動(dòng)車組牽引系統(tǒng)操作過電壓對(duì)比分析

摘 要：文章對(duì)比分析了兩種不同結(jié)構(gòu)牽引系統(tǒng)操作過電壓特性，并對(duì)主斷路器閉合、斷開的暫態(tài)過程進(jìn)行了探討，最后給出了改進(jìn)措施，大幅減小了牽引系統(tǒng)操作過電壓幅值。

關(guān)鍵詞：動(dòng)車組；牽引系統(tǒng)；操作過電壓；主輔分離；主輔一體

1 概述

動(dòng)車組牽引系統(tǒng)是由許多電感、電容性元件所組成的復(fù)雜電路。主斷路器閉合、斷開的瞬間會(huì)使?fàn)恳到y(tǒng)從一種電磁狀態(tài)過渡為另一種電磁狀態(tài)，電磁能與靜電能在感性與容性元件中以電路固有頻率交替轉(zhuǎn)化，以致使在牽引變壓器一次繞組、牽引繞組上均出現(xiàn)過電壓，稱之為操作過電壓[1]。

目前動(dòng)車組牽引系統(tǒng)主要分為兩類：一是主輔分離結(jié)構(gòu)，其牽引變壓器由牽引繞組、輔助繞組構(gòu)成；二是主輔一體結(jié)構(gòu)，牽引變壓器只有牽引繞組，輔助系統(tǒng)自牽引變流器的中間電容取電。文章主要探討兩種結(jié)構(gòu)牽引系統(tǒng)在主斷路器閉合、斷開瞬間所產(chǎn)生的操作過電壓特性。

2 操作過電壓實(shí)測(cè)波形及特性對(duì)比

動(dòng)車組靜置狀態(tài)下閉合或斷開主斷路器，主輔分離牽引系統(tǒng)僅輔助繞組投入工作，牽引繞組與脈沖整流器之間處于斷開狀態(tài)，而主輔一體牽引系統(tǒng)則會(huì)投入脈沖整流器、中間電容、以及輔助逆變器。兩種結(jié)構(gòu)動(dòng)車組過電壓實(shí)測(cè)波形如下圖所示（波形從上到下分別為牽引繞組1、牽引繞組2、原邊繞組）：

（1）主輔分離牽引系統(tǒng)合閘時(shí)原邊繞組沒有出現(xiàn)過電壓，牽引繞組測(cè)得最高3.2倍過電壓；分閘時(shí)原邊繞組出現(xiàn)最高1.2倍過電壓，牽引繞組測(cè)得最高2.4倍過電壓。

（2）主輔一體牽引系統(tǒng)合閘時(shí)牽引變壓器原邊繞組出現(xiàn)1.2倍過電壓，牽引繞組測(cè)得最高2.5倍過電壓；分閘時(shí)原邊繞組出現(xiàn)1.7倍過電壓，牽引繞組測(cè)得最高1.5倍過電壓。

由此可以看出：對(duì)于原邊繞組而言，分閘過電壓幅值要大于合閘幅值，且主輔一體結(jié)構(gòu)幅值較大；對(duì)于牽引繞組而言，合閘過電壓幅值要大于分閘幅值，且主輔分離結(jié)構(gòu)幅值較大。

3 等效電路暫態(tài)分析

3.1 暫態(tài)過程等效電路建模

動(dòng)車組在靜置狀態(tài)下僅輔助系統(tǒng)工作，其容量在牽引變壓器總?cè)萘恐兴急壤^小，因此原邊繞組所需的勵(lì)磁電流較小。

主斷路器閉合瞬間，牽引變壓器處于空載狀態(tài)，繞組內(nèi)部僅有剩磁。由于鐵芯磁通不能突變，因此在建立穩(wěn)態(tài)磁場的同時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)非周期分量的磁通。剩磁、穩(wěn)態(tài)磁通、非周期分量磁通三者疊加會(huì)導(dǎo)致鐵芯內(nèi)磁飽和，一部分磁能轉(zhuǎn)化為勵(lì)磁涌流，從而產(chǎn)生過電壓。主斷路器斷開瞬間，由于其真空包滅弧能力極強(qiáng)，在電流尚未到達(dá)自然零點(diǎn)時(shí)，電弧熄滅，電流被迫截?cái)啵姼胸?fù)荷上剩余的磁場能就會(huì)轉(zhuǎn)化為電場能，從而引起截流過電壓[2]。

