CN101666837A

CN101666837A - 牵引变压器故障在线预警系统

Info

Publication number: CN101666837A
Application number: CN200910044325A
Authority: CN
Inventors: 陈特放; 余明扬; 唐建湘; 黄采伦; 陈庶; 王靖
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2009-09-11
Filing date: 2009-09-11
Publication date: 2010-03-10

Abstract

本发明提供一种牵引变压器故障在线预警系统，其特征在于，包括工控机、PLC、主电路和试品，所述的工控机、PLC、主电路和试品依次串接；所述的工控机和主电路之间还设有保护电路；所述的主电路由电源开关柜、低压开关柜、高压开关柜、调压器、试验变压器及电压电流互感器组成。该系统能为牵引变压器进行综合状态在线测试和预警，以保障牵引变压器各项指标正常，运行可靠。

Description

牵引变压器故障在线预警系统

技术领域

本发明属于电力机车设备监控技术领域，具体涉及一种牵引变压器故障在线预警系统。

背景技术

电力机车变压器的测试项目多，并有相应的控制要求和不同的控制精度。过去在系统结构上一直采用中间继电器和接触器控制实现试验电源的调节与转换，设备体积庞大，故障率高，很难满足试验测试的要求；由于这种结构的系统必然是人工控制与调节，所以在试验中也很难保证试验结果的科学性。而且，变压器测试系统对电源要求高，在试验过程中8套电源的运行不但有高压大电流电源系统，还有稳压和稳流系统，运行逻辑十分复杂。因此，若采用人工继电控制，不但工作效率低、系统体积庞大、资金投入大，而且很难达到控制要求。

因此，有必要对现有的电力机车变压器的测试系统进行改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供了一种牵引变压器故障在线预警系统，该系统能为牵引变压器进行综合状态在线测试和预警，以保障牵引变压器各项指标正常，运行可靠。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种牵引变压器故障在线预警系统，其特征在于，包括工控机、PLC、主电路和试品，所述的工控机、PLC、主电路和试品依次串接；所述的工控机和主电路之间还设有保护电路；所述的主电路由电源开关柜、低压开关柜、高压开关柜、调压器、试验变压器及电压电流互感器组成。

本发明具有的有益效果是：

该系统能为牵引变压器进行综合状态在线测试和预警，以保障牵引变压器各项指标正常，运行可靠。本发明系统通过电源设计、接地设计和抗干扰设计，使得系统运行更加稳定，测试效果更好。

附图说明

图1为本发明的结构原理图。

图2为电源控制系统原理框图。

具体实施方式

如图1所示，一种牵引变压器故障在线预警系统，其特征在于，包括工控机、PLC、主电路和试品，所述的工控机、PLC、主电路和试品依次串接；所述的工控机和主电路之间还设有保护电路；所述的主电路由电源开关柜、低压开关柜、高压开关柜、调压器、试验变压器及电压电流互感器组成。

电力机车主变压器综合测试及故障诊断系统以工业控制计算机为控制、测量和保护中心，能完成一般变压器12个项目的试验，即绕组直流电阻测试、联结组别测试、绝缘电阻测试、变压器油介电强度测试、空载特性测试、负载特性测试、感应耐压测试、10KV工频耐压测试、100KV工频耐压测试、电抗器特性测试电流互感器特性测试和冷却系统测试，采用模拟隔离、悬浮与屏蔽等技术解决该控制系统在试品击穿或闪络时的测量和保护问题，实际运行安全可靠。强大的计算机数据处理能力使系统具有用户初始化设定、试验过程的控制与显示、试验结果的记录与输出等功能。

控制系统以工控机为核心。在友好的人机对话界面上进行初始化设定。工控机接到开始试验的命令后输出一系列控制命令，通过逻辑控制电路驱动主回路完成已设定的试验程序；试验过程中通过测量电路实时监测与显示现场工作状况以及试验电压与电流，感知到试验系统异常时能智能化地分析和判断并得出结论，通过保护电路进行处理。试验结果人为设定成自动保存并不可人为修改，可自动或手动打印输出。

主电路由电源开关柜、低压开关柜、高压开关柜、调压器、试验变压器及电压电流互感器等组成，试品闪络时出现的过电压可能会损伤试验变压器和试品的内绝缘，故主回路中设计了保护装置启能在试品闪络时瞬间动作，切断主电路，同时自动将所有调压器电压降低到零点。

其中工控机配置为：

型号：IPC-610P/PCA-6187VE；

CPU：P4-4.3G；

内存：512M；

硬盘：80G；

功能卡：8串口卡4066R。

PLC系统的控制

在电力机车变压器的试验中，试验项目多，试验电路复杂，为防止试验中操作人员的错误动作和异常情况发生，必须在试验电源动作和转换时设置复杂的控制逻辑，这些逻辑的实现过去常常采用中间继电器互锁或自锁方法，造成设备体积大，维修工作量大。本实施例在详细分析了变压器试验电源动作和转换逻辑的基础上，采用PLC系统一方面取代过去的中间继电器，采用软件编程的方法实现逻辑互锁和自锁，大大减少了设备体积，使得试验电源控制和转换逻辑更加精确和合理，另一方面充分利用PLC系统硬件、软件资源，设计了能实时监视试验电源工作状态的电源状态监控系统，使用这套系统，通过工控机可以非常清楚地观察到电源系统的工作状态，当电源系统发生故障时也可以直观地指示故障回路和故障位置。基于PLC控制系统的使用大大地提高了电源系统工作的可靠性。

