CN102967792A - 牵引变电所电流互感器二次回路开路故障监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了电气化铁路牵引供电设备监测技术领域中的一种牵引变电所电流互感器二次回路开路故障监测系统及方法。系统包括高频正弦交变信号产生电路、耦合电流互感器、测量电流互感器和高频正弦交变信号提取电路；方法包括高频正弦交变信号产生电路产生高频正弦交变信号；通过耦合电流互感器将高频正弦交变信号耦合至牵引变电所电流互感器二次回路中；通过测量电路互感器感应出牵引变电所电流互感器二次回路中的交流信号；判断所述交流信号中是否包含高频正弦交变信号，从而确定牵引变电所电流互感器二次回路是否发生开路故障。本发明实现了牵引变电所电流互感器二次回路发生的开路故障的自动在线监测。

Description

牵引变电所电流互感器二次回路开路故障监测系统及方法

技术领域

本发明属于电气化铁路牵引供电设备监测技术领域，尤其涉及一种牵引变电所电流互感器二次回路开路故障监测系统及方法。

背景技术

电流互感器是电气化铁路牵引变电所运行中重要的组成设备，是交流电路中一次系统和二次系统间联络元件，用于传递信息给测量仪表、保护和控制装置等。在正常情况下，电流互感器二次回路电流与一次回路电流成正比，电流互感器的二次回路倘若发生开路，一次回路电流将全部用于激磁，使铁芯严重饱和，交变的磁通在二次回路上将感应出很高的电压，其峰值可达几千伏甚至上万伏，这么高的电压作用于二次回路上，将严重威胁人身安全和设备安全。所以，电流互感器在运行中其二次回路严禁开路。

在我国电力系统的变电站中，由于大量采用微机型控制和保护装置，对电流互感器二次回路的开路故障都有有效、完善的技术检测措施。但是，我国电气化铁路的牵引变电所到目前为止还没有针对电流互感器二次回路的开路故障的检测和处理方法，一旦发生开路故障由于没有有效的防范措施，会造成很大损失。所以，对牵引变电所中众多的电流互感器二次回路的开路故障进行实时检测，及时发现故障，及时采取消除故障的措施对于保证牵引变电所安全、可靠的运行具有重要意义。

目前，牵引变电所没有针对流互二次回路(电流互感器二次回路)开路故障有效的技术检测措施，其主要原因是：电气化铁路牵引供电系统采用工频单相交流供电制，所以其供电回路多为单相回路，由于回路之间没有可比性（不同于三相供电系统可通过相与相之间的电流比对来判断那一相电流回路发生开路故障），很难判断开路故障，特别是当一次供电线路（接触网）上没有电力机车运行，处于空载状态时，流互二次回路很难区分是回路正常的电流为零，还是回路发生了开路故障。

目前，也有一些检测流互二次回路开路的方法，如（1）听电流互感器本体有无噪声、振动等不均匀的声音，这种现象在负荷小时不太明显。当发生开路时，因磁通密度的增加和磁通的非正弦性，硅钢片振动力加大，将产生较大的噪声。（2）利用示温变色蜡片或紫外线测温仪监测电流互感器本体有无严重发热，有无异味、变色、冒烟等，此现象在负荷小时不太明显。开路时，由于严重磁饱和，铁芯过热，外壳温度升高，内部绝缘受热有异味，严重时冒烟烧坏。（3）检查电流互感器二次回路端子、元件线头等有无放电、打火现象。此现象可在二次回路维护和巡检中发现。（4）继电保护发生误动作或拒动作，此情况可在误跳闸或越级跳闸事故后检查原因时发现并处理。出现上述某种现象。可初步判定发生了电流互感器开路故障，应立即进行仔细查找处理。

以上种种方法，虽然可以发现电流互感器开路故障，但也具有很大的局限性，其主要表现在：（1）依赖值班人员的素质，若值班人员素质不高，或值班不认真，就不容易发现。特别是在新的铁路管理模式下，很多牵引变电所采用无人值班运行方式，发现问题更加困难。（2）往往等产生不良后果以后，才能发现问题，此时虽然发现了问题，但已经造成了不小的损失。（3）若负荷电流不大甚至空载，发生开路后一般没有明显的声音或发热、放电等异常现象，往往长时间不能发现。