3.2 主輔分離牽引系統(tǒng)暫態(tài)過程分析

當(dāng)主斷路器閉合時(shí)，根據(jù)變壓器空載時(shí)電壓方程，原邊繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)完全由原邊電流建立，因此原邊側(cè)不會(huì)出現(xiàn)過電壓，而牽引繞組空載回路在勵(lì)磁涌流的作用下，感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)無處釋放從而產(chǎn)生了過電壓[3]。

當(dāng)主斷路器斷開時(shí)，原邊繞組內(nèi)磁通產(chǎn)生振蕩效應(yīng)，感應(yīng)出的電動(dòng)勢(shì)疊加在原邊繞組兩端，造成過電壓。而牽引繞組本身無電流，不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，即使原邊繞組存在截流過電壓，其感應(yīng)出的過電壓幅值也小于閉合時(shí)勵(lì)磁涌流所產(chǎn)生的過電壓[4]。

3.3 主輔一體牽引系統(tǒng)暫態(tài)過程分析

當(dāng)主斷路器閉合時(shí)，原邊繞組在鐵芯內(nèi)建立磁通，并在牽引繞組兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，雖然原邊繞組在勵(lì)磁涌流作用下產(chǎn)生了過電壓，但經(jīng)過中間充電電容、二次濾波電抗器的釋放，疊加到牽引繞組的過電壓較主輔分離結(jié)構(gòu)變壓器要小。另外，由于牽引繞組IGBT脈沖整流的過程中又再次產(chǎn)生勵(lì)磁電流，進(jìn)而在原邊繞組側(cè)感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，因此主輔一體結(jié)構(gòu)變壓器原邊繞組過電壓幅值較主輔分離結(jié)構(gòu)要高。

主斷路器主觸頭是一個(gè)氣動(dòng)元件，自發(fā)送斷開指令到主觸頭完全分離的過程中，牽引變流器IGBT整流模塊仍在進(jìn)行通、斷轉(zhuǎn)換，雖然牽引繞組在L、C濾波作用下未產(chǎn)生較大的截流過電壓（小于主輔分離結(jié)構(gòu)的變壓器），但原邊繞組所產(chǎn)生的截流過電壓則無處釋放（大于主輔分離結(jié)構(gòu)的變壓器）。

4 改進(jìn)措施

通過對(duì)實(shí)測(cè)波形及等效電路的分析，減小牽引系統(tǒng)操作過電壓的措施主要有兩種：一是減小干擾源（如：牽引繞組開路則無法在原邊感應(yīng)過電壓），二是設(shè)置過電壓泄放通路（如：主輔一體結(jié)構(gòu)變壓器牽引繞組過電壓幅值較?。Ｒ虼宋覀兺ㄟ^實(shí)時(shí)檢測(cè)電壓波動(dòng)的方式及時(shí)封鎖IGBT控制脈沖，一方面減小了IGBT開關(guān)通斷帶來的電流脈動(dòng)，另一方面二次濾波電抗器、中間電容也起到了良好的濾波作用。經(jīng)過實(shí)測(cè)驗(yàn)證：合閘時(shí)原邊繞組測(cè)得最高1.1倍過電壓，牽引繞組測(cè)得最高1.4倍過電壓；分閘時(shí)原邊繞組出現(xiàn)最高1.2倍過電壓，牽引繞組測(cè)得最高1.1倍過電壓，大大降低了過電壓幅值。

5結(jié)束語

綜上所述，經(jīng)對(duì)比分析可知：主輔分離、主輔一體牽引系統(tǒng)二者在操作過電壓方面各有優(yōu)缺點(diǎn)?？傮w而言主輔一體結(jié)構(gòu)的牽引系統(tǒng)性能比較優(yōu)良，也便于實(shí)時(shí)控制。結(jié)合二者優(yōu)點(diǎn)所改進(jìn)的IGBT脈沖控制算法，更是大幅減小了操作過電壓幅值，不僅有利于保護(hù)牽引系統(tǒng)內(nèi)各電氣元件，延長其使用壽命、優(yōu)化其電氣性能，同時(shí)也可以減小對(duì)接觸網(wǎng)的干擾，提高25kV電源品質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

[1]史丹.動(dòng)車組高壓系統(tǒng)操作過電壓及其抑制技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2015.

[2]李娜.電力機(jī)車系統(tǒng)電磁暫態(tài)過程研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2010.

[3]馬果，等.電力機(jī)車勵(lì)磁涌流仿真及其對(duì)公網(wǎng)影響分析[J].電氣化鐵道，2010（1）：1-4.

[4]張龍斌，等.切除空載線路過電壓matlab仿真研究[J].黑龍江科技信息，2015（15）：53.

作者簡介：侯小強(qiáng)（1982-），男，工程師，漢族，中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心電氣開發(fā)部。