[發明專利]雙流制電力機車在供電制式切換時牽引變壓器直流偏磁的消除電路及方法

有效

• 申請號: 201910633367.X
• 申請日: 2019-07-15
• 公開（公告）號: CN110239359B
• 公開（公告）日: 2023-03-31
• 發明（設計）人: 王穎杰;劉海媛;秦超;李山;陳帥;趙江杭;劉飛龍;楊照;粟昶博;郭文中;袁知動
• 申請（專利權）人: 中國礦業大學
• 主分類號: B60L15/00
• 分類號: B60L15/00;H02M1/12
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 秦秋星

本發明提供一種雙流制電力機車在供電制式切換時牽引變壓器中直流偏磁的消除電路及方法，包括牽引變壓器、四象限變流器、牽引逆變器和單調諧感應濾波裝置；單調諧感應濾波裝置包括電感L、功率管VT、二極管VD、電容C、PI控制器和開關S₅，二極管VD的負極和電容C串聯后與功率管VT并聯，功率管VT的源極接電感L的一端和二極管VD的正極，電感L的另一端接第二繞組，開關S₅與二極管VD并聯，PI控制器接功率管VT的柵極。本發明通過對單調諧感應濾波裝置的結構進行變換，相比于借助交流電按一定周期正反向不斷交替并逐漸衰減到零的去磁方法來說，只要系統的參數匹配恰當，就可以實現消除牽引變壓器鐵芯剩磁的目的。

技術領域

本發明涉及交直交供電系統中雙流制電力機車的牽引變壓器，具體是電力機車從直流供電制式向交流供電制式切換時牽引變壓器中直流偏磁的消除技術。

背景技術

隨著我國高速鐵路交通建設的快速發展，電力牽引憑借其高效、便捷、清潔的特點正在廣泛的應用于高速鐵路和城際鐵路等交通領域。目前，我國軌道交通的供電制式基本分為兩種：一種是用于高速鐵路和城際鐵路的25kV、50Hz的交流供電制式，另一種是用于城市軌道交通地鐵和輕軌的1.5kV(750V)的直流供電制式。為了解決軌道交通的互通互聯問題，減少大量的重復建設工程，降低電力機車牽引和城市軌道牽引綜合變電站的投資費用，多流制牽引供電系統應運而生。但是在直流供電制式下，多繞組牽引變壓器的牽引繞組充當平波電抗器的作用，此時流經高達數百安培的直流電流會使變壓器產生直流偏磁現象。若不進行處理，當電力機車從直流供電制式向交流供電制式切換時，牽引變壓器會由于剩磁的存在而產生很大的勵磁涌流，嚴重威脅電力機車的運行安全。

變壓器的直流偏磁現象指的是：直流電流流入到電力變壓器的繞組中，使變壓器的鐵芯偏磁，改變了變壓器的工作點。直流偏磁對電力變壓器帶來的危害有：(1)噪聲變大，變電站的噪聲主要是由變壓器帶來的，直流偏磁時變壓器的噪聲會增大到原來的幾倍甚至幾十倍。(2)振動加劇，變壓器本體的振動主要是硅鋼片磁致伸縮引起的鐵芯振動，磁通偏移使勵磁電流出現畸變，導致磁致伸縮加劇，變壓器振動加劇的問題比噪聲變大更為嚴重，強烈的振動會使變壓器相關零部件脫落，對變壓器的安全運行造成嚴重的威脅。(3)損耗增加，變壓器的損耗有磁芯損耗和繞組損耗，在直流電流的作用下，勵磁電流會增加，使變壓器的繞組損耗增加，同時變壓器的漏磁也會增加，時磁芯損耗增加。(4)電壓波形畸變，當鐵芯工作在深度飽和區時，勵磁電流發生畸變，漏磁通增加，主磁通呈現尖頂波形，使電壓波形畸變，會導致繼電保護裝置誤動作，導致電容器組和靜止無功補償裝置(SVC)過載，導致發電機局部過熱和機械振動，導致高壓直流輸電換流站末端交流濾波器過載。當系統中多臺變壓器同時遭受直流偏磁時，會造成系統總的無功需求大幅增加，系統電壓可能會出現嚴重波動，對系統的穩定運行造成威脅。

雙流制電力機車的牽引供電系統包括直流制式和交流制式，如圖1所示，當電力機車運行在交流工況時，電力機車通過交流受電弓從交流接觸網獲取交流電壓，經過車載變壓器將高壓交流電降壓成符合要求的電壓等級輸入到單相四象限變流器中，輸出直流電壓，然后通過牽引逆變器將直流電壓逆變成三相交流電供給牽引電機；當電力機車運行在直流工況時，電力機車通過直流受電弓從直流接觸網獲取直流電壓，經過變壓器的二次繞組直接給逆變單元提供直流電壓，即變壓器的二次繞組在直流工況下充當平波電抗器使用，實現了變壓器的多功能復用，提高了電力機車設備的利用率。中性段是電力機車在雙流制式下切換的過渡階段，為電力機車在直流工況切換到交流工況時消除變壓器中的剩磁留下時間裕度。

由于電力機車牽引變壓器中的直流偏磁現象不是由流入變壓器中性點的直流電流引起的，所以常用的直流偏磁治理方法：中性點串接電阻、中性點串接電容、中性點串接阻容等在多流制式電力機車中無法使用，當前用在多流制電力機車的去磁方法主要有直流去磁法和交流去磁法兩種，但是均需要產生幅值逐漸衰減的電流或者電壓的裝備，不利于節約電力機車車載牽引供電系統的資源配置。如何充分利用牽引傳動系統中原有的設備和元件實現去磁效果具有重要的工程和理論價值。

發明內容