在变压器试验中，有新车试验、大修车试验、轻大修车试验、半成品试验以及研究型试验等类型，因此，整套控制系统的设计除主要面向新车试验自动测试外，还需要面向大修车试验、轻大修试验、半成品试验以及研究型试验等其他类型的手动测试。控制系统自动/手动控制切换是通过操作按钮控制的，当操作按钮在自动位时，PLC系统的动作只接受上位计算机通过串口发出的指令，电源系统中接触器的动作情况，PLC系统也通过串口回送计算机，此时，操作台上的其他所有控制按钮都处于被屏蔽状态；当操作按钮在手动位时，PLC关闭串口，只扫描操作台控制按钮。

由于电源系统中所有接触器的工作状态都回送到PLC的输入端口，因此，电源系统的工作状态能很清晰地通过PLC反映出来，在自动测试中，这些信息都被PLC传送到计算机上，当系统工作故障时，工程技术人员从计算机屏幕上能准确地对故障定位，也可以通过操作台上的指示灯找出故障回路，这种设计对工程技术人员进行试验系统的维修起了重要的指导作用。

PLC配置为：

CPU：S7-200226；

扩展模块：EM223+EM211。

试验系统的电源

(1)基本要求：

电力机车变压器的测试项目多，并有相应的控制要求和不同的控制精度。过去在系统结构上一直采用中间继电器和接触器控制实现试验电源的调节与转换，设备体积庞大，故障率高，很难满足试验测试的要求，由于这种系统结构必然使用人工控制与调节，所以在试验中也很难保证试验结果的科学性。我们对变压器测试系统的电源要求进行了全面的分析研究，在试验过程中8套电源的运行不但有高压大电流电源系统，还有稳压和稳流系统，运行逻辑十分复杂。因此，若采用人工继电控制，不但工作效率低、系统体积庞大、资金投入大，而且很难达到控制要求。

(2)试验电源系统的构成

试验电源与控制系统主要是在变压器进行试验时，为变压器及其配件提供稳定的电源，并根据试验要求对电源在不同的运行工况和运行状态下进行自动的转换和控制，以满足数据测试的要求。为了实现控制要求，方便主操作台与控制柜及现场的操作，并能与主操作台的管理层上位机实现联网通讯，系统将试验电源设计成一个网络控制系统，如图2所示。其运行管理层由工控机(IPC-610P)与PLC(S7-200)组成，控制级包括变压器空载试验电源系统、负载试验电源系统、感应中频耐压试验电源系统、10KV工频耐压试验电源系统、100KV工频耐压试验电源系统、电抗器及功率补偿器试验电源系统、电流互感器试验电源系统、冷却系统试验电源系统。计算机通过网络与PLC通讯，传送电源系统的运行参数，并通过现场总线与控制层检测系统联系，进行监视管理，由此构成的多级网络控制电源系统，为电力机车变压器的实验提供了良好的试验环境，满足了试验与控制要求，提高了整个测试系统的自动化程度和工作效率。

在系统设计中，采用工控机与PLC组成监视管理系统，可方便的实现对电源系统各种运行状态的控制和转换。

(3)电源系统参数设计

根据国家标准和电力机车主变压器试验大纲规程要求，本专利将变压器试验电源系统进行了归纳和分类，主要依据是试验中对电源容量的要求和接线方式。由于在试验中变压器负载试验和电抗器电感值测定这两个试验所需电源容量最大，因此，将这两个试验归为一类，同时，考虑到变压器空载试验的电压等级以及接线方式与变压器负载试验十分相似，所以，变压器空载试验的电源系统也归为这一类。另一类主要包括感应耐压试验、10KV工频耐压试验、100KV工频耐压试验和电流互感器试验，这类试验共同特点是或者是大电压、或者是大电流，电源的容量较小，在进行这类试验时，一方面危险性大，另一方面是对控制系统的电磁干扰大，所以，这些电源应该放置离主控制系统较远且也远离操作人员的地方。再有一类就是仪器试验，如直流电阻测试、绝缘电阻测试、变比组别测试和变压器油介电强度测试，由于仪器试验只需要220V工频电源，因此，只要在操作台上安排一个电源插座就可以满足试验要求了。

在试验中为调节或限制电压、电流的上升和下降速度，感应调压器的调压电机采用变频器控制，其基准控制频率为30Hz，试验变压器副边设计成双绕组结构，双绕组可以根据试验的具体情况手动控制连接成串联或并联。主要电路参数为：

