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【摘 要】 高压电压互感器是机车行驶过程中重要的电气设备之一，对机车能否正常运行起关键性作用。然而机车经过分相区时高压电压互感器有时会发生铁磁谐振现象，针对铁磁谐振现象导致电压互感器烧毁情况进行原因分析，并提出应对此现象具体的预防措施。
【关键词】 电压互感器；铁磁谐振；原因分析；措施
1 引言
随着大批量的和谐型交流传动电力机车投入，很多车型的高压电压互感器发生炸裂故障，为了查找故障原因，有关权威部门组织开展了高压电压互感器工作环境测试工作。测出了相同的波形和接触网谐波大、网压幅值低频振荡、部分区域网压超高等现象。
TB/T3038-2002《电气化铁道50kV、25kV电压互感器》标准内容里没有对接触网的实际运行环境给出规范，例如就从频率角度来说，实际运行测试得出接触网交流电频率有12.5Hz、16.7Hz、25Hz、50Hz甚至更高，如果当初在互感器设计时没有考虑频率的多样性，在这种频率不确定的情况下对互感器铁心抗饱和能力和互感器承受过电压能力来说是一种考验。所以机车高压电压互感器设计时必须考虑复杂的特殊运行环境，确保其安全可靠运行。
2 互感器故障分析
通过对机车的运行数据测量结果看，引起高压电压互感器故障的主要原因是：
（1）网压偏高
多数区域的供电电压达到了30kV，甚至过压。
（2）供电网谐波含量大
在试验检测中，发现了明显含有2750Hz的谐波含量成份，不同区段谐波含量成份也不相同，检测中还发现了1700Hz的谐波电压。
（3）在过分相区时，经常发生低频高压铁磁振荡现象。
大部分区段机车运行至分相区时，会发生高压低频的铁磁振荡现象，引发电压互感器原边电流成十几倍甚至二十倍的增大，且工作时间较长。
在以上三点原因中，第三点是引起互感器故障的最根本原因。根据互感器铁心磁密计算公式，B=，式中et-绕组每匝电压，V；f-额定频率，Hz；Ac-铁心截面积，cm2。从公式可以看出频率对互感器铁心磁密的重要性，当设计时以50Hz为额定频率的话，假如机车过分相时遇到16.7Hz低频振荡，磁密就是额定50Hz时的3倍，如果当初设计时互感器铁心的抗饱和系数为额定磁密的2倍，那么此时互感器的铁心深度饱和，导致电压互感器原边电流成十几倍甚至二十倍的增大，因而烧毁互感器。其次当机车运行到接触网网压偏高和含有高次谐波的区域时，互感器内部绝缘承受过电压的冲击，由此产生的高电压也会对互感器安全性能产生一定的影响。
3 过分相谐振原因
为使电力系统三相负荷尽可能平衡，电气化铁道的接触网采用分段换相供电。为防止相间短路，各相间用空气或绝缘物分割，称为电分相。国内接触网上每隔20～25km就有一长约30m这样的供电死区，也叫分相区、换相区。
机车高压电压互感器为电磁式，它是整个系统中一个电感元件。正常运行时，1/2Li2是电压互感器中的储存能量，当机车进入分相区（无电区），电流减小，磁场能量减小，磁能转化为电能，即电压互感器向供电系统放还能量。机车高压供电电缆和电压互感器构成CL回路，当电路参数或电源频率同相，这时电压互感器就发生铁磁谐振现象。电压互感器谐振现象发生主要在机车过分相区时，并以低频高压振荡体现，谐振现象特点为：
（1）铁磁谐振均出现在机车过分相时的接触网中性区
（2）出现铁磁谐振现象时中性区接触网电压峰值约为26kV～43kV间。（不出现铁磁谐振现象时中性区接触网电压峰值约为4kV～8kV间）
（3）出现铁磁谐振现象时中性区接触网电压、互感器原边电流中主要为基波的1/3次谐波。
（4）出现铁磁谐振时电压互感器原边峰值电流可达274mA左右，而非谐振时电流约为10mA～30mA
