摘 要：變壓器是地鐵電氣化區(qū)域走形軌道電路的重要組成部分。由于不平衡電流及變壓器本身結(jié)構(gòu)的影響，在運(yùn)行過(guò)程中變壓器會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)磁飽和問(wèn)題，而磁飽和會(huì)對(duì)地鐵列車運(yùn)行軌道上的傳輸信號(hào)造成影響。文章主要是以地鐵供電網(wǎng)所使用的扼流式變壓器做為背景介紹變壓器在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生磁飽和的原因、影響，以及提出有效的預(yù)防措施。

關(guān)鍵詞：磁飽和；變壓器；影響；措施

一、運(yùn)行中的變壓器產(chǎn)生磁飽和的原因

在地鐵車輛運(yùn)行的供電網(wǎng)區(qū)域，列車的牽引電流主要是由沖擊電流和穩(wěn)態(tài)電流組成。而在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的沖擊電流主要是由以下三方面原因造成：

第一，列車在滿載行駛的過(guò)程中通過(guò)升弓或者變換相位時(shí)會(huì)產(chǎn)生50Hz的短暫性沖擊電流；

第二，在天氣寒冷的時(shí)候，列車的接觸電網(wǎng)上會(huì)覆蓋著較多的冰凌，導(dǎo)致接觸電網(wǎng)出現(xiàn)不良，這個(gè)時(shí)候也會(huì)產(chǎn)生沖擊電流；

第三，由于列車在隧道時(shí)會(huì)高速運(yùn)行，逆變器產(chǎn)生較大的瞬時(shí)電流，以致變壓器的過(guò)流保護(hù)開(kāi)關(guān)和接觸器頻繁開(kāi)閉，導(dǎo)致沖擊電流頻繁產(chǎn)生，從而對(duì)變壓器的正常運(yùn)行造成很大影響。

正由于產(chǎn)生沖擊電流的原因比較多，以及受到列車行駛軌道供電網(wǎng)絡(luò)整體結(jié)構(gòu)和變壓器運(yùn)行狀態(tài)的牽制，變壓器在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，嚴(yán)重影響到列車軌道的電路信號(hào)的傳輸，而變壓磁飽和原因分為內(nèi)部原因和外部原因。

（一）磁飽和的內(nèi)部原因

在列車運(yùn)行的過(guò)程中，由于不同型號(hào)列車的牽引電流的傳輸方式不相同，走形軌道兩端的漏電流值和阻抗值也不一樣，導(dǎo)致在兩條軌道之間產(chǎn)生不平衡的電流。

由于線路所用的變壓器中間是帶抽頭的 48 匝的信號(hào)線圈和一個(gè) 16 匝牽引線圈，交變磁場(chǎng)變比為3：1（如下圖1所示），假設(shè)變壓器是運(yùn)行在平衡狀態(tài)下，兩個(gè)16匝線圈的流入和流出方向是相反的，由于列車在運(yùn)行過(guò)程中變壓器會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，且磁場(chǎng)之間在理論上是互相抵消的，但是變壓器這種理想的平衡運(yùn)行狀態(tài)在實(shí)際的使用過(guò)程中基本上很難做到，所以，如果列車在運(yùn)行過(guò)程中如果牽引電流不平衡，變壓器線圈的兩端就會(huì)產(chǎn)生電流差和干擾電壓，由于變壓器本身磁鐵芯的空隙比較小，而干擾電壓又是被直接施加到線圈上，電流差值（If）和干擾電壓值（Uf）是成正比關(guān)系，這樣就更容易使變壓器在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象。

（二）磁飽和的外在原因

沖擊電流是變壓器產(chǎn)生磁飽和的外因。沖擊電流會(huì)對(duì)列車走形軌道上的電路產(chǎn)生破壞作用，而變壓器由于受到磁芯電流偏差和外部的電流沖擊，在這個(gè)過(guò)程中就會(huì)產(chǎn)生平衡電流，變壓器就會(huì)出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象。變壓器在磁飽和狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，列車走形軌道上的電流值就會(huì)減小，且會(huì)影響到接觸網(wǎng)上電流信號(hào)的輸送，輸出的波形也嚴(yán)重失真，軌道上變壓器的繼電器也不能正常打開(kāi)或者關(guān)閉，從而使列車上的設(shè)備無(wú)法接收到有效的信號(hào)源，嚴(yán)重威脅到列車的安全行駛。磁飽和波形圖如圖2所示。

