牽引電網(wǎng)過電壓產(chǎn)生機(jī)理及測試探究

馬晨陽 林燕舞 朱 娟

（1.鐵科縱橫（天津）科技發(fā)展有限公司，天津 301700；2.齊齊哈爾四達(dá)鐵路設(shè)備有限責(zé)任公司，黑龍江 齊齊哈爾 161002）

1 牽引電網(wǎng)中牽引變流器系統(tǒng)相關(guān)內(nèi)容分析

1.1 系統(tǒng)主要組成部分

市場上現(xiàn)行的牽引變流器主要由轉(zhuǎn)接線束及線束工裝車、試驗(yàn)臺及上位機(jī)系統(tǒng)構(gòu)成，為了確保企業(yè)能夠達(dá)到顯著的運(yùn)行效果，此處在進(jìn)行的絕緣試驗(yàn)應(yīng)用了南京長盛的CS99xxX-Nxx 系列產(chǎn)品，在積投入相關(guān)建設(shè)資金后，借助西門子PLC 作為控制單元，低壓電氣元件、高壓干簧繼電器等元件構(gòu)建相對完整的操作程序。

1.2 牽引變流器耐壓測試基本流程分析

（1）牽引變流器主要功能和軟件系統(tǒng)研究

牽引變流器是整個列車組的重要組成部分之一，大多數(shù)會被安裝在各類列車的最下方。在實(shí)際的應(yīng)用過程中，其主要會對直流制和交流制中的電能量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并結(jié)合接觸網(wǎng)內(nèi)部的1500V 直流電轉(zhuǎn)換為0V～1150V 的三相交流電，繼而通過一定的調(diào)壓調(diào)頻方式來對交流牽引機(jī)，進(jìn)行制動、調(diào)速處理。在電子電力技術(shù)不斷發(fā)展的大時(shí)代背景下，牽引變流器在軌道列車中也發(fā)揮著越來越重要的作用。其次，經(jīng)過相關(guān)人員開發(fā)和研制，通過IGBT、GTO、IPM 軟件來作為整個電壓驅(qū)動的全控型開關(guān)元件，在實(shí)際的運(yùn)用中，脈沖開關(guān)憑借著性能較好。損耗小、開關(guān)頻率高等特點(diǎn)受到研發(fā)人員一致認(rèn)可，牽引變流器主要在供電環(huán)節(jié)使用，主要由制動電阻、電阻制動器、PWM 逆變器及直流連接環(huán)節(jié)組成（見圖1）。

（2）絕緣耐壓測試

首先，應(yīng)將插頭U31X1、U32X1、U33X1 進(jìn)行有效連接處理，并及時(shí)對箱體、被測回路及與箱體連接的相關(guān)線路進(jìn)行全面的隔離開測試處理，在保證接地完整的基礎(chǔ)上，引進(jìn)先進(jìn)的耐壓測試儀器進(jìn)行全面的測試。其次，具體的測試耐壓調(diào)壓率應(yīng)按照≤ΔU/T=500V/s 逐步調(diào)高或下降，基本耐壓測試分析表見表1。值得注意的是，應(yīng)合理的確定上升調(diào)整時(shí)間、耐壓測試時(shí)間、下降調(diào)壓（V）時(shí)間，在試驗(yàn)準(zhǔn)備前，操作人員應(yīng)提前確定好每個試驗(yàn)環(huán)節(jié)的耗費(fèi)時(shí)間。再次，確保最終的試驗(yàn)結(jié)果最大漏電流I在可控范圍之內(nèi)。最后，當(dāng)相關(guān)回路測試結(jié)束后，應(yīng)將所有的測試線路歸于原處，為下一個回路測試順利進(jìn)行奠定夯實(shí)基礎(chǔ)。具體的測試時(shí)間和耐壓時(shí)間圖如圖2 所示。

（3）絕緣電阻測試

首先，應(yīng)將U31X1、U32X1、U33X1 插頭拔下，并保證被測回路與箱體、以及與箱體相連接的回路必須處于隔離開測試狀態(tài)。其次，當(dāng)進(jìn)行實(shí)際的絕緣電阻測試后，應(yīng)確保整體測試時(shí)間適中，一般為4s～5s 左右。最后，應(yīng)對SK1～SK5一次進(jìn)行測驗(yàn)。

