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采用高磁感电工钢带改善涌流影响技术研究

2024-11-01 73 上传者：管理员

摘要：在动车组执行过分相操作时，车载主变压器因为空载合闸会产生励磁涌流，这是引起网压互感器故障的主要原因之一。针对以上问题，本文通过采用高磁感取向电工钢为网压互感器铁心，首先经过分析得到该铁心材料可以有效减小内涌流的大小。然后利用Ansys Maxwell软件进行仿真验证，建立具有饱和特性的网压互感器有限元模型，最后考虑变压器励磁涌流对高磁感取向电工钢卷制铁心的网压互感器的影响。仿真结果表明使用高磁感取向电工钢，可以增大互感器容量，和应涌流幅值由32.91m A减小至19.38m A，在90k V过电压工况下热点温度由原来的112.3℃减小至90.7℃，有效提高互感器过负荷的能力。验证了理论分析的正确性，为动车组网压互感器的实际应用提供参考依据。

关键词：
VCB
励磁涌流
有限元分析
网压互感器
高磁感电工钢带
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由于高速铁路使用接触网进行供电，采用分相供电方式，不同供电区间之间存在电分相环节。目前，我国动车组在经过分相区时，由于动车组车载变压器投切的频率显然高于普通的电力变压器，车载主变压器一次侧励磁涌流现象频繁发生[1]。因为车载真空断路器（VCB）分合闸相位都是随机的，每次的空载合闸都会产生一定的励磁涌流。

根据姜泽岳等[2]的研究，动车组过分相过程中对车载电压互感器造成的影响最大，是造成互感器损坏的主要原因。而电压互感器的绝缘在过热或过电压时容易损坏，且绝缘损坏是不可恢复的。频繁过分相带来的过电压和过电流也会使得互感器温度升高，互感器长时间过热运行导致绝缘受损或加速绝缘老化，直至互感器烧损。绝缘损坏一旦发生，就会不断恶化，当累计损害到达一定程度时，就会引发行车事故。

目前，国内外对于车载主变压器合闸涌流的研究大多针对励磁涌流的特点与特征，采用外加设备的方法来抑制涌流，文献[3]分析涌流的特征来对励磁涌流与故障电流进行识别。文献[4]实测国内不同型号动车组牵引变压器空载合闸数据，分析不同角度合闸涌流特性，提出相控合闸可以有效抑制涌流。文献[5]通过对特定车网参数进行仿真，得出涌流的非特征次谐波会导致车网系统的谐振，电压严重畸变，影响车网安全。

所以深入探讨励磁涌流条件下网压互感器的运行特性具有重要意义。本文针对动车组主变压器空载合闸引发的励磁涌流对车载网压互感器的影响进行研究，构建网压互感器的有限元仿真模型，探究其励磁特性与饱和特性。

1、动车组网压互感器涌流产生原理

动车组在过分相时，断路器要进行一系列分闸合闸操作，保证机车不带电通过分相区。由于自动过分相装置，动车组在通过无电区时受电弓始终处于升起状态。

当断路器合闸时，如果接触网的电压相位为90°，变压器的铁心磁通将趋近于零。在这种情况下，如果不考虑变压器剩余磁通的影响，铁心能够平稳地建立稳态磁通，不会有励磁涌流的产生。然而当断路器合闸时接触网的电压相位为0°时，变压器铁心的稳态磁通分量将达到最小值，并且是负峰值。但是由于变压器磁通不能突变，铁心将产生一个非周期性的暂态磁通分量。如果不考虑这种暂态磁通分量的衰减，当接触网的相位为0°时合闸，将会产生较大的暂态磁通，导致变压器铁心饱和，磁阻迅速降低，从而产生一次侧较大幅值的励磁涌流。

车载主变压器合闸出现涌流后，和其并联的网压互感器受到影响不断积累负向偏磁，使得互感器在一段时间后会有一部分进入饱和区，由于互感器是负向积累偏磁，因此网压互感器只会发生负向饱和，产生的励磁电流方向和变压器涌流方向相反。

