CN105629071B - 电气化铁道机车阻抗测试装置及方法 - Google Patents

电气化铁道机车阻抗测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电气化铁道机车阻抗测试装置及方法，由多绕组变压器MT、交直交变压变频装置VVVF、电压传感器TV、电流传感器TA、电压/电流数据采集与分析系统DS构成。本发明测试装置可通过改变多绕组变压器MT次边绕组高压输出端输出的电压来抑制系统背景谐波的影响，根据扰动前后测量得到的稳态电压、电流波形，从而利用电压、电流的波动量来计算不同频率下机车的阻抗。本发明首次站在机车侧阻抗测试的角度，为研究其关键固有属性—阻抗特性提供新的视角，进一步的为解决目前频繁发生的“机车—牵引网”耦合系统阻抗不匹配引发的低频网压振荡、谐波谐振、谐波不稳定、机车控制系统失稳等问题提供技术支持。

Description

电气化铁道机车阻抗测试装置及方法
技术领域
本发明涉及一种电气化铁道机车阻抗测试技术领域。
背景技术
截止2015年底，全国铁路营业里程超过12万公里，居世界第二位，其中高速铁路1.9万公里，居世界第一位，保障如此大规模电气化铁路的安全稳定运行任务重大。从电气化铁道多年的运营情况来看，铁路现场频繁报道了低频网压振荡、谐波谐振、谐波不稳定、机车控制系统失稳等牵引供电系统稳定性问题，造成了机车牵引封锁，保护器、避雷器等高压设备烧毁，谐波电压/电流幅值的持续放大、严重畸变，机车控制失稳等安全事故，严重影响供电的可靠性及铁路的安全运行。
对于“机车—牵引网”耦合系统来说，机车阻抗与牵引网阻抗的合理匹配是解决牵引供电系统稳定性问题的关键。目前牵引网阻抗计算与测试方法研究已较为完善，但是对于机车来说，由于其控制系统结构复杂、非线性元器件众多、内部的控制参数、元器件参数也未知，这些因素使得很难通过理论计算得到机车的阻抗，就目前看来，国内尚未出现用于电气化铁道机车阻抗测试的专门装置，相关技术研究也基本上是空白。因此，迫切需要通过现场测试的手段，测试得到实际运行机车的阻抗特性。这可为解决“机车—牵引网”耦合系统阻抗不匹配引发的低频网压振荡、谐波谐振、谐波不稳定、机车控制系统失稳等问题提供技术支持。
发明内容
本发明的目的在于提供一种电气化铁道机车阻抗测试装置，该装置能够在铁路现场测出不同型号机车的阻抗特性，从而为解决目前频繁发生的“机车—牵引网”耦合系统不稳定问题提供技术支持。
本发明的技术方案是：一种电气化铁道机车阻抗测试装置，由多绕组变压器MT、交直交变压变频装置VVVF、电压传感器TV、电流传感器TA、电压/电流数据采集与分析系统DS构成；多绕组变压器MT原边绕组接入地方电网10kV或35kV电压，多绕组变压器MT次边绕组高压输出端有两个档位，第一档位输出电压为25kV，第二档位输出电压为27.5kV；多绕组变压器MT次边绕组500V输出端连接交直交变压变频装置VVVF后与25kV或27.5kV输出端串联，共同为机车供电；电压传感器TV连接在接触网T和钢轨R之间，用于测试接触网T和钢轨R之间的电压信号，电流传感器TA串联接入接触网T，用于测试接触网T向机车注入的电流信号；电压/电流数据采集与分析系统DS接收电压传感器（TV）输出的电压信号和电流传感器TA输出的电流信号，完成机车阻抗计算。
本发明的目的还在于，为上述装置提供一种电气化铁道机车阻抗测试方法。
采用的手段为：一种电气化铁道机车阻抗测试方法：机车阻抗测试分为低频段阻抗测试和高频段阻抗测试两种工况，对于低频段的机车阻抗测试，交直交变压变频装置VVVF输入电压为交流500V/50Hz，输出电压的频率调节范围是1Hz~15Hz，频率的调节步长为1Hz，输出电压幅值的调节范围是100V~500V，幅值的调节步长为100V；对于高频段的机车阻抗测试，交直交变压变频装置VVVF输入电压保持不变，输出电压的幅值调节范围和调节步长也不变，但是输出电压的频率调节范围是25Hz~5000Hz，频率的调节步长为25Hz；
在每种工况的测试中均采用波动量法抑制系统背景谐波对机车阻抗的影响，通过改变多绕组变压器MT次边绕组高压输出端输出电压来作为系统扰动，根据发生扰动时电压、电流的波动量来计算不同频率下机车的阻抗。
本发明的有益效果是：首次站在机车侧阻抗测试的角度，通过对实际运行机车阻抗测试，解决了利用仿真/理论计算无法准确获取机车阻抗的技术难题，可为研究机车关键固有属性—阻抗特性提供新的视角，进一步的为解决目前频繁发生的“机车—牵引网”耦合系统阻抗不匹配引发的低频网压振荡、谐波谐振、谐波不稳定、机车控制系统失稳等问题提供技术支持。同时该阻抗测试设备也可用于新型机车设计阶段，为新型机车的阻尼优化设计提供参考数据。
附图说明
图1（a）～图1（b）为电气化铁道机车阻抗测试装置构成图。其中，图1（a）表示测试装置用于测试高频段的机车阻抗，图1（b）表示测试装置用于测试低频段的机车阻抗。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步阐述。
本发明电气化铁道机车阻抗测试装置的构成原理为：该测试装置构成原理如图1所示，它由多绕组变压器MT、交直交变压变频装置VVVF、电压传感器TV、电流传感器TA、电压/电流数据采集与分析系统DS构成；多绕组变压器MT原边绕组接入地方电网10kV或35kV电压，多绕组变压器MT次边绕组高压输出端有两个档位，第一档位输出电压为25kV，第二档位输出电压为27.5kV；多绕组变压器MT次边绕组500V输出端连接交直交变压变频装置VVVF后与25kV或27.5kV输出端串联，共同为机车供电；电压传感器TV连接在接触网T和钢轨R之间，用于测试接触网T和钢轨R之间的电压信号，电流传感器（TA）串联接入接触网T，用于测试接触网T向机车注入的电流信号；电压/电流数据采集与分析系统DS接收电压传感器TV输出的电压信号和电流传感器TA输出的电流信号，完成机车阻抗计算。
电气化铁道机车阻抗测试装置的工作原理为：该测试装置通过交直交变压变频装置VVVF调制出一个频率可控，幅值可调的电压，作为机车阻抗测试的激励。电压传感器TV、电流传感器TA采样测出接触网T和钢轨R之间的电压U 1和向机车注入的电流I 1。然后，调节多绕组变压器MT次边绕组高压输出端档位，使得接触网T电压等级从25kV升高至27.5kV，此时电压、电流会发生波动，通过检测装置测出波动后的电压U 2和电流I 2，令电压波动量，电流波动量，再通过傅立叶变换得到频域电压和频域电流的波动量，用频域电压波动量除以频域电流波动量，即可计算出不同频率下的机车阻抗，该方法有效抑制了系统背景谐波的干扰。
电气化铁道机车阻抗测试装置的测试工况为：可分为高频段阻抗测试和低频段阻抗测试两种工况，对于高频段的机车阻抗测试，采用图1（a）的结构，其中交直交变压变频装置VVVF输入电压为交流500V/50Hz，输出电压的频率调节范围是25Hz~5000Hz，频率的调节步长为25Hz，输出电压幅值的调节范围是100V~500V，幅值的调节步长为100V。而对于低频段的机车阻抗测试，采用图1（b）的结构，其与高频段阻抗测试装置的区别在于：交直交变压变频装置VVVF输出电压的频率调节范围是1Hz~15Hz，频率的调节步长为1Hz，其余测试装置和测试方法不变。同时，为了减小牵引网线路阻抗对机车阻抗的干扰，要求测试中机车与变压器的距离尽可能小。此外，为提高测试精度，要求进行两次机车阻抗测试。即在接触网25kV电压等级下完成第一次机车阻抗测试后，将接触网电压等级升高至27.5kV，其余工况不变，对机车进行第二次阻抗测试，观察两次机车阻抗测试结果，当结果相差不大时取两次测试结果的平均值作为最终的机车阻抗测试结果，若结果相差较大，则需重新调试设备，再次进行测试。