1.3 牽引變流器概述及主要工作原理分析

（1）概述

交流異步電動機(jī)電源頻率和同步轉(zhuǎn)速的具體關(guān)系如公式（1）所示。

圖1 牽引變流器軟件應(yīng)用界面圖

表1 基本耐壓測試分析表

式中：n 代表電機(jī)整個轉(zhuǎn)速；f 代表供電頻率；p 代表電動機(jī)極對數(shù)；s 代表轉(zhuǎn)差率。

在對電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)速后，應(yīng)用半導(dǎo)體功率開關(guān)元件對變頻設(shè)備、變頻電源對異步電動機(jī)進(jìn)行調(diào)速。從實(shí)際的性能來講，計(jì)算公式如公式（2）所示[4]。

式中：U 代表電機(jī)電壓；E 代表電動勢；f代表電機(jī)定子繞組中感應(yīng)電動勢的頻率，與電源頻率f 相等，計(jì)量單位Hz；K 代表電機(jī)定子繞組的繞組系數(shù)，其值由繞組結(jié)構(gòu)決定，K<1；N代表電機(jī)定子繞組每相串聯(lián)的線圈匝數(shù)；φ 代表電機(jī)每極磁通。

在實(shí)際的調(diào)速管理中，應(yīng)確保U不變的基礎(chǔ)上，φ 和f成反比，即φ 增加，f隨之減少，此時(shí)牽引變流器的磁路應(yīng)處于飽和狀態(tài)，當(dāng)勵磁電流急劇上升時(shí)，鐵損也應(yīng)隨之上升，此時(shí)電機(jī)的功率因數(shù)逐漸下降，電機(jī)發(fā)熱效果和運(yùn)行功率也明顯下降，假如f逐漸上升，φ 就隨之減小，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值逐漸降低的同時(shí)，電機(jī)負(fù)載能力也相繼下降，由此可以看出，在對f進(jìn)行調(diào)整的過程中，還要對U進(jìn)行合理規(guī)劃，只有在電機(jī)運(yùn)行效果完好的基礎(chǔ)上，才能對變頻變壓電源進(jìn)行綜合調(diào)速管理。

（2）牽引變流器工作原理

牽引變流器通過合理的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將直流電轉(zhuǎn)換成頻率可變的交流電和相應(yīng)的電壓，并采用正弦脈寬調(diào)制（SPWM）方法，促使?fàn)恳兞髌鲗?shí)際的輸出波形酷似正弦波，在廣泛應(yīng)用于驅(qū)動異步電機(jī)后，達(dá)到無極調(diào)速效果。

圖2 測試時(shí)間和耐壓時(shí)間圖

2 牽引電網(wǎng)過電壓的工作機(jī)理

2.1 牽引電力機(jī)車

具體的牽引電網(wǎng)供電系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)機(jī)車具體型號適當(dāng)調(diào)整。產(chǎn)生大面積電容、電感、電阻現(xiàn)象是牽引電網(wǎng)中經(jīng)常出現(xiàn)的問題之一，牽引電網(wǎng)在運(yùn)行中同時(shí)也面臨轉(zhuǎn)動負(fù)荷壓力過大、變化波動明顯的不良后果。

2.2 牽引電網(wǎng)過電壓工作機(jī)理

（1）電力機(jī)車在行駛過程中產(chǎn)生的網(wǎng)端過電壓分析

電力機(jī)車的機(jī)械元件、受電弓等部位在和接觸線緊密連接期間，會在滑動期間產(chǎn)生明顯的受電情況。通過簡單的牽引電網(wǎng)運(yùn)行可以得知，求得回路總電感的計(jì)算如公式（3）、公式（4）所示。

式中：C 代表對地總電容；L 代表牽引電網(wǎng)饋電線長度；L代表整流變壓漏感器；l代表電力機(jī)車與電源端總體間距的饋線總長度；L代表單位長度接觸線電感；C代表對地電容量；C代表母線對地電容。

然而，受到外界客觀環(huán)境因素影響，電力機(jī)車在運(yùn)行期間可能會出現(xiàn)“跳弓”等不良情況，在伴隨斷弧和起弧時(shí)，可能導(dǎo)致機(jī)車變換器設(shè)備出現(xiàn)故障，具體來說，在處于通電狀態(tài)的起弧模式下，電弧的運(yùn)行參數(shù)會不斷下降，而一旦出現(xiàn)斷弧效應(yīng)時(shí)，電路系統(tǒng)會產(chǎn)生明顯波動，在產(chǎn)生相關(guān)電磁反應(yīng)后，饋電線電壓數(shù)值直接增加，計(jì)算公式如公式（5）所示。