为什么在机车过分相时会发生铁磁谐振现象呢？原因有以下几点构成：
（1）机车进入中性区主短路器分闸，牵引变压器与接触网分离。机车高压供电电缆以电压型式或机车PT以电流型式保持能量。
（2）机车高压供电电缆和机车PT构成L、C回路，上述（1）的能量在L、C回路形成振荡电流。
（3）接触网中性区两侧供电臂与中性区接触网形成电容耦合，向L、C振荡回路提供能量。
（4）由于PT铁心的非线性，导致L、C回路电流畸变。
（5）L、C回路振荡电流的频率，按照铁磁谐振的性质，由外部电源频率、和L、C回路参数决定，为外部电源频率的分数次谐波。
4 预防故障措施
4.1电压互感器自身电感值
机车过分相时未出现铁磁谐振过电压的电压互感器投入时过渡过程有以下原因：
（1）机车受电弓与带电接触网脱离瞬间，受电弓与带电接触网距离很小，二者间电容较大，带电接触网提供的能量使机车电压互感器有出现铁磁谐振的趋势，随着机车位置的移动，当中性区接触网与带电接触网之间通过感应的能量不足以维持铁磁谐振时，铁磁谐振趋势消失。
（2）铁磁谐振趋势消失后，机车高压电缆及电压互感器中以电压或电流型式存在的能量，以其L、C参数构成的回路迅速振荡衰减。
随机车运行位置形成的机车高压电缆、电压互感器过渡过程，反应了移动设备空间位置与电气参数的关系。
机车过分相时发生铁磁谐振的频率为f（电源频率）=fo=，谐振周期为To=2π。从两个公式可以看出，当互感器的自身電感量L比较大时，互感器的振荡周期就越大；当互感器的自身电感量L比较小时，互感器的振荡频率就越大。
所以说互感器的电感量L在选择上就是一个矛盾值，当L选择大了，即互感器发生谐振时振荡时间过长；当L选择小了，即互感器发生谐振时振荡次数过多。可见只要调节L，C或者电源频率都能使互感器发生谐振。 避免谐振发生，互感器在设计时L的选择要在两者之间，它是一个过渡值也是个经验值。
4.2电压互感器优化设计
1）在互感器外形尺寸允许的条件下，设计时应考虑到低频振荡，加大互感器铁心抗饱和系数。考虑到有12.5Hz的出现，应把饱和系数提高到额定频率50Hz时磁通密度的4倍，此时铁心不饱和并长期运行。
2）通过电磁计算，优化设计，选取导磁性能较高的硅钢片制作铁心，降低无电区运行时的铁耗、增大铁磁，从而降低振荡电流。
3）高次谐波对互感器的绝缘有破坏，通过以下2点优化互感器可以降低破坏影响程度。
（1）考虑到互感器内部适当的位置增加RC电路和消谐电抗，以降低原边谐波电流。
（2）采用耐热耐电压高的漆包线，提高其抵抗du/dt的能力。
（3）层间绝缘和树脂选择更优质的材料。
4.3抑制铁磁谐振
为了能够抑制无电区内电压互感器低频振荡的发生，采用以下措施改善互感器工作坏境。
1）采用互感器原边并联高压电阻，增加阻尼的方法来实现消除铁磁振荡现象。
2）在消谐电阻两端并联RC电路可以减少谐波电压造成的du/dt的增加。
3）在互感器原边绕组上串熔断器的同时，串入消谐电抗器。
总之，在高压侧采取适当措施，可大大改善互感器的工作坏境，提高产品的可靠性。
4.4结语
电气化电路供电系统特殊的复杂坏境铸就了互感器故障的发生，在这种情况下必须通过经验设计互感器内部结构提高其安全系数适应复杂的环境，并根据系统的实际运行数据对互感器做消谐措施保护，这样才能确保机车行车安全和牵引任务的顺利完成，提高我国铁路行业的机车质量。
参考文献：
[1]秦曾煌，电工学[M].北京：高等教育出版社，2004.
[2]肖荣耀，高祖绵.互感器原理与设计基础[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2002.
[3]张渊.10kV电压互感器高压熔断器熔断分析与措施[M].《北京电力高等专科学校学报：自然科学版》，2011年第28卷.
