信號(hào)電源屏變壓器勵(lì)磁涌流原理分析

王志超

（天津鐵路信號(hào)有限責(zé)任公司，天津 300300)

1 概述

信號(hào)電源屏是為鐵路站內(nèi)外信號(hào)設(shè)備供電的重要設(shè)備，是整個(gè)鐵路信號(hào)系統(tǒng)運(yùn)行的心臟。隨著國(guó)內(nèi)高速鐵路建設(shè)的發(fā)展，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)安全提出更高要求，尤其對(duì)信號(hào)電源供電可靠性和安全性要求越來越嚴(yán)格。信號(hào)電源屏在設(shè)計(jì)時(shí)往往采用變壓器進(jìn)行交流電源的隔離供電，但隨之而來的問題是在外電網(wǎng)斷電時(shí)，I、II 路外電輸入切換瞬間可能造成斷路器跳閘現(xiàn)象的出現(xiàn)。

2019 年4 月20 日，某城際鐵路A 站，發(fā)生轉(zhuǎn)轍機(jī)電源（信號(hào)電源屏中采用三相隔離變壓器供電）輸入斷路器跳閘現(xiàn)象。通過現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行信號(hào)電源屏監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)回調(diào)和功能測(cè)試，確定信號(hào)電源屏在外電網(wǎng)Ⅰ路輸入電源故障時(shí)進(jìn)行輸入電源的兩路轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換到外電Ⅱ路輸入電源供電時(shí)，轉(zhuǎn)轍機(jī)電源的三相變壓器相當(dāng)于瞬間斷電后再合閘，產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流導(dǎo)致輸入斷路器跳閘，轉(zhuǎn)轍機(jī)電源停止輸出的現(xiàn)象。

2 轉(zhuǎn)轍機(jī)電源供電電路

A 站轉(zhuǎn)轍機(jī)電源供電電路如圖1 所示。

A 站電源屏已經(jīng)正常開通運(yùn)營(yíng)，設(shè)備均正常運(yùn)行，斷路器1QF、2QF、3QF 都處于閉合狀態(tài)。當(dāng)Ⅰ路輸入電源斷電時(shí)，經(jīng)過接觸器1KM 和2KM 的切換互鎖電路，自動(dòng)轉(zhuǎn)換到Ⅱ路輸入電源工作，在Ⅱ路輸入電源介入瞬間，相當(dāng)于對(duì)三相變壓器T 進(jìn)行一次空載合閘，在合閘瞬間變壓器輸入側(cè)形成勵(lì)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(jīng)過到A 站現(xiàn)場(chǎng)觀察測(cè)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(lì)磁涌流產(chǎn)生的原理

變壓器正常工作時(shí)，需要一定勵(lì)磁電流建立工作磁場(chǎng)。正常情況下此電流很小，一般不超過額定電流的3%～8%。當(dāng)變壓器空載投入使用時(shí)，變壓器一次側(cè)會(huì)出現(xiàn)數(shù)值很大的沖擊電流，稱為勵(lì)磁涌流，其數(shù)值可達(dá)變壓器一次側(cè)額定電流的6 ～8 倍。[1]

變壓器在合閘瞬間產(chǎn)生勵(lì)磁涌流的大小，跟變壓器鐵芯中磁場(chǎng)的建立過程有關(guān)。假設(shè)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(shí)的初相角。

以A 相為例，合閘瞬間變壓器的瞬時(shí)電壓u1與電壓有效值U1關(guān)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(guān)系為非線性關(guān)系，當(dāng)電壓降i0r1較小時(shí)，在計(jì)算過程中可忽略，如果不考慮剩磁，A 相電壓可簡(jiǎn)化為可以推導(dǎo)出

4 斷路器脫扣特性

斷路器是能接通、承載以及分?jǐn)嗾ｋ娐窏l件下的電流，也能在所規(guī)定的非正常電路（例如短路）下接通、承載一定時(shí)間和分?jǐn)嚯娏鞯囊环N機(jī)械開關(guān)電器。斷路器的額定電流In 是斷路器在規(guī)定的環(huán)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(guī)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(hù)半導(dǎo)體電子線路，帶小功率電源變壓器的測(cè)量回路或者線路長(zhǎng)且電流小的系統(tǒng)。