如图1所示，在车载变压器合闸之前，网压互感器正常工作。图中Us为牵引变电所电压，Rs、Ls为接触网电阻和电感，r1,L1,r2,L2分别为网压互感器与车载变压器的绕组电阻、电感。

图1 车载断路器合闸等效电路图

车载变压器空载合闸时，网压互感器已激磁，但还没有饱和，此时i2=0,is=i1，电压平衡方程为：

φ1为互感器的主磁链，在一个周期内对式（1）两边积分，得：

由上式可知，网压互感器中磁链的变化主要是由变压器中的电流i2和系统电阻Rs决定的，其中互感器每个周期的磁链增量为：

由式（3）可以看出，Δφ1为负，互感器磁链反方向逐渐增加达到饱和点。在没有达到饱和点之前，i1都非常小。由于交流分量在磁链φ1中的作用，即使φ1的非周期分量尚未完全饱和，仍有部分瞬时磁链超过了饱和点。因此在磁链的峰值处会产生涌流，有间断角。随着互感器磁链的继续反方向增大，涌流i1也越来越大，间断角减小。

当网压互感器中出现涌流之后，磁链φ1的变化则由i1和i2共同决定，此时互感器磁通变化量：

由于i1和i2的方向相反，所以i1的出现使得互感器磁链φ1反相增加的趋势减缓，其涌流为：

随着互感器磁链φ1反方向增大到最大，和应涌流i1也逐渐增大到最大。在这个暂态过程中可以看出，互感器中涌流与变压器励磁涌流是相伴产生的，并且互相作用直至稳态。之后公共点B点电压对称，无非周期分量，系统Rs阻尼作用消失，变压器和互感器涌流均靠自身的电阻衰减，直至稳态。

由于动车组主变压器的短路阻抗较大，所以其产生的涌流值相对于电力系统变压器的涌流较小，对于互感器所产生的涌流影响也相对较小。

长时间的涌流会使互感器的铁心过饱和，铁心磁饱和后磁导率减小，磁阻增大，互感器感抗大幅降低。由于电压钳制，励磁绕组产生的电流就非常大，是正常工作电流的几百倍[6]，这会让互感器的温度快速上升，加速互感器绝缘老化。

而且由于两台并联运行的变压器之间存在磁链的相互耦合，使得涌流的衰减速度变慢。长时间的电流偏置容易在接触网中产生持续的暂态谐波过电压，对同段其他列车的运行产生影响。

2、仿真建模

通过上文分析，动车组主变压器的励磁涌流，会使网压互感器发生和应现象，造成互感器的铁心过饱和，产生幅值很大的和应涌流。因此本节搭建电压互感器的有限元模型，分析励磁涌流冲击下电压互感器的励磁特性和饱和特性，验证理论分析的正确性。

依照高速动车组合闸理论机理，按照参数设定搭建外电路，图1中虚线框中部分为有限元建模部分。在磁场分析中，采用集中绕组参数建模，搭建JDZXW2-25J型互感器有限元模型如图2所示。

图2 网压互感器有限元建模

其中外侧为高压绕组，内侧为低压绕组，其技术参数如表1所示，动车组网压互感器的铁心一般采用单相双柱式的卷铁心结构，所以铁心材料一般由取向硅钢片卷制[7]，建模中材料选国产宝钢取向硅钢片B35G135。

表1 JDZXW2-25J型互感器技术参数

两动车组车载主变压器两个周期后在网压0°时合闸，互感器涌流波形图如图3所示。

图3 普通取向电工钢带的互感器涌流波形图

如图3所示，变压器产生的合闸涌流会引起电压互感器的和应涌流，最高峰值达32.91m A，远超过互感器的极限容量。由于互感器产生和应涌流的时间总是落后于空载合闸变压器励磁涌流产生的时间，合闸涌流与和应涌流间隔半个周期交替出现。若合闸涌流持续时间过长，使绕组和铁心温度快速升高，容易破坏互感器的绝缘。

