信號電源屏變壓器勵磁涌流原理分析

王志超

（天津鐵路信號有限責任公司，天津 300300)

1 概述

信號電源屏是為鐵路站內外信號設備供電的重要設備，是整個鐵路信號系統運行的心臟。隨著國內高速鐵路建設的發展，對鐵路運營安全提出更高要求，尤其對信號電源供電可靠性和安全性要求越來越嚴格。信號電源屏在設計時往往采用變壓器進行交流電源的隔離供電，但隨之而來的問題是在外電網斷電時，I、II 路外電輸入切換瞬間可能造成斷路器跳閘現象的出現。

2019 年4 月20 日，某城際鐵路A 站，發生轉轍機電源（信號電源屏中采用三相隔離變壓器供電）輸入斷路器跳閘現象。通過現場進行信號電源屏監測數據回調和功能測試，確定信號電源屏在外電網Ⅰ路輸入電源故障時進行輸入電源的兩路轉換，轉換到外電Ⅱ路輸入電源供電時，轉轍機電源的三相變壓器相當于瞬間斷電后再合閘，產生的勵磁涌流導致輸入斷路器跳閘，轉轍機電源停止輸出的現象。

2 轉轍機電源供電電路

A 站轉轍機電源供電電路如圖1 所示。

A 站電源屏已經正常開通運營，設備均正常運行，斷路器1QF、2QF、3QF 都處于閉合狀態。當Ⅰ路輸入電源斷電時，經過接觸器1KM 和2KM 的切換互鎖電路，自動轉換到Ⅱ路輸入電源工作，在Ⅱ路輸入電源介入瞬間，相當于對三相變壓器T 進行一次空載合閘，在合閘瞬間變壓器輸入側形成勵磁涌流，沖擊掉變壓器入口斷路器3QF，造成三相變壓器斷電停止工作。

圖1 A站變壓器輸入電路圖Fig.1 Input circuit diagram of transformer at station A

經過到A 站現場觀察測試，閉合斷路器3QF后，三相變壓器正常工作，輸出正常，問題消除。

3 變壓器勵磁涌流產生的原理

變壓器正常工作時，需要一定勵磁電流建立工作磁場。正常情況下此電流很小，一般不超過額定電流的3%～8%。當變壓器空載投入使用時，變壓器一次側會出現數值很大的沖擊電流，稱為勵磁涌流，其數值可達變壓器一次側額定電流的6 ～8 倍。[1]

變壓器在合閘瞬間產生勵磁涌流的大小，跟變壓器鐵芯中磁場的建立過程有關。假設變壓器輸入電壓為正弦電壓，即：

其中，UA、UB、UC——變壓器一次三相電壓；

Um——變壓器輸入電壓的最大值；

γ——變壓器合閘時的初相角。

以A 相為例，合閘瞬間變壓器的瞬時電壓u1與電壓有效值U1關系為：由于變壓器鐵芯具有磁飽和特性，空載電流i0與磁通的關系為非線性關系，當電壓降i0r1較小時，在計算過程中可忽略，如果不考慮剩磁，A 相電壓可簡化為可以推導出

4 斷路器脫扣特性

斷路器是能接通、承載以及分斷正常電路條件下的電流，也能在所規定的非正常電路（例如短路）下接通、承載一定時間和分斷電流的一種機械開關電器。斷路器的額定電流In 是斷路器在規定的環境溫度下不間斷工作的最大通過電流。[4-5]

脫扣特性曲線按照規律一般來說有4 種。

A 類曲線：脫扣器的脫扣電流為2 ～3 倍，適用于保護半導體電子線路，帶小功率電源變壓器的測量回路或者線路長且電流小的系統。

B 類曲線：脫扣器的脫扣電流為3 ～5 倍，適用于保護短路電流較小的負載。

C 類曲線：脫扣器的脫扣電流為5 ～10 倍，適用于配電保護線路以及具有較高接通電流的照明線路。

D 類曲線：脫扣器的脫扣電流為10 ～20 倍，適用于保護具有很高沖擊電流的設備，如電動機、變壓器、電磁閥等。

選取斷路器時，應滿足被保護設備的要求。根據負載性質選擇斷路器脫扣特性和額定值，輸入回路宜為額定電流的1.5 ～2 倍，輸出回路宜為額定電流的1.2 ～1.6 倍。[6]