发明内容

本发明的目的在于，针对目前牵引变电所电流互感器二次回路开路故障缺乏有效的自动监测手段的问题，提出一种牵引变电所电流互感器二次回路开路故障监测系统及方法。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种牵引变电所电流互感器二次回路开路故障在线监测系统，其特征是所述系统包括高频正弦交变信号产生电路、耦合电流互感器、测量电流互感器和高频正弦交变信号提取电路；

其中，高频正弦交变信号产生电路用于产生高频正弦交变信号并发送至耦合电流互感器；

耦合电流互感器用于将高频正弦交变信号耦合至牵引变电所电流互感器二次回路中；

测量电流互感器用于感应出牵引变电所电流互感器二次回路中的交流信号，并将交流信号发送至高频正弦交变信号提取电路；

高频正弦交变信号提取电路用于判断交流信号中是否包含高频正弦交变信号。

所述系统还包括控制电路，所述控制电路用于在交流信号中不包含高频正弦交变信号时，控制牵引变电所电流互感器二次回路短接。

所述高频正弦交变信号产生电路包括高频方波产生电路和整形放大电路；其中，高频方波产生电路用于产生高频方波信号并将所述高频方波信号发送至整形放大电路；所述整形放大电路用于将高频方波信号放大后转换成同频率的高频正弦交变信号并发送至耦合电流互感器。

高频正弦交变信号提取电路包括滤波电路、放大变换电路和模数转化及信号采集电路；其中，所述滤波电路用于接收经测量电流互感器感应出的牵引变电所电流互感器二次回路中的交流信号，然后从交流信号中提取高频正弦交变信号并发送至放大变换电路；所述放大变换电路用于放大高频正弦交变信号并将其转换为直流信号，然后将直流信号发送至模数转化及信号采集电路；所述模数转化及信号采集电路用于对直流信号进行模数转换并进行数字采集。

所述高频方波产生电路和模数转化及信号采集电路采用微处理器。

所述滤波电路采用高通滤波器和带通滤波器。

一种牵引变电所电流互感器二次回路开路故障在线监测方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：高频正弦交变信号产生电路产生高频正弦交变信号；

步骤2：通过耦合电流互感器将高频正弦交变信号耦合至牵引变电所电流互感器二次回路中；

步骤3：通过测量电流互感器感应出牵引变电所电流互感器二次回路中的交流信号；

步骤4：判断所述交流信号中是否包含高频正弦交变信号，如果所述交流信号中包含高频正弦交变信号，则确定牵引变电所电流互感器二次回路没有发生开路故障；否则，确定牵引变电所电流互感器二次回路发生开路故障。

所述方法还包括，当牵引变电所电流互感器二次回路发生开路故障时，使牵引变电所电流互感器二次回路短接的步骤。

所述高频正弦交变信号产生电路产生高频正弦交变信号的过程是：

步骤A1：通过方波产生电路产生高频方波信号；

步骤A2：通过整形放大电路将所述高频方波信号放大后转换为同频率的高频正弦交变信号。

所述判断所述交流信号中是否包含高频正弦交变信号具体是：

步骤B1：通过滤波电路提取交流信号中的高频正弦交变信号；

步骤B2：利用放大变换电路将高频正弦交变信号转换为直流信号；

步骤B3：利用模数转换电路对直流信号进行模数转换，并对模数转换后的直流信号进行采集，如果采集到模数转换后的直流信号，则判断交流信号中包含高频正弦交变信号；如果未采集到模数转换后的直流信号，则判断交流信号中不包含高频正弦交变信号。

所述高频正弦交变信号的频率为40倍或40倍以上的工频频率。

本发明提供的系统和方法，不论电流互感器运行于何种工况（负载、轻载、空载等），都能快速准确地检测出牵引变电所电流互感器二次回路发生的开路故障，同时不会影响牵引变电所电流互感器二次回路的正常运行及其既有的测量精度。

附图说明

图1是牵引变电所电流互感器二次回路开路故障在线监测系统结构图；

图2是牵引变电所电流互感器二次回路开路故障在线监测系统电路原理图；

图3是牵引变电所电流互感器二次回路开路故障在线监测方法流程图；

图4是本发明提供的监测系统功能插件分布图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

图1是牵引变电所电流互感器二次回路开路故障在线监测系统结构图。如图1所示，本发明提供的牵引变电所电流互感器二次回路开路故障在线监测系统包括高频正弦交变信号产生电路、耦合电流互感器、测量电流互感器和高频正弦交变信号提取电路。其中，高频正弦交变信号产生电路用于产生高频正弦交变信号并发送至耦合电流互感器。耦合电流互感器用于将高频正弦交变信号耦合至牵引变电所电流互感器二次回路中。测量电流互感器用于感应出牵引变电所电流互感器二次回路中的交流信号，并将交流信号发送至高频正弦交变信号提取电路。高频正弦交变信号提取电路用于判断交流信号中是否包含高频正弦交变信号。另外，本发明提供的在线监测系统还包括控制电路，该控制电路用于在交流信号中不包含高频正弦交变信号时，控制牵引变电所电流互感器二次回路短接。