[4]謝兴中.电力机车过分相问题的探讨[J].上海铁道科技，2008年第一期.
【关键词】 电压互感器；铁磁谐振；原因分析；措施
1 引言
随着大批量的和谐型交流传动电力机车投入，很多车型的高压电压互感器发生炸裂故障，为了查找故障原因，有关权威部门组织开展了高压电压互感器工作环境测试工作。测出了相同的波形和接触网谐波大、网压幅值低频振荡、部分区域网压超高等现象。
TB/T3038-2002《电气化铁道50kV、25kV电压互感器》标准内容里没有对接触网的实际运行环境给出规范，例如就从频率角度来说，实际运行测试得出接触网交流电频率有12.5Hz、16.7Hz、25Hz、50Hz甚至更高，如果当初在互感器设计时没有考虑频率的多样性，在这种频率不确定的情况下对互感器铁心抗饱和能力和互感器承受过电压能力来说是一种考验。所以机车高压电压互感器设计时必须考虑复杂的特殊运行环境，确保其安全可靠运行。
2 互感器故障分析
通过对机车的运行数据测量结果看，引起高压电压互感器故障的主要原因是：
（1）网压偏高
多数区域的供电电压达到了30kV，甚至过压。
（2）供电网谐波含量大
在试验检测中，发现了明显含有2750Hz的谐波含量成份，不同区段谐波含量成份也不相同，检测中还发现了1700Hz的谐波电压。
（3）在过分相区时，经常发生低频高压铁磁振荡现象。
大部分区段机车运行至分相区时，会发生高压低频的铁磁振荡现象，引发电压互感器原边电流成十几倍甚至二十倍的增大，且工作时间较长。
在以上三点原因中，第三点是引起互感器故障的最根本原因。根据互感器铁心磁密计算公式，B=，式中et-绕组每匝电压，V；f-额定频率，Hz；Ac-铁心截面积，cm2。从公式可以看出频率对互感器铁心磁密的重要性，当设计时以50Hz为额定频率的话，假如机车过分相时遇到16.7Hz低频振荡，磁密就是额定50Hz时的3倍，如果当初设计时互感器铁心的抗饱和系数为额定磁密的2倍，那么此时互感器的铁心深度饱和，导致电压互感器原边电流成十几倍甚至二十倍的增大，因而烧毁互感器。其次当机车运行到接触网网压偏高和含有高次谐波的区域时，互感器内部绝缘承受过电压的冲击，由此产生的高电压也会对互感器安全性能产生一定的影响。
3 过分相谐振原因
为使电力系统三相负荷尽可能平衡，电气化铁道的接触网采用分段换相供电。为防止相间短路，各相间用空气或绝缘物分割，称为电分相。国内接触网上每隔20～25km就有一长约30m这样的供电死区，也叫分相区、换相区。
机车高压电压互感器为电磁式，它是整个系统中一个电感元件。正常运行时，1/2Li2是电压互感器中的储存能量，当机车进入分相区（无电区），电流减小，磁场能量减小，磁能转化为电能，即电压互感器向供电系统放还能量。机车高压供电电缆和电压互感器构成CL回路，当电路参数或电源频率同相，这时电压互感器就发生铁磁谐振现象。电压互感器谐振现象发生主要在机车过分相区时，并以低频高压振荡体现，谐振现象特点为：
（1）铁磁谐振均出现在机车过分相时的接触网中性区
（2）出现铁磁谐振现象时中性区接触网电压峰值约为26kV～43kV间。（不出现铁磁谐振现象时中性区接触网电压峰值约为4kV～8kV间）
（3）出现铁磁谐振现象时中性区接触网电压、互感器原边电流中主要为基波的1/3次谐波。
（4）出现铁磁谐振时电压互感器原边峰值电流可达274mA左右，而非谐振时电流约为10mA～30mA
为什么在机车过分相时会发生铁磁谐振现象呢？原因有以下几点构成：
（1）机车进入中性区主短路器分闸，牵引变压器与接触网分离。机车高压供电电缆以电压型式或机车PT以电流型式保持能量。
