第28卷第4期电力科学与技术学报Vol.28 No.42013年12月JOURNAL OF EIECTRIC POWER SCIENCE AND TECHNOLOGYDec.2013机车牵引变压器空载合闸励磁涌流特性分析曾耀吾，李晓松，陈萌2，张颜2，伍新2，安正洲2(1.长沙理工大学电气与信息工程学院，湖南长沙410004：2.株洲南车电机股份公司，潮南株洲412001)摘要：由于电力机车变压器铁芯的非线性特性及绕组中残留的剩磁，空载合闸时一次绕组易产生很大的励磁通流.数学模拟分析变压器空载合闸的瞬态过程，基于MATLAB/SIMULINK建立电力机车主变压器空载合懈的仿真模型，分析剩磁以及磁通对励磁涌流的影响.仿真结果与理论相吻合，为电力机车主变压器的保护，电磁设计与运行提供了重要的理论依据.关键词：电力机车主变压器：空载合闸；励磁涌流：剩磁中图分类号：TM743文献标识码：A文章编号：1673-9140(2013)04-0019-06Magnetizing inrush current characteristics of locomotivetraction transformer no-load switchingZENG Yao-wu',LI Xiao-song',CHEN Meng?,ZHAN Yan2,WU Xin2,AN Zheng-zhou?(1.School of Electrical and Information Engineering,Changsha University of Science and Technology,Changsha 410004.China:Abstract:An electric locomotives transformer will produce huge magnetizing inrush current in theprimary winding because of nonlinear characteristics of iron cores and residual magnetism ofwinds during no-load closing.In order to analyze the effects of residual magnetism and magneticfield on magnetizing inrush current,the mathematical model of relatively complex transientprocess was analyzed,and a simulation model for main transformers of electric locomotive wasestablished by MATLAB/SIMULINK in this paper.The simulation results consist with thethe-ory,which provide significant theoretical basis for the protection of main transformers of electriclocomotives and electromagnetic design and its operation system.Key words:transformers of electric locomotives;unload switched-on;magnetizing inrush current;residual flux随着铁路技术的迅速发展，电力机车已成为主核心部件之一，其性能的优劣对电气化铁路的运行要的交通运输工具.车载牵引变压器是电力机车的有着非常重要的影响.牵引变压器在运行中会经常收精日期：2013一09一24基金项目：湖南省自然科学基金(10刀5048)通讯作者：李晓松(1964一)，男，博士，教授，主要从事电变压器新技术，优化设计及电气设备节能运行的研究：E-mail yylix8骰盟纽20电力科学与技术学2013年12月性地受到振动，频繁地切入与退出，使得对其物理结构要求更严格.因此，对其内部的特性的分析也显得在变压器空载投入电源或外部故障切除后电压恢复过程中，当变压器铁芯里的剩磁与投人时电压产生的磁通共同作用时，会使铁芯中的磁通急剧增大，使铁芯瞬间饱和，由于铁芯材料具有非线性特图1单相变压空载合闸等效电路性，从而产生幅值很大的励磁电流一幻，称为励磁涌Figure 1 Equivalent circuit of single phase流.此时出现的电流可达到额定电流的4一8倍.从transformer no-load switching而会致使绕组变形)，对绝缘造成很大的影响[)，可能使变压器差动保护误动作解微分方程，得：笔者建立电力机车变压器空载合闸的数学模(6)型，并结合株洲电力机车有限公司研发350km/h动车组主变压器项目中子项目，建立其电力机车主式中中m为稳态磁链幅值：中，为铁芯剩磁链；T为变压器的仿真模型，对空载合闸的瞬态过程进行研变压器一次侧合闸回路时间常数.