为了进一步说明本发明提供的牵引变电所电流互感器二次回路开路故障在线监测系统，图2给出了一种具体实施的电路图。如图2所示，高频正弦交变信号产生电路包括高频方波产生电路和整形放大电路。由于高频正弦交变信号要耦合至牵引变电所电流互感器二次回路，而且该高频正弦交变信号还不能影响牵引变电所电流互感器二次回路中的原始电流信号，因此该高频正弦交变信号应当满足：频率与牵引变电所的工频频率有明显差异。通常，牵引变电所的工频频率为50Hz，包含其中的谐波，其频率一般在50-500Hz范围内。因此，可选择频率为40倍或40倍以上的工频频率的高频信号。在本实施例中，使用微处理器作为高频方波产生电路，产生4KHz（80倍频）的方波。再通过整形放大电路将4KHz的方波转换为4KHz的正弦交变信号，这样得到的信号是一个高频率低电流（毫安级）的电流信号，便于从牵引变电所电流互感器二次回路中的原始电流信号中识别出来，并不会影响牵引变电所电流互感器二次回路中的原始电流信号。

整形放大电路将4KHz正弦交变信号发送至耦合电流互感器，通过耦合电流互感器，将该4KHz正弦交变信号耦合至牵引变电所电流互感器二次回路中。由于4KHz正弦交变信号的频率远远大于牵引变电所工频频率，因此耦合到牵引变电所电流互感器二次回路中的高频正弦交变信号（4kHz正弦交变信号）不会对该二次回路中的测量电流表计、继电保护的采样电流等造成影响。因为耦合到该二次回路的高频正弦交变信号的频率是基频的几十倍，所以流互二次回路的高频阻抗是基频阻抗的几十倍，流互二次回路中感应的高频交变电流很微弱。再有现代牵引变电所基本全部采用微机型继电保护装置和数字式测量仪表，这些装置、仪表对输入的二次回路电流均有相应的低通滤波电路，所以电流中40倍频以上的高频成分均可被滤掉，不会影响其正常运行及测量精度，高频正弦交变信号对模拟指针式电流表也无影响，以上结论在流互二次回路监测系统的现场运行中也得到了验证。

测量电流互感器用于感应出牵引变电所电流互感器二次回路中的交流信号，并将该交流信号发送至高频正弦交变信号提取电路。在图2给出的实施例中，高频正弦交变信号提取电路由滤波电路、放大变换电路和模数转化及信号采集电路构成。滤波电路用于接收交流信号，然后从交流信号中提取高频正弦交变信号并发送至放大变换电路。滤波电路可以采用高通滤波器和带通滤波器，从而准确地提取某个高频频率段的电流信号。放大变换电路用于放大提取出的高频正弦交变信号并将其转换为直流信号，然后将直流信号发送至模数转化及信号采集电路。本实施例中，模数转化及信号采集电路采用微处理器，对前述直流信号进行模数转换并进行数字采集。采集后，根据采集结果，确定交流信号中是否包含高频正弦交变信号，如果包含高频正弦交变信号，则可以判定牵引变电所电流互感器二次回路没有发生开路故障。否则，判定牵引变电所电流互感器二次回路发生了开路故障。

本系统还可以包括控制牵引变电所电流互感器二次回路短接的控制电路。如图2所示，一旦微处理器检测到流互二次回路发生了开路故障可通过I/O口控制继电器动作，输出节点来控制牵引变电所内CT的端口短接器（如果安装的话）闭合，迅速短接二次回路，避免开路故障所产生的高电压对表计等其他二次设备的破坏。

本发明还提供了一种利用上述系统进行牵引变电所电流互感器二次回路开路故障在线监测的方法。牵引变电所电流互感器二次回路开路故障在线监测方法流程图。该方法包括：

步骤1：高频正弦交变信号产生电路产生高频正弦交变信号。产生高频正弦交变信号的过程是：

步骤A1：通过方波产生电路产生高频方波信号。高频正弦交变信号的频率可以选用40倍或40倍以上的工频频率，优选使用4KHz（80倍频）的频率。使用高频信号便于后续步骤将该高频信号从牵引变电所电流互感器二次回路中提取出来。