3、采用高磁感取向电工钢带研究与仿真分析

采用高导磁的取向硅钢，此类材料的磁滞回线窄，矫顽力较小，饱和磁密较高，能够有效提升互感器的抗饱和能力[9]。国产的宝钢高磁感B35P135取向硅钢是具有高导磁率的取向硅钢，其饱和磁密达1.88T，使用此牌号的电工钢带能够有效降低铁心的工作磁密，增大互感器的容量。

根据理论分析设计的方案进行有限元法的仿真分析，采用高磁感取向电工钢B35P135卷制铁心，其他参数保持不变，动车组车载主变压器在网压0°合闸时，互感器涌流波形如图4所示。

图4 高磁感取向电工钢带的互感器涌流波形图

从仿真结果可以看出和应涌流幅值大大减小，在励磁涌流冲击下，高磁感取向电工钢卷制铁心互感器和应涌流幅值为19.38m A，在该互感器热极限容量内，减小了和应涌流对互感器的危害。

从网压互感器正常运行时的磁通量密度（B）分布可知，采用高磁感取向电工钢的电压互感器内部的磁场强度得到一定改善，磁通密度的最大值由1.762减小到1.751，磁通密度分布更为合理。

当车载变压器出现合闸涌流时，高磁感取向硅钢片相比普通取向硅钢片饱和特性更加良好，极大提升了互感器过负荷的能力。

依据现实状况，动车组的网压互感器以密封式设计置于车顶上。在进行仿真时，根据其实际运行环境来设定外部表面的换热系数，环境温度设为22℃，仿真结果如图5所示。

图5 普通取向电工钢带互感器温度场

由仿真结果可以看出，互感器在过电压运行时，互感器铁心和低压绕组温度明显高于其他部分，最高点温度达112.3℃。在铁心饱和运行时，磁阻非常大，磁滞损耗增加，加上电压互感器的低压绕组流过的电流更大，增加了绕组的损耗。而且车载网压互感器由环氧树脂浇注，散热能力较差，致使互感器内部产生温度容易集聚，使温度进一步加大。互感器由环氧树脂包裹会减少热量散发，引起热量的积累，进而使绝缘漆融化，最后引发互感器的爆裂[11]。

高磁感取向电工钢带因为饱和磁密大，不仅能够减小涌流冲击，而且能够降低过电压工作下互感器运行的损耗。当网压互感器受到合闸涌流冲击时，高磁感取向硅钢片不仅能够减小铁心损耗，降低发热量，而且能够拥有良好的初始温度，提高了网压互感器的绝缘寿命。采用高磁感取向电工钢的网压互感器温度分布如图6所示。

图6 高磁感取向电工钢带的互感器温度场

从仿真结果可以看出，当采用高磁感取向电工钢网压互感器过负荷能力，互感器在90k V过电压工况运行下温度有所改善，铁心温度最大值降为90.7℃。这将极大地提高互感器的工作寿命。

4、结论

为采用有限元法对动车组网压互感器在励磁涌流下的励磁特性进行分析，得出以下结论：

1）采用高磁感取向电工钢铁心的动车组网压互感器可以提高互感器的饱和磁密，和应涌流幅值由225.8m A减小至17.2m A。

2）采用高磁感取向电工钢，与普通取向硅钢片相比，在正常工况下温度变化不大，但在90k V过电压运行下，铁心热点温度由原来的112.3℃减小至90.7℃。

3）高磁感取向电工钢带卷制的铁心在正常工况下其内部的磁通密度分布更为均匀。

5、结束语

针对动车组合闸产生励磁涌流现象，容易造成网压互感器故障的问题，提出使用基于高磁感电工钢带卷制铁心，给出了有限元模型建模和励磁涌流基本原理，并对90k V过电压工况下进行验证。最终的仿真实验结果表明，使用高磁感电工钢带能够有效降低网压互感器的励磁涌流，减小互感器故障时的温度，极大地增加了互感器的工作寿命。

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文章来源:孙杰,金钧.采用高磁感电工钢带改善涌流影响技术研究[J].电器工业,2024,(11):42-46.