黄景光， 赵娇娇， 林湘宁,2， 申 涛， 罗亭然

(1. 梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室， 三峡大学， 湖北 宜昌 443002；2. 强电磁工程与新技术国家重点实验室， 华中科技大学， 湖北 武汉 430074)

1 引言

在高速铁路交流牵引供电系统中，电力机车由单相接触网供电，机车在运行过程中，每过25～50km就要进行分区换相[1,2]。地面开关式自动过分相区在地面设置传感器，将信号发送给控制系统，由地面开关操作完成电力机车过分相区。但由于采用真空断路器进行电分相切换，供电死区时间长[3]，而电力机车属于感性负载，真空开关合闸时，合闸瞬间主变压器可能产生较大的励磁涌流，从而引发变压器保护误动作等现象，这对牵引电网、机车变压器以及整个电力机车安全稳定运行都会造成不利影响[4,5]。

目前国内外对电力机车过分相区的暂态过程做了相关的研究[6-9]。针对机车主变压器产生合闸励磁涌流这一问题，文献[10]采用加装合闸电阻的方法，在地面开关转换之前将电阻接入，当系统稳定后再将电阻断开，从而达到抑制励磁电流的目的，但该方法不能从根本上完全抑制励磁涌流。文献[11]利用晶闸管串联阀组构成的电力电子开关、通过控制合闸角，实现地面切换时电压过零开通。文献[12]根据电压相位，确定电力机车变压器投入的最佳时刻，但由于各种因素的不确定性，实现合闸角刚好在某一时刻合闸难度较大，该方法不能起到很好的抑制效果。

为此，本文提出了一种静态开关控制的电力机车励磁涌流抑制技术。该技术通过控制静态开关分合来实现接触网与中性线的分合，并通过控制静态开关分合的时间，使机车在过分相区过程中，机车主变压器铁心磁通始终保持在一定范围内，不会超过产生励磁涌流所对应的磁通界限值，因此，机车出分相区静态开关合闸瞬间，机车主变压器不产生励磁涌流。最后，通过仿真验证了本文所提方法的可行性。

2 地面开关式自动过分相区励磁涌流机理分析

本文研究的地面开关式自动过分相区示意图如图1所示。真空开关K1、K2初始状态属于断开状态，当机车即将行驶到分相区时，开关K1闭合，中性线与供电臂A等电位；当机车进入分相区时，开关K1断开，经过短暂延时后，闭合开关K2，中性线与供电臂B等电位，机车实现了分区换相[13]。中间这一短暂延时使机车处于失电状态，机车主变压器电源侧绕组电压为零，开关K2闭合瞬间，电源侧绕组电压从零突然升高，由于机车主变压器剩磁的影响及主磁通不能突变等情况，可能会导致变压器铁心严重饱和，产生较大的励磁涌流。此时，机车主变压器一次绕组总磁通为[14]：

φ(t)=-Φmcos(ωt+α)+Φmcosα+Φr

(1)

式中，φ为磁通值(Wb)；-Φmcos(ωt+α)为其稳态分量；Φmcosα+Φr为其非周期分量；Φm为磁通幅值；α为合闸时电压相位；Φr为剩磁。

图1 地面开关式自动过分相区示意图Fig.1 Ground’s auto-passing neutral section

若不计剩磁的影响，开关K2合闸初相角为α=00时，磁通在合闸时最大可达到2Φm，大于饱和磁通，此时机车主变压器会产生较大的冲击性励磁涌流，可能会引发电力机车主变压器差动保护误动等[15]，给机车运行带来不利影响。

3 消除励磁涌流的方法及控制策略

3.1 消除励磁涌流的技术方法

本文所提方法利用电力电子技术，通过控制静态开关的分合时间实现中性线上电压的转换，从而实现电力机车无冲击过分相区。静态开关控制的电力机车励磁涌流抑制技术示意图如图2所示。整个系统主要由控制系统、静态开关、AD采样、比例运算放大器、电压互感器等构成。