Claims (2)

1.一种电气化铁道机车阻抗测试装置，其特征在于：由多绕组变压器MT、交直交变压变频装置VVVF、电压传感器TV、电流传感器TA、电压/电流数据采集与分析系统DS构成；多绕组变压器MT原边绕组接入地方电网10kV或35kV电压，多绕组变压器MT次边绕组高压输出端有两个档位，第一档位输出电压为25kV，第二档位输出电压为27.5kV；多绕组变压器MT次边绕组500V输出端连接交直交变压变频装置VVVF后与25kV或27.5kV输出端串联，共同为机车供电；电压传感器TV连接在接触网T和钢轨R之间，用于测试接触网T和钢轨R之间的电压信号，电流传感器TA串联接入接触网T，用于测试接触网T向机车注入的电流信号；电压/电流数据采集与分析系统DS接收电压传感器TV输出的电压信号和电流传感器TA输出的电流信号，完成机车阻抗计算。
2.采用权利要求1所述装置的一种电气化铁道机车阻抗测试方法，其特征在于：机车阻抗测试分为低频段阻抗测试和高频段阻抗测试两种工况，对于低频段的机车阻抗测试，交直交变压变频装置VVVF输入电压为交流500V/50Hz，输出电压的频率调节范围是1Hz～15Hz，频率的调节步长为1Hz，输出电压幅值的调节范围是100V～500V，幅值的调节步长为100V；对于高频段的机车阻抗测试，交直交变压变频装置VVVF输入电压为500V/50Hz，输出电压的幅值调节范围和调节步长分别为100V～500V、100V，但是输出电压的频率调节范围是25Hz～5000Hz，频率的调节步长为25Hz；
在低频段阻抗测试和高频段阻抗测试两种工况的测试中均采用波动量法抑制系统背景谐波对机车阻抗的影响，通过改变多绕组变压器MT次边绕组高压输出端输出的电压来作为系统扰动，根据发生扰动时电压、电流的波动量来计算不同频率下机车的阻抗。
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