郭紅梅，何建建

（1.武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程師；湖北 武漢430205 2.武鋼股份有限公司能源總廠，工程師，湖北 武漢 430083）

隨著鐵路事業(yè)的迅猛發(fā)展，供電系統(tǒng)的回路數(shù)增多、供電線路增長(zhǎng)以及高速動(dòng)車組的使用出現(xiàn)了一種具有隱蔽性的過電壓，這種過電壓是伴隨著我國(guó)高速鐵路的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一種特殊的過電壓，即鐵磁諧振過電壓。當(dāng)供電系統(tǒng)產(chǎn)生了鐵磁諧振以后，可能引發(fā)弧光過電壓使電纜“放炮”，或者產(chǎn)生幅值很高的高次電壓諧波給直流機(jī)車安全運(yùn)行帶來威脅，也可能引發(fā)諧振過電壓或過電流致使電壓互感器燒毀。如果這些問題處理不好，將對(duì)我國(guó)鐵路的安全高效運(yùn)行帶來威脅。為保證列車運(yùn)行安全，必須采取相應(yīng)的防治措施把牽引網(wǎng)電壓控制在合理的水平，以消除鐵路諧振過電壓的產(chǎn)生。

1 車網(wǎng)耦合鐵磁諧振過電壓的產(chǎn)生

在牽引供電系統(tǒng)中，隨著我國(guó)鐵路第六次大提速的實(shí)施，由于機(jī)車和牽引供電系統(tǒng)的配合問題，在機(jī)車電氣傳動(dòng)部分與牽引供電組成的系統(tǒng)中產(chǎn)生了鐵磁諧振過電壓。

在牽引供電系統(tǒng)中由牽引網(wǎng)的分布電容和含鐵芯的電感元件（如車載變壓器、電壓互感器）組成。當(dāng)接觸網(wǎng)電壓升高到一定程度，車載牽引變壓器進(jìn)入飽和運(yùn)行狀態(tài)〔1〕，這種含鐵芯的電感元件參數(shù)具有非線性的特點(diǎn)，牽引網(wǎng)的分布電容與飽和勵(lì)磁電感組成諧振回路，在滿足一定激發(fā)條件時(shí)會(huì)產(chǎn)生鐵磁諧振現(xiàn)象。

2 車網(wǎng)耦合鐵磁諧振過電壓的特點(diǎn)

2.1 具有隱蔽性 機(jī)車的電氣傳動(dòng)部分與牽引供電系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立。由于牽引網(wǎng)上機(jī)車運(yùn)行情況的復(fù)雜性（包括直流機(jī)車、交流機(jī)車、高速動(dòng)車等），使得產(chǎn)生的鐵磁諧振過電壓具有較強(qiáng)的隱蔽性，給分析鐵磁諧振過電壓產(chǎn)生的原因帶來困難。

2.2 具有特殊性 車載變壓器（電感元件）的實(shí)際運(yùn)行電壓變化范圍很大，牽引網(wǎng)電壓的升高致使車載變壓器進(jìn)入飽和運(yùn)行狀態(tài)，從而產(chǎn)生鐵磁諧振現(xiàn)象。這種鐵磁諧振過電壓與一般的諧波放大現(xiàn)象不一樣，其電壓諧波高并且出現(xiàn)的偶次諧波幅值較大；與操作過電壓不一樣，其持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)；與線性諧振過電壓的漸進(jìn)發(fā)展也不一樣，其過電壓的幅值異常變高。

2.3 具有隨機(jī)性 機(jī)車在運(yùn)行過程中，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和運(yùn)行方式的靈活性，鐵磁諧振會(huì)隨機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)或產(chǎn)生或發(fā)展或消失，有許多量是在快速變化的，使諧振過電壓的產(chǎn)生具有隨機(jī)性。

2.4 具有傳播性 當(dāng)產(chǎn)生鐵磁諧振時(shí)牽引供電網(wǎng)電壓異常升高，給機(jī)車安全運(yùn)行帶來威脅。因鐵磁諧振帶來的影響并不限于諧振回路本身，其產(chǎn)生的諧振電壓和電流向牽引供電系統(tǒng)的其它部分傳播，導(dǎo)致電壓保護(hù)裝置動(dòng)作或避雷裝置發(fā)生爆炸現(xiàn)象。

3 諧振頻率區(qū)域的判別

為了便于分析事故和快速處理事故，盡快恢復(fù)鐵路運(yùn)行，有必要對(duì)鐵磁諧振頻率區(qū)域進(jìn)行判別。

牽引供電系統(tǒng)中發(fā)生不同頻率的鐵磁諧振，主要與Xc0/Xm（即車載變壓器并聯(lián)運(yùn)行綜合電感的感抗Xm與供電網(wǎng)對(duì)地分布電容的容抗Xc0的比值）有直接關(guān)系。