图2 静态开关控制的电力机车励磁涌流抑制技术示意图Fig.2 Static switching control technique

机车在过分相区之前，电压互感器TV1、TV2分别检测供电臂A、供电臂B的电压，并将电压信息实时传输给控制系统。控制系统对该信息进行处理与判断，并根据判断结果，给静态开关发送相应跳闸或闭合的指令。当机车还未进入分相区时，控制系统根据采集的电压信息量对机车变压器的磁通进行分析判断。当机车进入分相区时，此时开关K1处于闭合状态，控制系统在变压器磁通过零点时刻，给静态开关K1发送跳闸命令，K1断开，短暂延时后，通过预判断，在机车由供电臂B电压供电时，变压器磁通过零点时刻，给静态开关K2发送闭合命令。开关K1在磁通过零点断开，K1断开后机车变压器铁心剩磁为零；开关K2在磁通过零点闭合，此时变压器磁通也为零，所以整个过程没有暂态磁通的产生，不会产生励磁涌流。

3.2 励磁涌流消除系统控制策略

3.2.1 静态开关控制策略

变压器电源侧励磁电流的大小取决于变压器铁心是否饱和及饱和程度，当铁心饱和后，励磁电流迅速增大，当电流增大到一定值时，形成励磁涌流。变压器近似磁化曲线如图3所示，其中Φsat为饱和磁通，Isat为对应的饱和电流。

图3 变压器铁心近似磁化曲线Fig.3 Magnetic hysteresis loop of transformer core

由图3可知，当控制静态开关K2在铁心磁通为零点合闸时，励磁电流iu很小，不会产生励磁涌流。但在实际运用中，由于控制系统及硬件设施的局限性，刚好在过零点完成分合是很难控制的。为了保证抑制系统的可靠性，可延伸到磁通过零点附近一定范围内完成静态开关的分合。

供电臂A电压供电时铁心磁通波形示意图如图4所示，设ΦAmax为K1可断开的时间范围所对应的磁通临界值。供电臂B供电时变压器铁心磁通波形示意图如图5所示，设ΦBmax为K2可闭合的时间范围所对应的合闸初始磁通临界值。

假设，当|φ|≤|ΦAmax|时，则满足开关K1断开的条件。由于要使变压器在过零点时能实现灭弧，静态开关K1需在磁通过零点之前断开，由图4可知，一个周期内的(t1，t2)、(t3，t4)时间范围内，静态开关K1均可断开。

图4 供电臂A电压供电时铁心磁通波形图Fig.4 Magnetic flux waveform of core when arm A is being charged

图5 供电臂B电压供电时铁心磁通波形图Fig.5 Magnetic flux waveform of core when arm B is being charged

由上述分析可知，只要确定ΦAmax、ΦBmax的值，则可确定开关K1断开与K2闭合的具体时间范围。

3.2.2 静态开关可合闸范围的确定

设机车在过分相区开关K2合闸时，变压器可允许的最大磁通为Φset，对应的励磁电流为Iset(见图3)。如果磁通大于Φset，则变压器会产生励磁涌流。设开关K2合闸时，机车变压器铁心总磁通为φ，有：

φ≤Φset

(2)

开关K1可断开时间范围内所对应的磁通临界值ΦAmax，即为开关K2合闸时变压器的最大剩磁，因此合闸时变压器铁心的非周期分量的最大值Φ0max为：

Φ0max=ΦAmax+ΦBmax

(3)

由式(1)可知，铁心稳态磁通分量最大值为Φm，因此变压器铁心总磁通的最大值φmax为：

φmax=Φm+ΦAmax+ΦBmax

(4)

由式(2)、式(3)得到ΦAmax、ΦBmax、Φset关系表达式为：

Φm+ΦAmax+ΦBmax≤Φset

(5)

由图3的磁化曲线可求出Φset与Iset函数表达式。设图3中ab段磁化曲线的斜率为kab，则ab段的斜率方程为：

(6)

式中，Δi为单位时间内的电流增量；ΔΦ为单位时间内磁通的增量。

由此推出变压器可允许的最大磁通Φset的函数表达式：

Φset=kab(Iset-Isat)+Φsat

(7)

由于Isat很小，可忽略不计，有：

Φset=kabIset+Φsat

(8)