步骤A2：通过整形放大电路将所述高频方波信号放大后转换为同频率的高频正弦交变信号。

步骤2：通过耦合电流互感器将高频正弦交变信号耦合至牵引变电所电流互感器二次回路中。

步骤3：通过测量电路互感器感应出牵引变电所电流互感器二次回路中的交流信号。

步骤4：判断所述交流信号中是否包含高频正弦交变信号，如果所述交流信号中包含高频正弦交变信号，则确定牵引变电所电流互感器二次回路没有发生开路故障；否则，确定牵引变电所电流互感器二次回路发生开路故障。

判断交流信号中是否包含高频正弦交变信号具体是：

步骤B1：通过滤波电路提取交流信号中的高频正弦交变信号。

步骤B2：利用放大变换电路将高频正弦交变信号转换为直流信号。

步骤B3：利用模数转换电路对直流信号进行模数转换，并对模数转换后的直流信号进行采集，如果采集到模数转换后的直流信号，则判断交流信号中包含高频正弦交变信号；如果未采集到模数转换后的直流信号，则判断交流信号中不包含高频正弦交变信号。

上述方法中，还可以包括，当牵引变电所电流互感器二次回路发生开路故障时，使牵引变电所电流互感器二次回路短接的步骤。

图4是本发明提供的监测系统功能插件分布图。图4中，本发明提供的系统通过功能插件实现。包括，4个功能插件板、1个母板和1个人机交互面板组成。各功能板介绍如下：

（1）交流插件板

交流插件板的主要功能是实现4路高频正弦交变信号分别耦合到4个流互二次回路的过程。以第一路为例，由主系统插件板产生的，经母板传送到交流插件板的4kHz方波信号经过整形放大电路，变换为4kHz正弦交变信号，经耦合电流互感器CT耦合到系统所串接外部流互二次回路中。测量电流互感器CT，用于感应系统所串接的外部流互二次回路中的交流电流，回采交流电流中的4kHz正弦交变分量。其它三路工作原理同第一路。交流插件板的交流端子用于与外部流互二次回路连接，通过该端子系统就被串接入外部流互二次回路中。

（2）主系统插件板

主系统插件板为两层结构，底层为信号变换板，上层为CPU核心板。两层之间通过两个100针的连接器连接。主系统插件板的主要功能是实现4路4kHz正弦交变信号的回采检测过程，其它功能还有产生4kHz方波信号、控制告警、出口继电器等。以第一路为例，由交流插件板感应的交流信号，经母板传送到主系统插件板，经由4KHz带通滤波电路，再经由交流变直流电路，最终得到与回采4kHz正弦交变信号所对应的直流信号。再被传到CPU核心板进行采集。其它三路工作原理同第一路。

板上包括1路告警输出和4路控制出口继电器。板上通过4路高速光耦隔离器隔离输出的4kHz方波信号。

CPU核心板以数字信号处理器TMS320F2812为核心，外部扩展存储器、时钟、I/O口驱动、PWM方波输出驱动等；外部扩展AD转换器，通过AD转换器实现对4路信号进行采样。外部扩展通信接口，实现与变电所后台监控计算机的CANBUS通信以及装置主系统插件板与人机交互面板的RS232通信。

（3）继电器插件板

继电器插件板的主要功能是通过继电器节点动作来产生告警及出口信号。由主系统插件板产生的，经母板传送到继电器插件板的控制信号分别作用在继电器的线圈，控制继电器节点的动作。从而产生对应被监测的流互二次回路发生开路故障的报警信号，以及使开路短接器动作的出口信号。

（4）电源插件板

电源插件板的主要功能是向装置的各功能板提供所需电源，并具有电源失电检测及告警功能。

（5）母板

母板板的主要功能是实现4个功能插件板之间的信号传递，并通过端子实现装置的外部接线。4个功能插件板分别通过48针欧式接插件连接于母板上，实现信号传递。

（6）人机交互面板

人机交互面板的主要功能是通过128×64汉化液晶显示器和6键键盘实现人机交互功能，采用菜单选项方式可以方便地浏览功能设置、采样数据、故障告警信息等。LED灯用于故障告警、通信状态的提示。

