機車變壓器投入涌流和切出過電壓抑制裝置的研究

孫向瑞 王 歡

（1、黑龍江帕瓦節能環保科技有限公司，黑龍江 哈爾濱150000 2、黑龍江科技大學 電氣學院，黑龍江 哈爾濱150027）

1 概述

電力變壓器在空載投入時的涌流中含有廣譜的諧波；在切除時會產生過電壓，這不僅會污染電網、影響供電質量，也會對變壓器本體造成損傷。電力機車運行時，每6～10 分鐘就要過一次電分相[1]，當過分相采用車上控制方式時，主變壓器每次都要開合一次，涌流和過電壓的情況非常嚴重[2]。若能實現機車變壓器無涌流無過電壓投入與切除將大大減輕其危害并提高變壓器的使用壽命。

2 電力機車對電網的影響

電力機車采用單相供電，為了使電力系統三相平衡，牽引供電系統采用了分段換相的方法，稱為電分相，當列車速度為200公里/h 時，每6～10 分鐘要過一次電分相無電區，頻度較高[3]。機車如此頻繁地通過無電區，采用車上控制過電分相方法時，在通過分相區前后機車內要斷、合閘，每次都使機車的主變壓器產生操作過電壓和發生涌流。操作過電壓影響變壓器壽命；而涌流達額定電流的數倍，諧波含量很大，對電網造成嚴重干擾、對鐵路設備造成嚴重傷害，對系統的安全運行造成極大威脅[4]。因此，研究安全、可靠、穩定的自動過電分相方案，抑制變壓器涌流和過電壓是高速鐵路發展的迫切要求。

3 變壓器投入切除分析

3.1 變壓器空載投入涌流

在正常運行時，變壓器的空載電流為額定電流的1%左右，當變壓器的副邊處于空載狀態而把原邊繞組合閘接通電源時，發生在合閘瞬間的瞬變過程可使原邊繞組中的激磁電流急劇增長，有時會超過額定電流的3～7 倍[5]。設外加電壓按正弦規律變化，當電壓加到原邊繞組上時，原邊繞組中將產生瞬變磁通，此瞬變磁通的大小與合閘時刻有關。如果當電壓通過零值時合閘，則瞬變磁通的振幅最大，有

式中 ф1max-- 瞬變磁通最大振幅值；

ф0-- 變壓器鐵芯中的剩余磁通；

фm-- 穩態運行情況下鐵芯磁通振幅值。

一般變壓器在穩態運行時，主磁通фm已接近飽和，即工作點選擇在磁化持性曲線的拐彎處，在上述最不利的合閘瞬間，瞬變磁通振幅達到2фm以上，鐵芯達到嚴重飽和情況，相應的激磁電流也很大，可達到正常穩態激磁電流的幾十倍或額定電流的1.5～4 倍以上，諧波含有率極大，持續時間會長達數秒鐘之久，是電網中普遍存在的、頻繁發生的短時高值諧波電流；當電網的某次諧波阻抗為較大的容性阻抗時空投變壓器，很可能會發生諧波放大作用而導致嚴重的危險。

3.2 變壓器空載時的過電壓

圖1

圖1 是忽略了漏抗之后，變壓器空載運行的單相等值電路，其中LB為激磁電抗，CB為變壓器本身及連接導線之間的電容。在QF 未斷開前，電路在工頻電壓作用下，開關中流過的電流i為變壓器空載電流iL與電容CB中電流iC的向量和，因CB很小，可略去iC，即：

如果斷路器在工頻電流自然過零時熄滅電弧，這時電感上電壓UL和電容上電壓UC都恰好是工頻電壓最大值，熄弧時電感中貯存的磁能為零，電容CB很小貯存的電場能量有限，電容不可能從其它方面得到能量，故電容上電壓最大值不超過工頻電壓。

設斷路器開斷時iL的瞬時值為i0，電感和電容上的電壓為UL=UC=U0，則，LB和CB中貯存的能量各為：

當全部磁場能量轉變為電場能量時，電容CB上電壓電大值可由下式求得：

因CB很小，可略去截流時其中的電場能量，則可得

對于三相變壓器，一般的截流過電壓可以通過相間耦合影響到另一相的過電壓，在不利的情況下，如果耦合過來的電壓與原極性相同，則就會產生較高的過電壓。

4 采用開關變壓器技術投切空載變壓器

開關變壓器技術可以做到空載變壓器無涌流投入和無過電壓切除。

一次系統如圖2 所示，QF1、QF2、QF3為斷路器，T 為空載變壓器、TK為開關變壓器，空載變壓器T 投入前，QF1、QF2、QF3斷開。需投入空載變壓器T 時，TK二次可控硅處于斷開狀態，這時合上QF1與QF3，由于開關變壓器TK和空載變壓器T 串聯，故不會產生涌流。 系統控制框圖如圖2 所示：

圖2 控制框圖

QF1與QF3閉合后，系統控制調節可控硅使UK逐漸下降，當UK≈0、UT≈U 時，合上QF2，因QF2兩端電壓很小，不會有大的瞬變情況發生，然后斷開QF1與QF3，變壓器T 空載投入結束。當要切除空載變壓器T 時，首先合上QF1與QF3，系統調節可控硅使UK≈0，之后斷開QF2，QF2兩端電壓很小，不會有大的瞬變過程。系統控制關斷觸發信號，可控硅電流過零關斷，不會產生截流過電壓。再斷開QF1與QF3，變壓器T 空載切除結束。

5 結論

開關變壓器技術是從源頭上消除產生危害的條件，使涌流及過電壓不能發生，不僅消除了對電網及電氣化鐵道的影響，而且消除了對自身的傷害，能顯著提高設備壽命。

通過在某鐵路局對200kVA 電力變壓器進行了實際的投入切除驗證工作。變壓器參數為S=200kVA、UN=10kV、IN=11.55A，實現了變壓器的無涌流投入無過電壓的控制過程。