流的谐波通过变流器维持并放大，最终导致网压谐波总畸变率THDu由3.80%增大到13.92%，严重超出标准规定THDu应不大于3%的要求。

图3 和应涌流引起牵引网压跌落与畸变

1.3 涌流对地面牵引变压器的影响

机车变压器的合闸涌流还会导致地面牵引变压器产生较大励磁涌流，如图4所示。可以看出：重联机车在变电所出口分相处合闸，在地面牵引变压器上先后产生两次励磁涌流；机车合闸位置距牵引变电所越近，涌流对地面牵引变电所变压器的励磁涌流影响越大；机车合闸位置距牵引变电所越远，涌流对牵引网电压的影响越突出；前节机车主断路器合闸后在地面牵引变压器上产生175 A的励磁涌流，后节机车主断路器合闸后又在地面牵引变压器上产生了500 A的励磁涌流，这两部分励磁涌流同时使牵引网压发生了明显的跌落与畸变。

图4 车载主断合闸引起地面变压器涌流与网压谐振

1.4 涌流加大电磁辐射

涌流还会产生严重的电磁辐射，可能导致控制系统紊乱。以某型HXD机车为例，主断路器合闸时经常造成制动系统死机。图5所示为网侧柜外实测的主断路器随机合闸与相控合闸时的磁场辐射对比。可以看出，随机合闸时产生的磁场辐射最大达到了背景的50倍（背景为0.1 μT，最大磁场辐射为5 μT）。

图5 相控与随机合闸磁场辐射对比

2 分闸过电压现状

断路器随机分闸时会使变压器原边与次边产生分闸过电压。图6所示为断路器随机分闸时在变压器二次侧监测到的过电压。可以看出，分闸时在变压器二次侧产生了1.6倍的操作过电压。

图6 随机分闸时变压器二次侧产生的过电压

图7为断路器随机分闸时在变压器原边避雷器上监测到的冲击电流，图8为避雷器伏安特性曲线。图7显示分闸时避雷器上产生了30.95 A的冲击电流。结合图7与图8可知，断路器随机分闸时在变压器原边产生了大于75 kV的操作过电压。

图7 随机分闸时变压器原边的避雷器冲击电流

图8 避雷器伏安特性曲线

3 涌流与过电压抑制

3.1 涌流抑制原理

断路器关合空载变压器时，变压器一次侧电压设为

式中：Us为系统电压值，Um为系统电压峰值，ω为角频率，α为系统电压初相角，R为变压器一次绕组电阻，i(t)为稳态电流，φ(t)为铁心磁通。

主回路电压方程为

式中：L为铁心电感。

设铁心中剩磁为φr，则铁心磁通为

式中：φm为铁心磁通峰值。

如果在电压过零时刻即初相角α= 0时合闸，铁心磁通将达到2φm+φr。如果在φr+φmcosα= 0时合闸，铁心中将没有暂态磁通，只有稳态磁通，变压器将进入稳态运行，则此时最佳合闸相位α为

3.2 过电压抑制原理

感应电动势计算式为

由式（5）可知，感性负载电路在电流相位过零点切断时将不会产生过电压。变压器属于感性负载，电流相位滞后电压相位90°，电压峰值正好对应电流过零点。因此，断路器选择电压相位5 ms为目标电弧熄灭点，则不会产生分闸过电压。

3.3 相控分合原理

相控分合断路器通过选择合适的分合闸相位，能够实现抑制涌流与过电压的目的。

3.3.1 相控分闸原理

相控分闸时序如图9所示。相控控制器实时监测电压过零点（T0时刻），当接收到机车控制系统下发的分闸命令（T1时刻，具有相位随机性）后，启动相控逻辑，确定最佳目标电弧熄灭点位于电压峰值处（T4时刻），根据人工智能算法预估断路器的预期分闸时间和目标电弧熄灭处的预期燃弧时间（T4−T3），自动计算出合适的选相等待时间（T2−T1）。机车控制系统下发合闸命令（T1时刻）开始计时，到达选相等待时间（T2时刻）后，发出相控分闸的命令。

图9 相控分闸时序

3.3.2 相控合闸原理

相控合闸时序如图10所示。相控控制器实时监测电压过零点（T0时刻），接收到机车控制系统下发合闸命令（T1时刻，具有相位随机性）后，启动相控逻辑，确定最佳目标关合点位于峰值处（T3时刻），并根据人工智能算法预估断路器的预期合闸时间和目标关合点处的预期击穿时间（T4−T3），自动计算出合适的选相等待时间。机车控制系统下发合闸命令（T1时刻）开始计时，到达选相等待时间（T2时刻）后，发出相控合闸的命令。

图10 相控合闸时序

3.4 涌流抑制效果

对比HXD1、HXD1B、HXD1D、HXD2、HXD2C、HXD3、HXD3C、HXD3D机车随机分合、相控分合工况的运用情况，统计对比涌流结果见表1，网压和变压器二次侧THDu统计对比结果见表2。

合闸涌流持续时间与涌流峰值直接相关，涌流峰值越大，涌流持续时间越长、涌流衰减越慢。为了综合评价每次合闸涌流的冲击能量，引入涌流冲击当量这个指标。涌流冲击当量的定义为涌流起始的一个周期内I2r的积分，无量纲。

由表1可以看出，综合各车型的数据，相控分合的主断路器涌流峰值平均值在23 A左右，涌流冲击当量平均每次约为1。而随机分合的主断路器涌流峰值平均值在185 A左右，涌流冲击当量平均每次约为85。即相控分合的主断路器合闸时产生的涌流冲击能量很小，仅为随机分合主断路器涌流冲击能量的1.17%，说明相控分合断路器可以有效地抑制合闸涌流，不会使其他机车与地面牵引变压器产生和应涌流与励磁涌流。

表1 相控与随机分合闸工况机车变压器涌流对比

表2 相控与随机分合闸工况网压与变压器二次侧THDu对比

由表2可以看出，综合各车型的数据，相控分合的主断路器变压器二次侧THDu平均值在2.6%左右，合闸后与合闸前网压THDu的差值平均每次约为0.14%。而随机分合的主断路器变压器二次侧THDu平均值在16.9%左右，合闸后与合闸前网压THDu的差值平均每次约为1.74%。相控分合断路器不会加大网压与变压器二次侧电压的谐波成分，不会加大变流器的谐波输出，有利于净化牵引供电电能质量。

3.5 过电压抑制效果

图11所示为相控分闸时牵引网与变压器二次侧电压波形。可以看出，各车型相控分闸时牵引网与变压器二次侧均未产生过电压。

图11 各型车相控分闸时牵引网与变压器二次侧电压波形

4 结论

（1）机车/动车主断路器随机分合会在牵引网上频繁产生大幅值、谐波含量丰富的涌流，引起牵引网压与变压器二次侧电压发生跌落与畸变，还会产生大幅值的磁场辐射与浪涌过电压，严重时会造成车网谐振、机车/动车控制系统与通信系统紊乱。

（2）经大量现场试验验证，相控分合断路器通过选择合适的合分闸相位，可以有效抑制涌流与过电压，合分闸时不再产生电磁暂态冲击，能够净化牵引供电电能质量，保护机车电气系统与牵引供电系统，并为变流器尽早投入提供良好的电气环境。