式中：I代表電力機(jī)車電流數(shù)值由；U代表電動機(jī)反電勢由；U代表網(wǎng)端過電壓。

U可套用上述能量關(guān)系計(jì)算公式（4）求得。值得注意的是，如果是多臺電力機(jī)車同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，機(jī)車內(nèi)部的電力裝置會自動產(chǎn)生大規(guī)模的網(wǎng)端過電壓泄放回路現(xiàn)象。

（2）電力機(jī)車行程過程中受電弓端過電壓分析

當(dāng)電力機(jī)車的相關(guān)裝置出現(xiàn)電源斷開現(xiàn)象時(shí)，就會出現(xiàn)相應(yīng)的“跳弓”截流情況，在各電機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生電磁后，就會產(chǎn)生相應(yīng)的等效電路圖。其中，設(shè)電動機(jī)回路的等效電阻為R，等效電感為L，初始電流為I，電動機(jī)反電勢為U，對饋電線電容為C，受電弓對地電容為C。在實(shí)際的等效電路中，可以不對電阻R和C的數(shù)值進(jìn)行細(xì)致計(jì)算，如果將U設(shè)置為一個固定參數(shù)，則振蕩電壓u（t）的計(jì)算公式如公式（6）所示。

式中：t 代表時(shí)間。

（3）牽引電網(wǎng)操作電源開關(guān)過電壓

在進(jìn)行電源閘開關(guān)啟動時(shí)，研究人員在對電阻影響忽略后，可以得出公式（7）。

式中：u（t）代表電容電壓。

公式各個元素含義同上。假定進(jìn)行電源閘關(guān)閉啟設(shè)置時(shí)，即對牽引電網(wǎng)進(jìn)行載合關(guān)閉時(shí)，電動機(jī)的所有分支電路都會斷開連接，在電磁過程中的整體電壓為設(shè)定的2 倍。

（4）交流系統(tǒng)過電壓的影響

眾所周知，交流電網(wǎng)在供電過程中會形成牽引電網(wǎng)，而在電網(wǎng)運(yùn)行期間形成的過電壓流經(jīng)整流器設(shè)備時(shí)會對牽引電網(wǎng)造成極大影響。例如，如果形成三相橋式整流器供電的模式時(shí)，在牽引電網(wǎng)中產(chǎn)生的過電壓即為線路間過電壓，其基本電壓數(shù)值始終為整數(shù)，如公式（8）所示。

式中：u 代表過電壓；u，u，u代表線路內(nèi)部的過電壓。

3 牽引電網(wǎng)過電壓測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

牽引電網(wǎng)中的隨機(jī)信號和過電壓信號是對等的，在按照前文敘述的計(jì)算公式后，得出完整的系統(tǒng)數(shù)量運(yùn)行關(guān)系網(wǎng)。為了能夠達(dá)到國家設(shè)定的系統(tǒng)運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，科研人員應(yīng)密切關(guān)注牽引電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)，制造出先進(jìn)的分壓器-磁帶記錄設(shè)備，在聯(lián)系磁帶記錄儀提供的大量信號后，利用系統(tǒng)技術(shù)來優(yōu)化記錄儀的工作效率。

3.2 測錄信號回放處理分析

對當(dāng)前牽引信號和各類情況綜合收集匯總可以發(fā)現(xiàn)，電壓信號的形成原因有多種，此處簡單的介紹以下幾種回放處理設(shè)計(jì)內(nèi)容。首先，針對于磁帶記錄儀-記憶示波器回放系統(tǒng)，操作人員根據(jù)儀器設(shè)備內(nèi)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號，通過記憶示波器等設(shè)備來搜尋到相關(guān)電壓信號，在一系列的定量分析后，采用拍攝采集到相關(guān)電壓波形信號。

4 牽引電網(wǎng)過電壓測試及測試結(jié)果

4.1 測試項(xiàng)目及測錄

在對山西省臨汾市鄉(xiāng)寧和蒲縣附近諸多煤礦井內(nèi)的牽引電網(wǎng)進(jìn)行測試后，測試人員通過對電力機(jī)車受電弓側(cè)過電壓數(shù)據(jù)信息，對電力機(jī)車電源進(jìn)行啟停處理后，拉閘在電力機(jī)下呈現(xiàn)的反應(yīng)及電力機(jī)車行車中牽引電網(wǎng)饋電線的過電壓值進(jìn)行測試后，在空載情況下對合閘處理進(jìn)行測試，回放處理后，獲得牽引電網(wǎng)總的過電壓幅值和脈寬信息。

