動車組車載網壓互感器故障原因分析

田賡

摘要：隨著近幾年我國鐵路建設的迅速發(fā)展，鐵路運輸越來越成為國民經濟中的重要角色，特別是高速動車組、重載電力機車、地鐵輕軌和城際列車等電力牽引裝備，越來越與人們的生產生活密切相關，同時人們對鐵路運營的要求和期望也越來越高，因此高效、安全、快捷已經成為鐵路電力牽引運輸裝備最重要的發(fā)展要求。

關鍵詞：動車組；車載網壓；互感器；故障原因；措施

電壓互感器在動車組列車上有計量保護、功率測量和接觸網網壓測量作用，是動車組正常運行必不可少的電氣設備，鐵路等相關部門必須重視電壓互感器故障所帶來的問題。因此，研究電壓互感器故障機理和防護措施，可以給動車組更安全、快速、有效運行提供一定的保障。電壓互感器的二次側所接的負荷是阻抗很大的測量儀表和繼電器線圈，因此，正常工作時接近于空載狀態(tài)，而在空載狀態(tài)下容易發(fā)生鐵磁諧振。同時，筆者認為非線性的鐵磁振蕩帶來的過電壓和過電流同時作用可對電壓互感器產生致命影響。因此，本文主要分析電力機車過分相過程對電壓互感器的影響，總結當前引起列車互感器故障的主要原因。

1電壓互感器概述

1.1電壓互感器的概念

眾所周知，電壓互感器的整個電力系統(tǒng)中最重要的設備之一。在本義上，電壓互感器只是一種連接設備，其主要作用在電力設備中一次電氣回路和兩次電氣回路中。此外，在主電網中，和用戶之間建立聯(lián)系也是靠著中壓配電設備，其設備的完善和發(fā)展對整個電網也起著至關重要的作用。隨著社會的發(fā)展，對于電壓互感器的要求也會越發(fā)嚴格。

1.2電壓互感器的類型

一般而言，變電站中電壓互感器主要有兩種：一種就是電磁式，還有一種是電容式電壓互感器。針對電磁式電壓互感器來說，是相對意義上較為傳統(tǒng)的一種，因為時代的進步，其性能已經不能滿足當下的電力行業(yè)的需求，而且本身上還存在著一些不足，如成本相對較高并且體積大不利于作業(yè)。所以這些都會對電磁式電壓互感器造成一定的不利影響。然而，電容式電壓互感器較之就有一定的優(yōu)勢。當前，主要使用的就是電容式。然而這種電壓互感器到目前為止使用期限并不長，所以，在實際應用中還是有很多故障和問題的發(fā)生。

2動車組過分相模型搭建及過程分析

2.1動車組過分相的數學模型

高速鐵路過分相過程相對復雜，高速動車組斷電通過電分相時，受電弓在不同位置多次與接觸網的接觸導線和中性線的接觸導線發(fā)生瞬時接觸和分離，七跨電分相示意圖如圖1所示。此時，系統(tǒng)會從穩(wěn)態(tài)進入暫態(tài)過程。本文根據動車組受電弓在通過電分相時的不同位置，對過分相過程進行劃分，以便對其進行分析。

動車組等效模型分為正常運行與切斷車上主斷路器運行兩部分。正常運行時動車組等效模型用一阻抗表示；切斷主斷路器后，動車組只剩下高壓側相關電路，因而用電阻、電感、電容并聯(lián)表示高壓側對地參數。在上述等效電路的基礎上，再考慮牽引變電所等效電源和等效阻抗，以及接觸網和中性段間的相對電容，建立高速動車組過分相電路等效模型，如圖2所示。

機車進入中性區(qū)之前，將禁止雙弓運行，機車司機要斷開主斷路器切斷牽引負荷，此時供電臂的負載主要是接觸網線路阻抗、電壓互感器、高壓電纜電容，我們可以將過分相的等值電路簡化見圖3。

圖3中RC和LC表示AT變壓器勵磁阻抗，R和L中包含AT變壓器的等值漏抗和接觸線的等值阻抗，C1表示接觸線的對地電容，C2表示中性線的對地電容，C12表示接觸線與中性線間的耦合電容，C3表示受電弓對機車車頂的電容和電纜對地電容，Rm和Lm表示電壓互感器的勵磁支路。

2.2過分相鐵磁振蕩分析

供電臂通過耦合電容感應電壓和互感器電壓相位相近時，就會使互感器電壓

幅值升高且持續(xù)存在，發(fā)生鐵磁諧振。同時由于電壓互感器鐵芯材料的非線性特性，導致放電回路有諧波產生；鐵磁諧振的頻率是由外部電源頻率和放電回路參數決定。