单相感应调压器：800KVA、380V/0-625V；

调压电机(三相)：750W、380V；

试验变压器：800KVA、625V/2×2000V；

变频器(三相)：1.1KW、0-50Hz。

(4)感应耐压、工频耐压、电流互感器试验电源系统

感应耐压试验、10KV工频耐压试验、100KV工频耐压试验电压较高，电流较小，电流互感器试验电流较大，电压很低。

在试验中为调节或限制电压、电流的上升和下降速度，感应调压器的调压电机采用变频器控制，其基准控制频率为30Hz。主要电路参数为：

单相感应调压器：100KVA、380V/0-400V；

变频器(三相)：1.1KW、0-50Hz；

三倍频发生器：30KVA、0-3000V；

升压变压器1：10KVA、220V/0-10KV；

升压变压器2：5KVA、220V/0-100KV；

大电流发生器：20KVA、220V/10V/2000A。

系统抗干扰设计

在电力机车主变压器试验中，有很多试验属于大电流或高电压试验项目，在进行这些试验时，电力机车主变压器和试验线路将对控制系统和测试仪器产生较强的电磁干扰，通过各种途径对测控系统造成危害，使得测控系统工作信号混乱，情况严重时会使得控制系统动作失误，同时也会严重地影响仪表的读数，因此，在系统设计时就因该充分地考虑这些因数，从硬件技术方面采取有效措施，达到减弱或消除干扰的目的，提高测控系统工作的稳定性和可靠性。再本系统中采用了以下技术消除电磁干扰：

(1)屏蔽技术

在本系统中采用了被动电屏蔽和低频磁屏蔽两种屏蔽技术。

1)被动电屏蔽

屏蔽是以某种导电材料或导磁材料制成的屏蔽体将需要防护的区域封闭起来，形成电磁隔离，达到阻隔或减少电磁能传播的一种技术，屏蔽是抑制电磁干扰的有效措施之一。在本系统中采用的是被动屏蔽方法，即将所有的电器柜都用机壳密封起来，为了防止直接或间接的静电耦合，确保屏蔽效果，所有电器柜外壳都进行可靠接地。

2)低频磁屏蔽

低频磁屏蔽是利用铁磁材料的高导磁性，对磁场有分路作用的特性来实现屏蔽，达到保护磁敏器件不受低频磁场的干扰、或防止磁场干扰源对其外界环境产生磁漏影响的目的。在本系统中除采用被动电屏蔽方式达到低频磁屏蔽的目的外，所有连接线都采用各种规格的屏蔽线，以保证磁场干扰源对其外界环境产生磁漏影响限制在很小的范围内。

(2)滤波技术

滤波技术的基本用途是选择信号和抑制干扰，实现这两种不同功能为目标而设计的电路分别称为信号选择滤波器和电磁干扰滤波器。在本系统中采用电磁干扰滤波器实现在电源电路、操作电路、控制电路和转换电路中，抑制沿这些电路的干扰。

EMI电源滤波器是电磁干扰滤波器的一种，它是由电感、电容组成的低通滤波器，它允许直流或50Hz的信号通过，对频率较高的其它信号和干扰信号有较大的衰减作用。由于干扰信号有差模和共模两种，因此电源滤波器要求对这两种干扰都有很好的衰减作用。EMI电源滤波器实质是LC无源网络，它利用阻抗失配的原理，使电磁干扰信号得到衰减滤波器的滤波效果取决于阻抗失配的程度，阻抗差别越大(适配越大)，滤波器的滤波效果越好。为了得到较好的滤波效果，对低阻抗的电源侧应使用输入阻抗高的滤波器，而对于高输入阻抗的负载侧，则应使用低输出阻抗的滤波器。

根据CISPR的规定，令R_S/R_L＝50Ω/50Ω，其中R_S代表了源阻抗，R_L代表了负载阻抗。

可以根据共模插入损耗和差模插入损耗表达式选择滤波器参数，使滤波器的插入损耗达到满意的数值。

(3)接地技术

接地技术是防止电磁干扰、增加电子设备电磁兼容能力的重要方法之一。接地是搭接的特例，如果接地方法使用恰当，既可以减少设备产生的对外干扰，又可以使设备免受外来干扰。本系统在设计中采用了两种接地措施，保护接地和信号接地。

保护接地是指机壳和屏蔽层接地，保护接地的目的是防止机壳或屏蔽层上由于电荷积累、电压上升而造成人身伤害，或引起火化放电，给设备造成高频干扰而遭致损坏。在变压器试验中如工频耐压试验和中频感应耐压试验都需要试品和试验设备良好接地。

信号接地主要有两种接地方式：单点接地和多点接地，考虑到试验场所的具体情况，系统在信号接地设计中采用了多点接地方式。

通过采用以上的系统抗干扰技术，系统的电磁兼容性良好，在测试系统工作中，所有仪表、设备和计算机系统工作正常，数字显示仪表显示稳定，达到了设计目的。

Claims

1.一种牵引变压器故障在线预警系统，其特征在于，包括工控机、PLC、主电路和试品，所述的工控机、PLC、主电路和试品依次串接；所述的工控机和主电路之间还设有保护电路；所述的主电路由电源开关柜、低压开关柜、高压开关柜、调压器、试验变压器及电压电流互感器组成。