Iset可根据变压器继电保护的整定值来确定。当励磁电流大于继电器的整定值Iset1时，变压器保护就会误动作，所以励磁电流可允许的最大值Iset不能超过继电器的整定值Iset1。

以变压器差动保护为例，继电器的整定值[16]一般为：

Iset1=(0.2～0.5)IN

(9)

式中，IN为流过变压器的额定电流。

则有：Iset≤Iset1，即

Iset≤(0.2～0.5)IN

(10)

为保证励磁涌流抑制系统的可靠性，本文以Iset1=0.2IN确定励磁电流可允许的最大值。最后由式(5)、式(8)得到ΦAmax、ΦBmax、Φset的具体关系表达式：

Φm+ΦAmax+ΦBmax≤kab(0.2IN)+Φsat

(11)

考虑到时间分配问题，为了不使K1可断开时间过短，而K2可合闸时间过长；或K1可断开时间过长，而K2可合闸时间过短，可令ΦAmax=ΦBmax。这样既保证了系统的可靠性，又降低了系统控制复杂度。

由于该励磁涌流抑制系统采集的是电压信息量，需根据电压与磁通的相位关系，确定开关合闸或断开时间范围内对应的电压相位。

设电压互感器TV1采集到供电臂A的电压uAC为：

uAC=Umsinωt

(12)

由于供电臂A与供电臂B的相位相差±60°，这里设电压互感器TV2采集到供电臂B的电压uBC为：

uBC=Umsin(ωt-60°)

(13)

根据电磁感应定律，变压器原绕组的感应电势e1与磁通φ的关系如下：

(14)

式中，N1为线圈匝数。

设主磁通的变化规律为：

φ=φmcosωt

(15)

式中，φm为主磁通的最大值。

由式(14)、式(15)可知：

(16)

由式(16)可知，感应电势在时间相位上滞后主磁通90°。

以K2合闸为例，假设计算出变压器铁心磁通为过零点及过零点附近±θ范围内时可合闸，则电压互感器TV2检测到供电臂B电压为峰值及峰值附近±θ范围则是K2合闸的范围。

考虑电力机车在实际运行中，当控制系统给静态开关发送跳闸或闭合命令时，静态开关动作有短暂延时，所以可根据实际测量得出静态开关动作的延时时间Δt，则控制系统发送命令的时间可根据实际情况提前Δt。

研究对象：中国矿业大学（北京）英语专业2015级能源英语班学生，在前两年英语专业学习的基础上，进行了为期一年的口译专业学习，并且全部通过英语专业四级（TEM-4）考试。参加人数18人，研究周期为17-18整个学年口译课。

为保证电力机车换相时，静态开关完成分合的精度，确保换相的精确性，则有：

tx=tn+Δt

(17)

式中，tx为静态开关实际分合时间；tn为给静态开关发送合闸命令对应的时间。当在tn时刻控制系统发送命令给静态开关，在tx时刻可确保机车刚好完成换相，其中，tn为变压器可合闸的时间范围内的任意时间值，此时可实现电力机车平滑过渡，不会产生励磁涌流。

4 仿真

为了验证本文所提出方法的正确性，本文以Matlab/Simulink为平台建立地面开关自动过分相区励磁涌流抑制技术系统仿真模型，分别对电力机车传统过分相区方法和采用地面开关式自动过分相区励磁涌流抑制方法进行仿真。仿真参数如表1所示。

表1 仿真参数Tab.1 Parameters of simulation system

4.1 K1断开、K2闭合时间范围的确定

通过表1仿真参数，计算得到Φset=1.73Φm，其中，变压器磁化曲线参数：[0，0；0.00024，1.2；1.0，1.52]，Φsat=1.2Φm，由式(6)得到kab为0.321A/Wb。所以理论上开关K2合闸时，变压器总磁通φ不能超过Φset，保守可取φmax=1.70Φm，则ΦAmax=ΦBmax=0.35Φm。通过大量仿真验证，确定合闸时变压器总磁通φ可以取为φmax=1.70Φm，所以只要K2合闸时变压器总磁通φ≤Φset，均可满足合闸条件。

