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高速動車組車載電壓互感器的過電壓在線監測方法

發布日期:2019-10-26   來源:《變頻器世界》19-08期   作者:高炳文(Gao Bingwen) 金鈞(Jin Jun)   瀏覽次數:947
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【摘   要】:目前鐵路動車組上的電壓互感器主要是電磁式電壓互感器,過電壓是發生大面積停電事故的主要原因之一。研發車載電壓互感器的過電壓在線監測系統,對運行中的設備狀態進行實時監測,對保障機車安全和鐵路運輸安全有重大意義。本文主要基于黑盒原理建立了監測系統整體二端口的傳輸參數模型,推導了矢量匹配法結合時域遞歸卷積的數值反演計算公式。應用該方法,在實驗室搭建了過電壓在線監測系統,通過對計算結果和測量數據的比較,驗證了該監測方法的可行性和計算方法的有效性。

 

  關鍵詞:電壓互感器;過電壓在線監測;矢量匹配法;遞歸卷積

 

 

1  車載電壓互感器的模型

PT的非線性模型首先要考慮的是鐵心的勵磁飽和非線性特性;另外一個要考慮的是隨著頻率的升高,處于高頻信號下的電壓互感器,在兩個導體或者電壓互感器繞組的電阻和電感中存在著分布的電氣耦合,這些電氣耦合表現出電容的特性,稱之為雜散電容;同時考慮鐵心的非線性特性,電壓互感器在高頻下的工作狀態和電壓互感器中繞組的電阻(表示銅損耗)和電感(表示漏電感),就得到了圖1所示的電路模型。

                                                       

1 電壓互感器的非線性模型

為了后續有關反演計算,根據密勒定律,將理想變壓器上的電容C12進行等效處理。圖1所示的模型變換為圖2所示的“梯形”電路模型。

                                                        

2  改進的電壓互感器模型

 

2  車載電壓互感器的傳輸參數模型

2.1  散射參數和傳輸參數

將電壓互感器看成一個雙口網絡,其散射參數是一種非常重要的端口參數。散射參數表示如圖3所示的二端口網絡的入射波和反射波之間的關系,用式(1)表示。

 

3 一般的二端口網絡

    

 

2.2  模型參數的計算

將理想變壓器中的二次側的電阻、電容和電感按照理想變壓器的變比折算到一次側,將線性的鐵心電阻和線性的鐵心電感取代非線性元件,組成一個線性網絡,得到圖4所示的電路模型,圖4中.為理想變器的變比。圖4所示的二端口網絡可以看成是5個二端口網絡的級聯,如圖5所示。

 

4 折算后的PT線性模型

 

 

5 級聯的PT模型

 

二端口網絡級聯時,利用網絡的傳輸參數汁算更為方便,分別列寫出這5個二端口網絡的傳輸參數矩陣:

 

 

4  實驗室驗證

在實驗室搭建該過電壓在線監測系統,所采用的PT型號為JDZX19-10G,10 kV,50 Hz,變比為100:1;二次電纜型號為KVVP22 4*1.5mm2,長1.65 m;分壓器的分壓變比為20:1;信號源有2個,分別是型號為EMS61000-5C的雷擊浪涌發生器和型號為HP33220A的任意波形信號發生器,采用Agilent示波器對時域測量波形進行數據采集。

為了證明監測方法的可行性,本文對電力系統中多種過電壓波形進行了驗證,在試驗PT的高壓側施加各種電壓波,由示波器來記錄PT一次側分壓器低壓側的電壓信號。

分壓器低壓側的電壓信號如圖6所示,其中圖6(a)是工頻電壓信號;圖6(b)是頻率為300Hz的諧振電壓信號;圖6(c)是波頭時間為140/16ms的操作過電壓信號,均由任意波形信號發生器產生;圖6(d)是波頭時間為1.2/50的雷電過電壓信號,由雷擊浪涌發生器產生。

 

a)施加工頻電壓時分壓器低壓側電壓波形

 

 

b)施加300Hz諧振電壓時分壓器低壓側電壓波形

 

c)施加操作過電壓時分壓器低壓側電壓波形

 

d)施加雷電過電壓時分壓器低壓側電壓波形

6  各種過電壓作用下分壓器低壓側電壓波形

 

利用Matlab編程,將測量得到的分壓器低壓側的電壓與二端口網絡的整體傳輸參數T中的電壓傳輸參數進行時域遞歸卷積,得到PT高壓側的電壓波形,并與上述測量得到的PT高壓側電壓波形進行對比,其對應結果分別如圖7所示。可以看出,用本文所提出的方法反算得到的一次側電壓與實測數據吻合;另該過電壓在線監測系統可以實現對工頻電壓、諧振電壓和操作過電壓信號的無畸變傳輸。

 

 

a)工頻電壓計算值與測量值對比圖

 

b)頻率為300Hz的諧振電壓計算值與測量值對比圖

 

c)操作過電壓計算值與測量值對比圖

 

d)雷電過電壓計算值與測量值對比圖

7  各種過電壓作用下計算值與測量值對比圖

 

5  結語

本文提出了一種基于PT傳輸特性的過電壓在線監測方法,并以10 kV電磁式電壓互感器為例進行了實驗驗證。該方法首先將PT、二次電纜和分壓器等二次設備看作相互級聯的二端口網絡,應用黑盒法建立了整個監測系統的頻域傳輸參數模型,然后推倒了時域遞歸卷積與矢量匹配法相結合的反演計算公式。多種過電壓波形的實驗和計算結果表明,該過電壓監測方法可對頻率范圍為幾十Hz到2 MHz的過電壓進行較為準確的在線監測,具有良好的發展前景。

 


   


 

 
 
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