B 類曲線：脫扣器的脫扣電流為3 ～5 倍，適用于保護(hù)短路電流較小的負(fù)載。

C 類曲線：脫扣器的脫扣電流為5 ～10 倍，適用于配電保護(hù)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(hù)具有很高沖擊電流的設(shè)備，如電動(dòng)機(jī)、變壓器、電磁閥等。

選取斷路器時(shí)，應(yīng)滿足被保護(hù)設(shè)備的要求。根據(jù)負(fù)載性質(zhì)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(zhuǎn)轍機(jī)電源是三相變壓器供電，對(duì)于輸入回路而言，其斷路器負(fù)載為三相10 kVA 的變壓器，按照星形連接，經(jīng)計(jì)算額定電流In 為15.2 A（設(shè)計(jì)額定電流16 A），按照標(biāo)準(zhǔn)可選用額定電流30 A 的斷路器，經(jīng)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(xiàn)場(chǎng)最大640 A 的電流沖擊。

5 變壓器與斷路器配合的合閘試驗(yàn)

由于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件限制，不能在現(xiàn)場(chǎng)電源屏中進(jìn)行空載合閘下的勵(lì)磁涌流試驗(yàn)，因此采用在工廠內(nèi)部進(jìn)行模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證以上理論分析。為了驗(yàn)證試驗(yàn)?zāi)Ｐ秃陀?jì)算方法的有效性，同時(shí)分析變壓器勵(lì)磁涌流的特性和影響因素，本文對(duì)信號(hào)電源屏使用的一種220 V 單相變壓器進(jìn)行空載合閘試驗(yàn)，模擬合閘瞬間產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流。

試驗(yàn)接線方式如圖2 所示。試驗(yàn)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(jìn)行勵(lì)磁涌流數(shù)據(jù)采集。

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

試驗(yàn)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(lì)磁涌流產(chǎn)生的電壓U1的波形，通過電壓比值計(jì)算變壓器勵(lì)磁涌流與額定電流的倍數(shù)關(guān)系。

試驗(yàn)步驟如下。

1）使試驗(yàn)變壓器達(dá)到額定狀態(tài)，記錄分流器兩端的電壓峰峰值，記作U0，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如圖3 所示。

圖3 分流器在額定狀態(tài)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(fù)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(chǎn)生的電壓峰值U1，試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)如圖4 所示。

3）數(shù)據(jù)分析篩選，選取其中50 組數(shù)據(jù)進(jìn)行列舉，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1 所示。

4）數(shù)據(jù)計(jì)算，變壓器瞬間勵(lì)磁涌流峰值與額定電流的倍數(shù)關(guān)系推導(dǎo)如下。

表1 變壓器沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)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(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，變壓器在合閘瞬間產(chǎn)生的勵(lì)磁涌流是額定電流的幾倍到幾十倍不等，試驗(yàn)中測(cè)得最高為23.5 倍，考慮到無法測(cè)得所有情況，因此在電源屏進(jìn)行轉(zhuǎn)轍機(jī)電源設(shè)計(jì)時(shí)，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(jié)論和建議

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生的斷路器跳閘問題，需要對(duì)信號(hào)電源屏中變壓器和斷路器進(jìn)行重新評(píng)估。根據(jù)試驗(yàn)情況和查對(duì)鐵路相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，此站信號(hào)電源屏轉(zhuǎn)轍機(jī)電源變壓器輸入斷路器在設(shè)計(jì)時(shí)采用D 脫扣特性緩動(dòng)型斷路器，額定電流32 A，滿足現(xiàn)場(chǎng)負(fù)載需求，但由于現(xiàn)場(chǎng)電壓波動(dòng)，出現(xiàn)偶發(fā)跳閘現(xiàn)象。經(jīng)過試驗(yàn)和數(shù)據(jù)計(jì)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(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)外網(wǎng)波動(dòng)尖峰的突發(fā)勵(lì)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(fā)生。

3）建議信號(hào)電源屏內(nèi)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。