在上述仿真参数下，通过计算可知，在磁通过零点附近±0.0012s可以实现静态开关控制的机车变压器励磁涌流抑制技术，即零点附近±20.8°都能满足合闸条件。但考虑到K1断开时，变压器过零点时要实现灭弧，所以K1断开的时间应为磁通过零点之前(0°，20.8°)范围内。K2闭合范围为零点附近±20.8°均可。在上述范围内对静态开关进行断开或闭合不会产生励磁涌流。一个周期中的铁心磁通波形图如图6所示。

图6 供电臂B电压供电时0.1834～0.2034s一个周期内铁心磁通波形图Fig.6 Magnetic flux waveform of core in one cycle when arm B is being charged

图6中，在0.1834～0.2034s这一个周期里，当|Φmax|≤0.35|Φm|时变压器都不会产生励磁涌流，对应时间段0.1872～0.1896s、0.1972～0.1996s内的值都满足K2闭合条件。

4.2 励磁电压、电流及磁通的仿真

励磁涌流抑制系统没有投运时，即不控制静态开关的分合时间，在任意某点进行换相，如开关在0.16s时断开K1，在0.1940s闭合K2，主变压器励磁电压u1、励磁电流iu及铁心磁通φ的波形如图7所示。

图7 未控制开关分合时间变压器励磁电压、励磁电流、铁心磁通波形Fig.7 Excitation voltage, current and flux waveform of transformer under uncontrolled-switching time

由图7可以看出，机车在进入分相区之前机车变压器电压u1与供电臂A电压uAC相等，0.16s当开关K1断开后，中性线处于失电状态，主变压器一次侧电压u1约为0，在0.1940s时闭合开关K2，机车变压器的电压为供电臂B电压uBC。在K2合闸时，磁通较大，波形发生了偏离。由图7的机车变压器励磁电流可见，机车出分相区合闸时，励磁电流幅值瞬间达到近600A，有很大的励磁涌流。

图8 控制开关分合时间时变压器励磁电压、励磁电流、铁心磁通波形Fig.8 Excitation voltage, current and flux waveform of transformer under controlled switching time

由图8可以看出，0.16s断开K1，0.1974s合上K2，此时磁通发生了一些偏离，但未完全偏离，没有产生励磁涌流，表明此时的铁心磁通没有达到Φset。

为了达到更好的抑制效果，可将范围减小，严格控制静态开关在零点附近闭合，此时的主变压器励磁电压u1、励磁电流iu及铁心磁通φ的波形如图9所示。

图9 控制磁通过零点开关分合时变压器励磁电压、励磁电流、铁心磁通波形Fig.9 Excitation voltage, current and flux waveform of transformer when controlled switching at the time 0

磁通过零点时，闭合开关K2，由图9可以看出，此时变压器励磁电流的幅值没有发生任何偏离，没有励磁涌流产生。

综上所述，当开关K2合闸时，变压器总磁通在φ≤Φset所对应的时间范围内，此时变压器不会产生励磁涌流，磁通过零点时抑制效果最好。当总磁通在φ>Φset所对应的时间范围时，则会产生冲击性励磁涌流。表明地面静态开关控制的电力机车励磁涌流抑制技术系统能够有效消除励磁涌流。

5 结论

本文针对电力机车过分相区时机车变压器产生合闸励磁涌流对机车和牵引网产生的不良影响，提出了由静态开关及电力电子元件组成的静态开关控制的电力机车励磁涌流抑制技术。通过控制静态开关分合的时间，来实现电力机车无冲击换相。经过分析和仿真，得到如下结论：

(1)提出的静态开关控制的电力机车励磁涌流抑制技术能够有效抑制电力机车主变压器励磁涌流的产生，提高了牵引系统和机车运行的稳定性和可靠性，避免了励磁涌流直流分量和高次谐波分量对牵引网电能质量造成的不良影响。

(2)本系统采用静态开关代替传统的真空开关，避免了真空开关分合的不精确性，通过准确控制开关时间，能够实现电力机车无冲击换相。

(3)本文提出的静态开关控制的电力机车励磁涌流抑制技术，中性线上一直处于带电状态，电力机车过分相区时，可确保电力机车不断电运行，确保了电力机车的运行速度，同时也避免了失电对电力机车造成的危害。

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