A 站的轉轍機電源是三相變壓器供電，對于輸入回路而言，其斷路器負載為三相10 kVA 的變壓器，按照星形連接，經計算額定電流In 為15.2 A（設計額定電流16 A），按照標準可選用額定電流30 A 的斷路器，經過選型，選取D 脫扣特性的額定電流32 A 的斷路器，可滿足現場最大640 A 的電流沖擊。

5 變壓器與斷路器配合的合閘試驗

由于現場運行條件限制，不能在現場電源屏中進行空載合閘下的勵磁涌流試驗，因此采用在工廠內部進行模擬試驗，驗證以上理論分析。為了驗證試驗模型和計算方法的有效性，同時分析變壓器勵磁涌流的特性和影響因素，本文對信號電源屏使用的一種220 V 單相變壓器進行空載合閘試驗，模擬合閘瞬間產生的勵磁涌流。

試驗接線方式如圖2 所示。試驗輸入電源為交流單相220 V，50 Hz；變壓器容量2.6 kVA，額定電壓220 V，額定電流11.8 A，變比為1：1；采用FL-2型50 A75 mV 分流器；使用普源DS2102A（探頭1 M 衰減×10）的示波器進行勵磁涌流數據采集。

圖2 變壓器模擬沖擊試驗接線圖Fig.2 Transformer wiring diagram of simulated impact test

試驗方法：使用示波器采集變壓器額定輸入電壓U0下，分流器在斷路器QF 閉合瞬間由輸入勵磁涌流產生的電壓U1的波形，通過電壓比值計算變壓器勵磁涌流與額定電流的倍數關系。

試驗步驟如下。

1）使試驗變壓器達到額定狀態，記錄分流器兩端的電壓峰峰值，記作U0，試驗結果數據如圖3 所示。

圖3 分流器在額定狀態下的電壓峰峰值（U0=70 mV）Fig.3 Peak voltage (U0=70 mV) of shunt at rated condition

2）重復閉合QF 斷路器500 次，閉合1 s 后再次合閘，記錄分流器兩端產生的電壓峰值U1，試驗結果數據如圖4 所示。

3）數據分析篩選，選取其中50 組數據進行列舉，試驗數據如表1 所示。

4）數據計算，變壓器瞬間勵磁涌流峰值與額定電流的倍數關系推導如下。

表1 變壓器沖擊試驗數據Tab.1 Transformer impact test data

圖4 閉合斷路器瞬間分流器電壓峰值（U1=290 mV）Fig.4 Peak voltage (U1=290 mV) of instantaneous shunt of close circuit breaker

根據試驗數據可知，變壓器在合閘瞬間產生的勵磁涌流是額定電流的幾倍到幾十倍不等，試驗中測得最高為23.5 倍，考慮到無法測得所有情況，因此在電源屏進行轉轍機電源設計時，其輸入斷路器采用D 脫扣特性斷路器，抗沖擊范圍為10 ～20 倍額定電流，可滿足變壓器在空載合閘下的電流沖擊。[7-8]

6 結論和建議

針對現場產生的斷路器跳閘問題，需要對信號電源屏中變壓器和斷路器進行重新評估。根據試驗情況和查對鐵路相關行業標準，此站信號電源屏轉轍機電源變壓器輸入斷路器在設計時采用D 脫扣特性緩動型斷路器，額定電流32 A，滿足現場負載需求，但由于現場電壓波動，出現偶發跳閘現象。經過試驗和數據計算，制定整改方案和意見。

1）更換此站斷路器，把斷路器額定電流增大到40 A，可以增加理論最大160 A 的抗沖擊能力，減小現場出現外網波動尖峰的突發勵磁涌流造成的跳閘概率。

2）排查全線其他相同配置的車站，更換斷路器，避免線路上此問題的再次發生。

3）建議信號電源屏內變壓器的輸入浪涌電流限值：小于變壓器額定輸入電流有效值的10 倍。