二、磁飽和對(duì)變壓器運(yùn)行的影響

（一）產(chǎn)生高發(fā)熱現(xiàn)象

變壓器工作在磁芯飽和狀態(tài)時(shí)，輸入端的電流會(huì)由于磁芯飽和而突然升高（不可控）導(dǎo)致燒毀原邊電路元件。而且此時(shí)不能夠順利傳輸能量給副邊。

（二）產(chǎn)生瞬時(shí)效應(yīng)

在變壓器處在瞬變負(fù)載狀態(tài)下時(shí)，輸入的電壓就會(huì)變高，而負(fù)載上的電流又比較小，如果這個(gè)時(shí)候負(fù)載上的電流急劇升高，則控制電路上的脈沖寬度就會(huì)變大，對(duì)變壓器上的功率進(jìn)行補(bǔ)充，輸入脈沖寬度和電壓值都會(huì)達(dá)到最大，即使這這個(gè)過(guò)程只是一瞬間，但變壓器也會(huì)出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，對(duì)電路造成破壞。

三、預(yù)防措施

預(yù)防變壓器在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)磁飽和，最有效的方法是如何去改善列車在運(yùn)行時(shí)牽引電流的不平衡問(wèn)題。從變壓器運(yùn)行的角度來(lái)看，主要有以下措施。

1）要保證列車的正常行駛，防止變壓器產(chǎn)生磁飽和，就必需配電維護(hù)部門從整個(gè)供電網(wǎng)系統(tǒng)的角度出發(fā)，和其它相關(guān)部門的技術(shù)人員相互配合，充分發(fā)揮各自部門的作用，保證變壓器是在正常的工作狀態(tài)下運(yùn)行。從供配電維護(hù)部門本身的角度對(duì)問(wèn)題進(jìn)行有效分析，列車走形軌道上的的阻抗和變壓器的運(yùn)行狀態(tài)有很大關(guān)聯(lián)。列車在行駛過(guò)程中發(fā)生晃動(dòng)時(shí)，變壓器上連接線的電阻的穩(wěn)定性就會(huì)變差，電阻變大，從而使列車走形軌內(nèi)部的牽引電流值出現(xiàn)不平衡。因此，在日常供電線路的維護(hù)過(guò)程中，對(duì)變壓器的連接線進(jìn)行檢修是很有必要的。

2）如果運(yùn)行的區(qū)段比較短，可以對(duì)走形軌道上的繼電器進(jìn)行緩放，保證變壓器上的翼板緩放時(shí)間控制在 0.5s-0.8s之間， 以便產(chǎn)生沖擊電流時(shí)，內(nèi)軌道上的繼電器不會(huì)錯(cuò)誤落下。

3）根據(jù)需要增加變壓器的鐵芯氣隙，這樣變壓器上鐵芯的磁化曲線和氣隙磁化直線就會(huì)有相互疊加的作用，從而對(duì)合成磁化曲線進(jìn)行延長(zhǎng)，降低了電阻值，使變壓器上的鐵芯很難出現(xiàn)飽和，降低走形軌道的電流不平衡現(xiàn)象。

4）在變壓器右翼處增加一個(gè)扼流用的適配器，這就變?yōu)?BES 扼流變壓器。

其原理如圖3所示：

扼流適配器主要是由 LC 振蕩電路組成，其諧振阻抗反射到軌道的阻抗大約為 0.02Ω，這等于 2 條軌道之間接 1 根線，在一定程度上降低了變壓器牽引線圈上的干擾電壓。但隨著變壓器氣隙的增大，阻抗變小，不利于列車電路線路的傳輸。因此，對(duì)變壓器的諧振電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)實(shí)際工作情況選項(xiàng)合適參數(shù)的扼流適配器，保證LC 振蕩電路上的容性阻抗和線圈的感性阻抗能組成并聯(lián)諧振電路，進(jìn)而提高設(shè)計(jì)電路的傳輸效率。

目前，地鐵系統(tǒng)上的變壓器大部分都是采用增開(kāi)氣隙和增加扼流適配器這兩種方法來(lái)預(yù)防電流不平衡造成變壓器產(chǎn)生磁飽和的問(wèn)題。同時(shí)也能改善列車軌道電路的平衡性，提高列車信號(hào)的傳輸效率，保證列車的正常運(yùn)行。

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作者簡(jiǎn)介：

黃發(fā)智（1989-），男，廣東湛江人，助理工程師，研究方向：電氣自動(dòng)化及其軌道交通應(yīng)用。