动车组牵引系统操作过电压对比分析

摘 要：文章对比分析了两种不同结构牵引系统操作过电压特性，并对主断路器闭合、断开的暂态过程进行了探讨，最后给出了改进措施，大幅减小了牵引系统操作过电压幅值。

关键词：动车组；牵引系统；操作过电压；主辅分离；主辅一体

1 概述

动车组牵引系统是由许多电感、电容性元件所组成的复杂电路。主断路器闭合、断开的瞬间会使牵引系统从一种电磁状态过渡为另一种电磁状态，电磁能与静电能在感性与容性元件中以电路固有频率交替转化，以致使在牵引变压器一次绕组、牵引绕组上均出现过电压，称之为操作过电压[1]。

目前动车组牵引系统主要分为两类：一是主辅分离结构，其牵引变压器由牵引绕组、辅助绕组构成；二是主辅一体结构，牵引变压器只有牵引绕组，辅助系统自牵引变流器的中间电容取电。文章主要探讨两种结构牵引系统在主断路器闭合、断开瞬间所产生的操作过电压特性。

2 操作过电压实测波形及特性对比

动车组静置状态下闭合或断开主断路器，主辅分离牵引系统仅辅助绕组投入工作，牵引绕组与脉冲整流器之间处于断开状态，而主辅一体牵引系统则会投入脉冲整流器、中间电容、以及辅助逆变器。两种结构动车组过电压实测波形如下图所示（波形从上到下分别为牵引绕组1、牵引绕组2、原边绕组）：

（1）主辅分离牵引系统合闸时原边绕组没有出现过电压，牵引绕组测得最高3.2倍过电压；分闸时原边绕组出现最高1.2倍过电压，牵引绕组测得最高2.4倍过电压。

（2）主辅一体牵引系统合闸时牵引变压器原边绕组出现1.2倍过电压，牵引绕组测得最高2.5倍过电压；分闸时原边绕组出现1.7倍过电压，牵引绕组测得最高1.5倍过电压。

由此可以看出：对于原边绕组而言，分闸过电压幅值要大于合闸幅值，且主辅一体结构幅值较大；对于牵引绕组而言，合闸过电压幅值要大于分闸幅值，且主辅分离结构幅值较大。

3 等效电路暂态分析

3.1 暂态过程等效电路建模

动车组在静置状态下仅辅助系统工作，其容量在牵引变压器总容量中所占比例较小，因此原边绕组所需的励磁电流较小。

主断路器闭合瞬间，牵引变压器处于空载状态，绕组内部仅有剩磁。由于铁芯磁通不能突变，因此在建立稳态磁场的同时会出现一个非周期分量的磁通。剩磁、稳态磁通、非周期分量磁通三者叠加会导致铁芯内磁饱和，一部分磁能转化为励磁涌流，从而产生过电压。主断路器断开瞬间，由于其真空包灭弧能力极强，在电流尚未到达自然零点时，电弧熄灭，电流被迫截断，电感负荷上剩余的磁场能就会转化为电场能，从而引起截流过电压[2]。

3.2 主辅分离牵引系统暂态过程分析

当主断路器闭合时，根据变压器空载时电压方程，原边绕组的感应电动势完全由原边电流建立，因此原边侧不会出现过电压，而牵引绕组空载回路在励磁涌流的作用下，感应出的电动势无处释放从而产生了过电压[3]。

当主断路器断开时，原边绕组内磁通产生振荡效应，感应出的电动势叠加在原边绕组两端，造成过电压。而牵引绕组本身无电流，不会产生感应电动势，即使原边绕组存在截流过电压，其感应出的过电压幅值也小于闭合时励磁涌流所产生的过电压[4]。

3.3 主辅一体牵引系统暂态过程分析

当主断路器闭合时，原边绕组在铁芯内建立磁通，并在牵引绕组两端产生感应电动势，虽然原边绕组在励磁涌流作用下产生了过电压，但经过中间充电电容、二次滤波电抗器的释放，叠加到牵引绕组的过电压较主辅分离结构变压器要小。另外，由于牵引绕组IGBT脉冲整流的过程中又再次产生励磁电流，进而在原边绕组侧感应出电动势，因此主辅一体结构变压器原边绕组过电压幅值较主辅分离结构要高。

主断路器主触头是一个气动元件，自发送断开指令到主触头完全分离的过程中，牵引变流器IGBT整流模块仍在进行通、断转换，虽然牵引绕组在L、C滤波作用下未产生较大的截流过电压（小于主辅分离结构的变压器），但原边绕组所产生的截流过电压则无处释放（大于主辅分离结构的变压器）。

4 改进措施

通过对实测波形及等效电路的分析，减小牵引系统操作过电压的措施主要有两种：一是减小干扰源（如：牵引绕组开路则无法在原边感应过电压），二是设置过电压泄放通路（如：主辅一体结构变压器牵引绕组过电压幅值较小）。因此我们通过实时检测电压波动的方式及时封锁IGBT控制脉冲，一方面减小了IGBT开关通断带来的电流脉动，另一方面二次滤波电抗器、中间电容也起到了良好的滤波作用。经过实测验证：合闸时原边绕组测得最高1.1倍过电压，牵引绕组测得最高1.4倍过电压；分闸时原边绕组出现最高1.2倍过电压，牵引绕组测得最高1.1倍过电压，大大降低了过电压幅值。

5结束语

综上所述，经对比分析可知：主辅分离、主辅一体牵引系统二者在操作过电压方面各有优缺点。总体而言主辅一体结构的牵引系统性能比较优良，也便于实时控制。结合二者优点所改进的IGBT脉冲控制算法，更是大幅减小了操作过电压幅值，不仅有利于保护牵引系统内各电气元件，延长其使用寿命、优化其电气性能，同时也可以减小对接触网的干扰，提高25kV电源品质。

参考文献

[1]史丹.动车组高压系统操作过电压及其抑制技术研究[D].北京：北京交通大学，2015.

[2]李娜.电力机车系统电磁暂态过程研究[D].北京：北京交通大学，2010.

[3]马果，等.电力机车励磁涌流仿真及其对公网影响分析[J].电气化铁道，2010（1）：1-4.

[4]张龙斌，等.切除空载线路过电压matlab仿真研究[J].黑龙江科技信息，2015（15）：53.

作者简介：侯小强（1982-），男，工程师，汉族，中车青岛四方机车车辆股份有限公司技术中心电气开发部。