CN105738705A - 牵引供电系统谐波阻抗测量装置及其测量方法 - Google Patents

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Abstract

一种牵引供电系统谐波阻抗测量装置及其测量方法，装置的组成是：降压变压器原边线圈与供电区段接触网和钢轨相连，次边线圈上接电流、电压传感器；次边线圈还与谐波电流源注入装置相连；谐波电流源注入装置的构成是：桥式整流电路的一交流端直接作为谐波电流源注入装置的一输出端，桥式整流电路的另一交流端接二极管负极，二极管正极为谐波注入装置的另一输出端；二极管正负极之间接开关；桥式整流电路的两直流端并联电容，电阻一、二串联后并联于桥式整流电路两直流端，电阻二上并联开关二。该装置能在现场测出供电区段的谐振频率及电力机车或动车组运行时的阻抗频率特性，从而为牵引供电系统的设计、运行与维护提供更准确、可靠的实测参数。

Description

牵引供电系统谐波阻抗测量装置及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种牵引供电系统谐波阻抗测量装置及其测量方法。
背景技术
近年来，中国高速铁路在很多方面处于领先地位，但同时技术标准也在提高，供电设备安全，可靠性也相应有了更高的要求。当牵引供电系统中电力机车或动车组的谐波电流的频率和所在区段(通常为一个供电臂)牵引网自身谐振频率相重合时，就可能在牵引网上激发出高次谐波谐振现象，产生谐振过电压或过电流，影响供电安全。现场已经发生多起谐波谐振事故，造成过电压保护动作，断路器跳闸，保护器，避雷器等设备烧毁甚至爆炸，并联补偿装置无法正常运行，严重影响供电的可靠性及高速铁路的安全运行。
由于牵引网的结构复杂、运行情况多变、内部的元器件参数也不知道，这就导致即便对电气化铁路牵引供电系统的基础资料掌握的很详细，仍旧无法通过理论计算得出各区段牵引网的谐振频率。因此，在新建铁路的联调联试阶段，迫切需要通过现场测试的装置和方法，测出各供电区段的谐振频率及电力机车或动车组运行于各供电区段时的阻抗频率特性，从而正确、及早的采取相应技术措施以减少或避免谐波谐振的发生。提高供电的可靠性及高速铁路运行的安全性。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种牵引供电系统谐波阻抗测量装置，该装置能在现场测出供电区段的谐振频率及电力机车或动车组运行于供电区段时的阻抗频率特性，从而为牵引供电系统的设计、运行与维护的抗谐振措施提供更准确、可靠的参数，以减少或避免谐波谐振的发生，提高供电的可靠性及高速铁路运行的安全性。
本发明实现上述第一目的，所采用的技术方案是，一种牵引供电系统谐波阻抗测量装置，其组成是：
降压变压器的原边线圈的两端分别与供电区段的接触网和钢轨相连，次边线圈上串接电流传感器，次边线圈的两端并接电压传感器；电流传感器和电压传感器的输出端均与数据处理器相连；次边线圈的两端还与谐波电流源注入装置的两输出端相连；其中，谐波电流源注入装置的具体构成是：
桥式整流电路的一交流端直接作为谐波电流源注入装置的一输出端，桥式整流电路的另一交流端串接二极管的负极，二极管的正极作为谐波电流源注入装置的另一输出端；二极管的正负极之间连接开关；桥式整流电路的两直流端并联一个电容，电阻一与电阻二串联后并联于桥式整流电路的两直流端，电阻二上并联开关二。
本发明的第二目的在于提供一种使用上述的牵引供电系统谐波阻抗测量装置对牵引供电系统进行谐波阻抗测量的方法，该方法能在现场快速、有效的测出各供电区段的谐振频率及电力机车或动车组运行于各供电区段时的阻抗频率特性。
本发明实现上述第二目的，所采用的技术方案是，一种使用上述的牵引供电系统谐波阻抗测量装置对牵引供电系统进行谐波阻抗测量的方法，其操作是：
A、闭合开关一、断开开关二、二极管被短路，桥式整流电路全周导通，产生奇次谐波电流，奇次谐波电流通过降压变压器、接触网注入到牵引供电系统中；电压传感器和电流传感器分别采样测出降压变压器次边在全周导通下的电压和电流并传给数据处理器,数据处理器对全周导通下的电压和电流分别进行傅立叶变换得到全周导通下的频域电流I1,和频域电压其中下标nf代表频率，n＝1,2,3…N,N＝25；为全周导通下的频域电流I1在频率nf下的值；为全周导通下的电压频域U1在频率nf下的值；