并且有等式成立，究.重点研究其电压幅值与剩磁对空载合闸时所产即生的励磁涌流的影响，同时对机车变压器短路电流LU进行仿真，分析机车变压器励磁涌流与短路电流各自的特性，为机车主变压器的参数设计、运行及其保=arctan(@L/r),护[)提供一定的理论指导.T=L/r.从式(6)中可以看出，暂态磁链中包含稳态交1电力机车空载合闸时的数学模型流分量与暂态直流分量两部分.稳态交流分量部分幅值为一定值，而暂态直流分量部分则与剩磁、合闸如图1所示，r:和L1分别为系统侧等效电阻初相角有关，并且按照一定的时间常数衰减和电感，”1。和L。分别为变压器的一次绕组漏电阻当暂态直流部分很大时，会让变压器铁芯达到和漏电感，r1m和L1m分别为变压器的励磁电阻和饱和状态，由于铁芯材料的非线性，当铁芯饱和时，励磁电感，回路电流为i,t=0时变压器空载合闸，其励磁电感就变的很小，从而产生比较大的涌流.此时设电压的相位角为α，其电路方程们为一般情况下合闸回路中的电抗值会远远大于回u.(1)=U (sin wt +a)=ri路的电阻值.为了便于分析，在合闸瞬间，可以忽略(1)回路中的电阻值，同时也可以不考虑变压器铁芯中(2)的磁滞现象对励磁涌流的影响).则式(6)可以化简为(3)(4)从式(7)可以得出，影响励磁涌流主要有3个式(1)~(4)中”为回路所有线性电阻之和；中为方面：1)当合闸初相角α=0°时，励磁涌流有最大峰器初级绕组：中，为变压器铁芯磁通，可以近似为励值，当合闸角α=90°时，励磁涌流有最小蜂值：磁电抗L1m产生的磁链.励磁电抗L1m为一非线性2)剩磁的大小和方向也是直接影响励磁涌流电感，可通过变压器励磁曲线折算得到，的主要因素之一，剩磁越小，励磁涌流的峰值也就越把式(2)~(4)代入式(1)中，可以得到磁链中小.当剩磁的方向与输入电压产生的磁通方向相反的微分方程：时，励磁涌流也会相应的减小：3)励磁电流还受输入电压幅值的影响，电压幅d(5)dt第28卷第4期曾耀吾，等：机车牵引变压器空载合闸励磁涌流特性分析21电阻是抑制励磁涌流的方法之一，文献[10]求出了该变压器中各个绕组的复合阻抗，可以把2个高压绕组等效为一个高压绕组模型，2电力机车主变压器空载合闸仿真使得其在Matlab建立的模型中可以很好地考虑到模型参数研究变压器中的剩磁.由株洲南车电力机车有限公司提供的具体参数2.1电力机车主变压器仿真模型的建立如表1所示.笔者针对株洲电力机车有限公司研发350km/h动车组主变压器进行励磁涌流仿真分析.该电力机车主变压器高压侧由2个绕组并联，低压侧由2个牵引绕组和1个辅助绕组组成，如图2所示，S,S2表示牵引绕组1，S,S,表示牵引绕组2，ab则表示辅助绕组，由于该机车变压器具有多个绕组，在Matlab中可以调用多绕组变压器模型仿真其结构特性，但却不能很好地考虑到变压器里的剩磁，因图2变压器的电路模型此，不能得到它的空载合闸暂态特性.Figure 2 Cricuit model of transformer表1变压器参数Table 1 The transformer parameters容量/额定额定一次侧短路阻二次侧3个绕组变压器变压器铁损变压器各(kV·A)电压/V电流/AHZ饱和特性绕组电阻3885/25000/154/X5=0.02619,[0,0:0.02,[500,0.9]取一个3585/1658/1006/500.36171.2:0.05,(仿真中剩磁极小值5004001300Xb=0.021261.52]的值可满)2.2空载合闸瞬态过程的特性分析分元件参数：电压额定值U,=25000V,电源内部在机车变压器空载合闸瞬态过程中，由于低压短路阻抗Z:=0.8931十j0.016612:增益模块侧没有接负载，故低压侧中没有电流，不产生电磁影响，并且该变压器各牵引绕组的容量、阻抗等各参数都相等，因此，笔者取低压侧一牵引绕组在Matlab/2.3仿真数据与结果Simulation模块中采用双绕组饱和变压器对电力机按照表1设定好电源、断路器、变压器的参数，车变压器进行仿真.建立电路模型，如图3所示，部把剩磁设为中，=0.9p.u.,在t=0s时合闸，得其仿真波形如图4所示.在正弦电压的作用下，在开始Continuouspowergui的0.25s内由于有励磁电流的存在，在第1个周期内，其峰值达到正常电流的4一6倍.随着励磁电流Three-PhaseSaturable的衰诚（其衰减系数与系统阻抗有关），其电流趋向Transformer于稳定的正弦波，合闸初始时刻电流波形发生了变形.从磁通波形图可以看出在合闸的一瞬间，磁通会Magnitude FFTMultimeterGainl急剧增加，而后随着时间的变化逐步衰减.合闸的瞬间，由于励磁涌流含有一定量的高次谐波，尤其是大量的二次谐波，使励磁涌流波形出现明显的单侧尖图3变压器空散合闹Matlab模拟仿真Figure 3 Transformer's no-load switching顶波.许多学者针对励磁涌流的这一特性，研究了区simulation model with Matlab别励磁涌流与短路电流的保护装置，