4.2 3種測試結(jié)果

首先，針對牽引電網(wǎng)的饋電線過電壓管理，尤其電力機(jī)車在實(shí)際行駛過程中，可能極易受到電壓荷載壓力影響。例如，電網(wǎng)過壓值可能在“截流”期間發(fā)生大幅度的變化，主要是由于電網(wǎng)負(fù)載壓力和電壓倍數(shù)存在一定聯(lián)系。

其次，在對電力機(jī)車受電弓過電壓進(jìn)行測試時(shí)，可以直接獲取50 次～60 次的“跳弓”截流過電壓信號，同樣，過電壓負(fù)載和倍數(shù)存在一定的聯(lián)系，基本保持在1.24～3.97，此時(shí)脈寬為0.47ms，整體振蕩頻率為1.12kHz。值得重點(diǎn)說明的是，電力機(jī)車在行駛期間如果出現(xiàn)反復(fù)的起弧現(xiàn)象，此時(shí)牽引電網(wǎng)內(nèi)部的燃弧效應(yīng)不會形成過電壓，并構(gòu)成完整的實(shí)錄波形圖。

最后，在牽引電網(wǎng)中進(jìn)行電源開關(guān)的操作時(shí)主要有以下2 種測試結(jié)果。第一，空載合閘過程中，在實(shí)際回放期間不會產(chǎn)生過電壓信號。第二，在拉閘期間，兩個網(wǎng)分別進(jìn)行20 次試驗(yàn)，回放期間都會存在振蕩電壓，整個衰減過程相對較快。對其中一個網(wǎng)進(jìn)行測驗(yàn)，其過電壓幅度最高可達(dá)7.4 倍，平均可達(dá)4.3 倍，脈寬2.32μs。另一個網(wǎng)的過電壓幅值最高可達(dá)6.1倍，平均達(dá)3.9 倍，脈寬1.72μs。

4.3 測試結(jié)論

首先，受電弓經(jīng)常出現(xiàn)“跳弓”情況時(shí)，電磁出現(xiàn)震蕩反應(yīng)主要是由于牽引電網(wǎng)中“跳弓”截流的位置造成的，基本的過電壓幅度不會高于4.1 倍，脈寬在1.1ms 左右，這些現(xiàn)象的產(chǎn)生基本會電網(wǎng)中系統(tǒng)配置參數(shù)有著直接聯(lián)系。

其次，一旦振蕩過電壓出現(xiàn)在牽引電網(wǎng)拉閘過程中，即表明整體的幅值倍數(shù)較高，在進(jìn)行此個操作環(huán)節(jié)時(shí)應(yīng)對電源進(jìn)行切斷處理。一旦故障發(fā)生后才會開始進(jìn)行跳閘，在實(shí)際的過電壓數(shù)據(jù)分析中可以不以此種過電壓現(xiàn)象作為參考依據(jù)。與此同時(shí)，當(dāng)交流系統(tǒng)中的過電壓通過整流器傳遞至牽引電網(wǎng)過電壓時(shí)，可以通過在電源測方設(shè)置吸收電路。

最后，在對電力機(jī)車電子裝置設(shè)計(jì)過程中，通過大量實(shí)踐證明，使用4 倍電源電壓、1.1ms 脈寬的過電壓設(shè)計(jì)阻波電路可以確保整個系統(tǒng)的過壓能力。

5 結(jié)語

工業(yè)企業(yè)管理人員應(yīng)順應(yīng)時(shí)代發(fā)展契機(jī)，在對牽引電網(wǎng)過電壓產(chǎn)生原理充分了解的基礎(chǔ)上，投入適量建設(shè)資金，引進(jìn)先進(jìn)的電力電子裝置，尤其是在應(yīng)用較多的城市交通軌道建設(shè)中，管理部門應(yīng)確保牽引電網(wǎng)安全穩(wěn)定的情況下，對電網(wǎng)系統(tǒng)中進(jìn)行過電壓檢測和絕緣檢驗(yàn)，在保證電力裝置性能良好的基礎(chǔ)上，拓展?fàn)恳到y(tǒng)應(yīng)用范圍，促進(jìn)社會的可持續(xù)發(fā)展。