关键词：电压互感器；铁磁振荡；Matlab仿真

1 引言

随着近几年我国铁路建设的迅速发展，铁路运输越来越成为国民经济中的重要角色，特别是高速动车组、重载电力机车、地铁轻轨和城际列车等电力牵引装备，越来越与人们的生产生活密切相关，同时人们对铁路运营的要求和期望也越来越高，因此高效、安全、快捷已经成为铁路电力牵引运输装备最重要的发展要求。

电压互感器在动车组列车上有计量保护、功率测量和接触网网压测量作用，是动车组正常运行必不可少的电气设备，铁路等相关部门必须重视电压互感器故障所带来的问题。因此，研究电压互感器故障机理和防护措施，可以给动车组更安全、快速、有效运行提供一定的保障。 电压互感器的二次侧所接的负荷是阻抗很大的测量仪表和继电器线圈，因此，正常工作时接近于空载状态，而在空载状态下容易发生铁磁谐振。同时，笔者认为非线性的铁磁振荡带来的过电压和过电流同时作用可对电压互感器产生致命影响。因此，本文主要分析电力机车过分相过程对电压互感器的影响，总结当前引起列车互感器故障的主要原因。

2 动车组过分相模型搭建及过程分析

2.1 动车组过分相的数学模型

高速铁路过分相过程相对复杂，高速动车组断电通过电分相时，受电弓在不同位置多次与接触网的接触导线和中性线的接触导线发生瞬时接触和分离，七跨电分相示意图如图1所示。此时，系统会从稳态进入暂态过程。本文根据动车组受电弓在通过电分相时的不同位置，对过分相过程进行划分，以便对其进行分析。

图1 七跨电分相示意图

动车组等效模型分为正常运行与切断车上主断路器运行两部分。正常运行时动车组等效模型用一阻抗表示；切断主断路器后，动车组只剩下高压侧相关电路，因而用电阻、电感、电容并联表示高压侧对地参数。在上述等效电路的基础上，再考虑牵引变电所等效电源和等效阻抗，以及接触网和中性段间的相对电容，建立高速动车组过分相电路等效模型，如图2所示。

图2 动车组过分相等效建模示意图

机车进入中性区之前，将禁止双弓运行，机车司机要断开主断路器切断牵引负荷，此时供电臂的负载主要是接触网线路阻抗、电压互感器、高压电缆电容，我们可以将过分相的等值电路简化见图3。

图3 断开主断路器后的等值电路图

图3中R_C和L_C表示AT变压器励磁阻抗，R和L中包含AT变压器的等值漏抗和接触线的等值阻抗，C₁表示接触线的对地电容，C₂表示中性线的对地电容，C₁₂表示接触线与中性线间的耦合电容，C₃表示受电弓对机车车顶的电容和电缆对地电容，R_m和L_m表示电压互感器的励磁支路。

2.2 过分相铁磁振荡分析

供电臂通过耦合电容感应电压和互感器电压相位相近时，就会使互感器电压

幅值升高且持续存在，发生铁磁谐振。同时由于电压互感器铁芯材料的非线性特

性，导致放电回路有谐波产生；铁磁谐振的频率是由外部电源频率和放电回路参

数决定。

分相中性区出现铁磁振荡的示意图如图4所示。

图4 过分相中性区铁磁振荡图

假如断开时互感器铁芯流过电流i₀=I_m sinωt，电源电动势e(t)=E_m cosωt，断路器断开时i₀=I_m sinα，U₀=E_m cosα，则断开瞬间在电感和电容中所储存的能量分别为

能量在L、C_t在构成的回路中相互转化，在某一瞬间，全部电磁能量均变为电场能量，这时电容C_t上的电压U_m，根据能量守恒定律

振荡电压u(t)的表达式可从回路微分方程求解获。若略去回路损耗，回路的自振角频率为ω₀，断路器断开时刻可能发生在工频电流上升部分，也有可能发生在工频电流下降部分，二者的振荡电压表达式分别为：

外部电源通过耦合电容而产生的感应电压为：

                                                  (7)                                     

若u′与u(t)相位相近时，就会使u(t)幅值升高且持续存在，互感器就会发生铁磁谐振。同时由于互感器铁芯材料的非线性特性，导致放电回路有谐波产生。铁磁振荡的频率是由外部电源频率和放电回路参数决定。

3 过分相仿真

3.1 过分相仿真模型

首先，建立电压互感器模型，用电感串联电阻的模型代替铁芯电感和铜耗，不能反映互感器铁芯的饱和特性，增大仿真误差。动车组列车过分相的电气模型主要包括动车组、接触网和中性段三部分。接触网、中性段等效建模与电力线路的等值电路类似，动车组负荷用电阻、电感和电容等效。由此，过分相得仿真模型如图6所示。

图6 基于MATLAB动车过分相全过程仿真模型

设定仿真参数为：两端电源有效值为27.5kV，频率50Hz，电压互感器的饱和特性曲线由实测法设定，车顶电缆长度200米，根据分相绝缘区段的长度和动车过分相时的速度设置各断路器的动作时间。列车进入过分相在t=0.1s时主断路器0断开，切断牵引负荷；t=0.205s时断路器1闭合，受电弓通过电弧跨接左供电臂和中性区；t=0.265s时断路器2断开，相当于列车离开左供电臂，此时受电弓处于中性区，仅与中性线连接；t=1s时断路器3动作，受电弓逐渐离开中性区进入过渡段，逐渐与右供电臂相连。

3.2 仿真结果

仿真过分相全过程中，电压互感器一次绕组电压电流如图7所示。从图7可以看出，机车断主断路器，切断牵引负荷产生过电压，而且在分相中性区电压互感器发生铁磁振荡，一次侧绕组电压幅值已超过额定电压，互感器一次侧绕组流过的电流也明显增加。对电压互感器一次侧电压波形进行傅里叶分析，得到频率分布如图8所示。

图7 过分相压互一次绕组电流

图8 压互一次绕组电压FFT分析图

图8表明谐振频率低于工频，属于低频谐振，特点是过电压幅值不高，通常不大于2倍的额定电压，但是会产生额定电流几十倍以上的大电流，一次侧绕组工作电流的倍增使得互感器内部局部区域的温升迅速提高，反复的过电流会导致层间绝缘材料被逐步地破坏。互感器长期处于大电流工作状态同时还要承受切除牵引负荷产生的过电压冲击，二者同时作用会引发互感器烧损、爆炸等故障。

4 结语

动车组过分相过程中，处于中性区时，电压互感器发生铁磁谐振，振荡为低频振荡，电压互感器一次侧绕组中有大电流流过并在铁芯中产生交变的磁通，交变的磁通在绕组和铁芯中感应电动势，铁芯内部有涡流产生，产生热效应，产生的热量短时间内散不出去，就容易引起铁芯烧损。因此，电压互感器过分相时发生低频铁磁谐振带来的过电压和过电流，是导致动车组电压互感器故障的主要原因。