本发明为电气化铁路牵引变电所中电流互感器二次回路发生的开路故障提供了一种全工况的、实时的、智能化的在线检测及故障处理方法。本发明提供的系统，不论是电流互感器运行于负载、轻载、空载等各种工况下都能快速准确地检测出二次回路发生的开路故障，一旦检测到开路故障，监测系统可以通过其指示灯和LCD提示故障信息，同时监测系统还通过其通信接口将故障信息传至变电所的综合自动化后台监控系统。如果将监测装置的故障处理环节投入，通过其输出节点可以迅速短接发生开路故障的二次回路，避免开路故障所产生的高电压对回路中的二次设备的破坏。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种牵引变电所电流互感器二次回路开路故障在线监测系统，其特征是所述系统包括高频正弦交变信号产生电路、耦合电流互感器、测量电流互感器和高频正弦交变信号提取电路；

其中，高频正弦交变信号产生电路用于产生高频正弦交变信号并发送至耦合电流互感器；

耦合电流互感器用于将高频正弦交变信号耦合至牵引变电所电流互感器二次回路中；

测量电流互感器用于感应出牵引变电所电流互感器二次回路中的交流信号，并将交流信号发送至高频正弦交变信号提取电路；

高频正弦交变信号提取电路用于判断交流信号中是否包含高频正弦交变信号。

2.根据权利要求1所述的在线监测系统，其特征是所述系统还包括控制电路，所述控制电路用于在交流信号中不包含高频正弦交变信号时，控制牵引变电所电流互感器二次回路短接。

3.根据权利要求1或2所述的在线监测系统，其特征是所述高频正弦交变信号产生电路包括高频方波产生电路和整形放大电路；其中，高频方波产生电路用于产生高频方波信号并将所述高频方波信号发送至整形放大电路；所述整形放大电路用于将高频方波信号放大后转换成同频率的高频正弦交变信号并发送至耦合电流互感器。

4.根据权利要求3所述的在线监测系统，其特征是高频正弦交变信号提取电路包括滤波电路、放大变换电路和模数转化及信号采集电路；其中，所述滤波电路用于接收经测量电流互感器感应出的牵引变电所电流互感器二次回路中的交流信号，然后从交流信号中提取高频正弦交变信号并发送至放大变换电路；所述放大变换电路用于放大高频正弦交变信号并将其转换为直流信号，然后将直流信号发送至模数转化及信号采集电路；所述模数转化及信号采集电路用于对直流信号进行模数转换并进行数字采集。

5.根据权利要求4所述的在线监测系统，其特征是所述滤波电路采用高通滤波器和带通滤波器。

6.一种牵引变电所电流互感器二次回路开路故障在线监测方法，其特征是所述方法包括：

步骤1：高频正弦交变信号产生电路产生高频正弦交变信号；

步骤2：通过耦合电流互感器将高频正弦交变信号耦合至牵引变电所电流互感器二次回路中；

步骤3：通过测量电流互感器感应出牵引变电所电流互感器二次回路中的交流信号；

步骤4：判断所述交流信号中是否包含高频正弦交变信号，如果所述交流信号中包含高频正弦交变信号，则确定牵引变电所电流互感器二次回路没有发生开路故障；否则，确定牵引变电所电流互感器二次回路发生开路故障。

7.根据权利要求6所述的在线监测方法，其特征是所述方法还包括，当牵引变电所电流互感器二次回路发生开路故障时，使牵引变电所电流互感器二次回路短接的步骤。

8.根据权利要求6或7所述的在线监测方法，其特征是所述高频正弦交变信号产生电路产生高频正弦交变信号的过程是：

步骤A1：通过方波产生电路产生高频方波信号；

步骤A2：通过整形放大电路将所述高频方波信号放大后转换为同频率的高频正弦交变信号。

9.根据权利要求6或7所述的在线监测方法，其特征是所述判断所述交流信号中是否包含高频正弦交变信号具体是：

步骤B1：通过滤波电路提取交流信号中的高频正弦交变信号；

步骤B2：利用放大变换电路将高频正弦交变信号转换为直流信号；

步骤B3：利用模数转换电路对直流信号进行模数转换，并对模数转换后的直流信号进行采集，如果采集到模数转换后的直流信号，则判断交流信号中包含高频正弦交变信号；如果未采集到模数转换后的直流信号，则判断交流信号中不包含高频正弦交变信号。

10.根据权利要求6或7所述的在线监测方法，其特征是所述高频正弦交变信号的频率为40倍或40倍以上的工频频率。

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