分相中性區(qū)出現(xiàn)鐵磁振蕩的示意圖如圖4所示。

假如斷開時互感器鐵芯流過電流i0=Imsinωt，電源電動勢e（t）=Emcosωt，斷路器斷開時i0=Imsinα，U0=Emcosα，則斷開瞬間在電感和電容中所儲存的能量分別為：

能量在L、Ct在構成的回路中相互轉化，在某一瞬間，全部電磁能量均變?yōu)殡妶瞿芰?，這時電容Ct上的電壓Um，根據能量守恒定律：

振蕩電壓u（t）的表達式可從回路微分方程求解獲。若略去回路損耗，回路的自振角頻率為ω0，斷路器斷開時刻可能發(fā)生在工頻電流上升部分，也有可能發(fā)生在工頻電流下降部分，二者的振蕩電壓表達式分別為：

外部電源通過耦合電容而產生的感應電壓為：

若u′與u（t）相位相近時，就會使u（t）幅值升高且持續(xù)存在，互感器就會發(fā)生鐵磁諧振。同時由于互感器鐵芯材料的非線性特性，導致放電回路有諧波產生。鐵磁振蕩的頻率是由外部電源頻率和放電回路參數決定。

3過分相仿真

3.1過分相仿真模型

首先，建立電壓互感器模型，用電感串聯(lián)電阻的模型代替鐵芯電感和銅耗，不能反映互感器鐵芯的飽和特性，增大仿真誤差。動車組列車過分相的電氣模型主要包括動車組、接觸網和中性段三部分。接觸網、中性段等效建模與電力線路的等值電路類似，動車組負荷用電阻、電感和電容等效。由此，過分相得仿真模型如圖6所示。

設定仿真參數為：兩端電源有效值為27.5kV，頻率50Hz，電壓互感器的飽和特性曲線由實測法設定，車頂電纜長度200米，根據分相絕緣區(qū)段的長度和動車過分相時的速度設置各斷路器的動作時間。列車進入過分相在t=0.1s時主斷路器0斷開，切斷牽引負荷；t=0.205s時斷路器1閉合，受電弓通過電弧跨接左供電臂和中性區(qū)；t=0.265s時斷路器2斷開，相當于列車離開左供電臂，此時受電弓處于中性區(qū)，僅與中性線連接；t=1s時斷路器3動作，受電弓逐漸離開中性區(qū)進入過渡段，逐漸與右供電臂相連。

3.2仿真結果

仿真過分相全過程中，電壓互感器一次繞組電壓電流如圖7所示。從圖7可以看出，機車斷主斷路器，切斷牽引負荷產生過電壓，而且在分相中性區(qū)電壓互感器發(fā)生鐵磁振蕩，一次側繞組電壓幅值已超過額定電壓，互感器一次側繞組流過的電流也明顯增加。對電壓互感器一次側電壓波形進行傅里葉分析，得到頻率分布如圖8所示。

圖8表明諧振頻率低于工頻，屬于低頻諧振，特點是過電壓幅值不高，通常不大于2倍的額定電壓，但是會產生額定電流幾十倍以上的大電流，一次側繞組工作電流的倍增使得互感器內部局部區(qū)域的溫升迅速提高，反復的過電流會導致層間絕緣材料被逐步地破壞。互感器長期處于大電流工作狀態(tài)同時還要承受切除牽引負荷產生的過電壓沖擊，二者同時作用會引發(fā)互感器燒損、爆炸等故障。

結論

動車組過分相過程中，處于中性區(qū)時，電壓互感器發(fā)生鐵磁諧振，振蕩為低頻振蕩，電壓互感器一次側繞組中有大電流流過并在鐵芯中產生交變的磁通，交變的磁通在繞組和鐵芯中感應電動勢，鐵芯內部有渦流產生，產生熱效應，產生的熱量短時間內散不出去，就容易引起鐵芯燒損。因此，電壓互感器過分相時發(fā)生低頻鐵磁諧振帶來的過電壓和過電流，是導致動車組電壓互感器故障的主要原因。

參考文獻

[1]秦志軍.基于電容分壓的電子式電壓互感器的研究[J].建筑工程技術與設計，2017（31）：1040-1041.

[2]徐鑫.電壓互感器的常見故障分析[J].硅谷，2017（3）：255-256.

（作者單位：北京鐵路集團天津動車客車段天津動車所）