3.1 基頻諧振 當(dāng)Xc0/Xm 的比值約等于1 時(shí)，發(fā)生諧振的諧振頻率幾乎與電網(wǎng)頻率相等，稱為基頻諧振，伴有接地指示，也稱為虛幻接地。表現(xiàn)的特性為過電流很大，過電壓不超過相電壓的3.2倍，三相電壓表顯示數(shù)值兩相升高、一相降低，雖然線電壓正常，但此種情況下往往會(huì)導(dǎo)致電壓互感器熔絲熔斷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒壞互感器。

3.2 分頻諧振 當(dāng)Xc0/Xm的比值較小（0.01～0.07范圍內(nèi)）時(shí)易發(fā)生分頻諧振，即產(chǎn)生鐵磁諧振時(shí)振蕩頻率較低。表現(xiàn)的特性為過電壓不超過相電壓的2.5倍，三相電壓表數(shù)值同時(shí)升高，并且周期性擺動(dòng)，但線電壓正常，能量交換所需時(shí)間較長(zhǎng)。

3.3 高頻諧振 當(dāng)Xc0/Xm 的比值較大（在0.55～2.8范圍內(nèi)）時(shí)發(fā)生高頻諧振。表現(xiàn)的特性為過電流較小，過電壓倍數(shù)較高，最大值可達(dá)到相電壓的4～5倍，三相電壓表顯示的數(shù)值同時(shí)升高，但線電壓正常。振蕩時(shí)能量交換所需時(shí)間較短，速度較快。

在同一諧振區(qū)域內(nèi)諧振的最低外施觸發(fā)電壓（臨界值）與Xc0/Xm 的值有關(guān)，當(dāng)Xc0/Xm 更小或更大（Xc0/Xm≤0.01 或Xc0/Xm≥2.8）時(shí)，鐵磁諧振不易產(chǎn)生。鐵磁諧振的外施觸發(fā)電壓在不同的諧振區(qū)域內(nèi)是不同的，高頻諧振區(qū)域的最高而分頻諧振區(qū)域的諧振外施電壓最低，在正常情況下系統(tǒng)內(nèi)稍有波動(dòng)就可能引發(fā)諧振。

4 諧振過電壓的防治措施

抑制鐵路磁諧振過電壓最有效的措施是供電網(wǎng)的電壓不能升高到使車載變壓器進(jìn)入飽和運(yùn)行狀態(tài)〔2〕，把牽引網(wǎng)電壓控制在合理的水平是消除牽引網(wǎng)上鐵磁諧振過電壓的最有效方法。

4.1 制定接觸網(wǎng)上機(jī)車安全運(yùn)行的電壓標(biāo)準(zhǔn) 制定接觸網(wǎng)上的電壓標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)考慮我國(guó)公共電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、供電能力、電壓等級(jí)、線路的運(yùn)輸需求、牽引網(wǎng)的電壓損失以及車載變壓器的抗飽和特性等因素。設(shè)計(jì)制造變壓器時(shí)盡可能采取變壓器抗飽和的方案，考慮車載變壓器與牽引網(wǎng)可能發(fā)生鐵磁諧振的所有情況，在接觸網(wǎng)的規(guī)定電壓范圍內(nèi)使變壓器脫離飽和運(yùn)行狀態(tài)。

4.2 增加車載變壓器的鐵磁諧振試驗(yàn) 車載變壓器在出廠驗(yàn)收時(shí)增加鐵磁諧振試驗(yàn)。在機(jī)車運(yùn)行過程中一旦出現(xiàn)鐵磁諧振過電壓或較長(zhǎng)時(shí)間原因不明的過電壓，立即采取措施降低接觸網(wǎng)電壓，使車載牽引變壓器脫離飽和運(yùn)行狀態(tài)，避免鐵磁諧振的發(fā)生。

4.3 吸收諧波能量 在電壓難以調(diào)整的地方，可根據(jù)具體的諧振頻率和牽引供電參數(shù)設(shè)計(jì)消諧裝置，通過該裝置吸收諧波能量以防止諧波能量累積的破壞〔3〕。當(dāng)諧振發(fā)生時(shí)，消諧裝置動(dòng)作可靠，吸收諧振能量，達(dá)到消除鐵磁諧振的目的；同時(shí)消諧裝置可記錄故障時(shí)的電壓、電流、振蕩頻率等參數(shù)，便于分析事故。

5 結(jié)束語(yǔ)

消除鐵磁諧振對(duì)保障整個(gè)牽引供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行有著重要的意義，選擇好的消諧措施，對(duì)保證供電系統(tǒng)的安全，設(shè)備安全以及人身安全具有非常重要的實(shí)際意義。

〔1〕劉肖杰，張劍.鐵路中性點(diǎn)不接地電力系統(tǒng)鐵磁諧振的產(chǎn)生原因及特點(diǎn)〔J〕.電氣開關(guān)，2004，（6）：36一37。

〔2〕張雪原.高速重載鐵路車網(wǎng)耦合下過電壓產(chǎn)生機(jī)理與防護(hù)辦法研究〔D〕.成都：西南交通大學(xué)博士學(xué)位論文2007。

〔3〕劉肖杰.消除鐵路中性點(diǎn)不接地電力系統(tǒng)鐵磁諧振的措施〔J〕.電氣開關(guān)，2005，（l）：31-33.