（2）机车高压供电电缆和机车PT构成L、C回路，上述（1）的能量在L、C回路形成振荡电流。
（3）接触网中性区两侧供电臂与中性区接触网形成电容耦合，向L、C振荡回路提供能量。
（4）由于PT铁心的非线性，导致L、C回路电流畸变。
（5）L、C回路振荡电流的频率，按照铁磁谐振的性质，由外部电源频率、和L、C回路参数决定，为外部电源频率的分数次谐波。
4 预防故障措施
4.1电压互感器自身电感值
机车过分相时未出现铁磁谐振过电压的电压互感器投入时过渡过程有以下原因：
（1）机车受电弓与带电接触网脱离瞬间，受电弓与带电接触网距离很小，二者间电容较大，带电接触网提供的能量使机车电压互感器有出现铁磁谐振的趋势，随着机车位置的移动，当中性区接触网与带电接触网之间通过感应的能量不足以维持铁磁谐振时，铁磁谐振趋势消失。
（2）铁磁谐振趋势消失后，机车高压电缆及电压互感器中以电压或电流型式存在的能量，以其L、C参数构成的回路迅速振荡衰减。
随机车运行位置形成的机车高压电缆、电压互感器过渡过程，反应了移动设备空间位置与电气参数的关系。
机车过分相时发生铁磁谐振的频率为f（电源频率）=fo=，谐振周期为To=2π。从两个公式可以看出，当互感器的自身電感量L比较大时，互感器的振荡周期就越大；当互感器的自身电感量L比较小时，互感器的振荡频率就越大。
所以说互感器的电感量L在选择上就是一个矛盾值，当L选择大了，即互感器发生谐振时振荡时间过长；当L选择小了，即互感器发生谐振时振荡次数过多。可见只要调节L，C或者电源频率都能使互感器发生谐振。 避免谐振发生，互感器在设计时L的选择要在两者之间，它是一个过渡值也是个经验值。
4.2电压互感器优化设计
1）在互感器外形尺寸允许的条件下，设计时应考虑到低频振荡，加大互感器铁心抗饱和系数。考虑到有12.5Hz的出现，应把饱和系数提高到额定频率50Hz时磁通密度的4倍，此时铁心不饱和并长期运行。
2）通过电磁计算，优化设计，选取导磁性能较高的硅钢片制作铁心，降低无电区运行时的铁耗、增大铁磁，从而降低振荡电流。
3）高次谐波对互感器的绝缘有破坏，通过以下2点优化互感器可以降低破坏影响程度。
（1）考虑到互感器内部适当的位置增加RC电路和消谐电抗，以降低原边谐波电流。
（2）采用耐热耐电压高的漆包线，提高其抵抗du/dt的能力。
（3）层间绝缘和树脂选择更优质的材料。
4.3抑制铁磁谐振
为了能够抑制无电区内电压互感器低频振荡的发生，采用以下措施改善互感器工作坏境。
1）采用互感器原边并联高压电阻，增加阻尼的方法来实现消除铁磁振荡现象。
2）在消谐电阻两端并联RC电路可以减少谐波电压造成的du/dt的增加。
3）在互感器原边绕组上串熔断器的同时，串入消谐电抗器。
总之，在高压侧采取适当措施，可大大改善互感器的工作坏境，提高产品的可靠性。
4.4结语
电气化电路供电系统特殊的复杂坏境铸就了互感器故障的发生，在这种情况下必须通过经验设计互感器内部结构提高其安全系数适应复杂的环境，并根据系统的实际运行数据对互感器做消谐措施保护，这样才能确保机车行车安全和牵引任务的顺利完成，提高我国铁路行业的机车质量。
参考文献：
[1]秦曾煌，电工学[M].北京：高等教育出版社，2004.
[2]肖荣耀，高祖绵.互感器原理与设计基础[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，2002.
[3]张渊.10kV电压互感器高压熔断器熔断分析与措施[M].《北京电力高等专科学校学报：自然科学版》，2011年第28卷.
[4]謝兴中.电力机车过分相问题的探讨[J].上海铁道科技，2008年第一期.