闭合开关一和开关二，二极管和电阻二均被短路，桥式整流电路在小阻抗情形下全周导通，产生小阻抗下的奇次谐波电流，小阻抗下的奇次谐波电流通过降压变压器、接触网注入到牵引供电系统中；电压传感器和电流传感器分别采样测出降压变压器次边在小阻抗全周导通下的电压和电流并传给数据处理器,数据处理器对小阻抗全周导通下的电压和电流分别进行傅立叶变换得到小阻抗全周导通下的频域电流I2,和频域电压U2 ， Inf为小阻抗全周导通下的电流I2在频率nf下的分量；Unf为小阻抗全周导通下的电压U2在频率nf下的分量；
数据处理器计算出降压变压器原边也即所在供电区段的牵引供电系统在频率nf下的阻抗值Z′nf，其中K2为降压变压器的变比的平方；进而得到所在供电区段的牵引供电系统的频域阻抗Znf，Znf＝[z1f,z2f,...znf,...zNf]，频域阻抗Znf中的最大值即为谐振阻抗，谐振阻抗对应的频率即为谐振频率；
B、断开开关一和开关二，二极管使桥式整流电路仅在正半周导通，产生偶次谐波电流，偶次谐波电流通过降压变压器、接触网注入到牵引供电系统中；电压传感器和电流传感器分别采样测出降压变压器次边在半周导通下的电压和电流并传给数据处理器；数据处理器对半周导通下的电压和电流进行傅立叶变换得到半周导通下电流I3,和电压U3,
其中下标nf代表频率，n＝1,2,3…N,N＝25；Inf为全周导通下的电流I3在频率nf下的分量；Unf为全周导通下的电压U3在频率nf下的分量；
闭合开关二，使电阻二短路，桥式整流电路在小阻抗情形下正半周导通，产生小阻抗下的偶次谐波电流，小阻抗下的偶次谐波电流通过降压变压器、接触网注入到牵引供电系统中；电压传感器和电流传感器分别采样测出降压变压器次边在半周导通小阻抗下的电压和电流并传给数据处理器；数据处理器对半周导通小阻抗下的电压和电流进行傅立叶变换得到半周导通小阻抗下电流I4,和电压U4,
其中下标nf代表频率，n＝1,2,3…N,N＝25；Inf为全周导通下的电流I4在频率nf下的分量；Unf为全周导通下的电压U4在频率nf下的分量；
数据处理器计算出降压变压器原边也即所在供电区段的牵引供电系统在频率nf的阻抗值Z′nf，其中K2为降压变压器的变比的平方；进而得到所在供电区段的牵引供电系统的频域阻抗Znf，Znf＝[z1f,z2f,...znf,...zNf]，频域阻抗Znf中的最大值即为谐振阻抗，谐振阻抗对应的频率即为谐振频率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
以桥式整流电路作为谐波电流源注入装置。通过开关的控制，使桥式整流电路全周导通时，会产生奇次谐波；奇次谐波通过降压变压器耦合到供电区段的接触网上，再由降压变压器副边上的电压传感器和电流传感器采样测出降压变压器副边上的电压和电流；然后，通过开关短路掉桥式整流电路直流侧两个电阻中的一个电阻，使系统的阻抗发生波动，再得到阻抗波动后的电压和电流，随后由傅立叶变换后的频域电压和频域电流的波动量，计算出所在供电区段的不同频率下的阻抗；最大的阻抗即为奇次谐波阻抗，奇次谐波阻抗对应的频率即为谐振频率。同样，通过开关的控制，使桥式整流电路半周导通，会产生偶次谐波，并通过阻抗波动，得到频域电压和频域电流波动量，计算出所在供电区段的不同频率下的阻抗；最大的阻抗即为偶次谐波阻抗，偶次谐波阻抗对应的频率即为谐振频率。因此，本发明具有以下优点：
一、通过控制开关的通断，既能现场测出各供电区段的奇次谐波阻抗，也能现场测出各供电区段的偶次谐波阻抗。
二、通过阻抗波动，得到电压和电流波动量，由波动量计算得到的谐波阻抗，有效的消除了系统误差对谐波阻抗、谐振频率测量值的影响，其测量结果更准确、可靠。从而为牵引供电系统的设计、运行与维护的抗谐振措施提供更准确、可靠的参数，以减少或避免谐波谐振的发生，提高供电的可靠性及高速铁路运行的安全性。
三、电压、电流测量器件、数据处理器及谐波电流源注入装置均位于降压变压器的次边侧，降低了装置的工作电压，既大幅降低了装置的购置及运行成本，同时，也提高了测试的安全性。
四、谐波电流源注入装置由桥式整流电路构成，桥式整流电路为无源低功率电路较之有源的电流源注入装置，其结构更简单、控制更方便、可靠。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
附图说明
图1为本发明实施例的电路原理示意图。
具体实施方式
实施例
图1示出，本发明的一种具体实施方式是，一种牵引供电系统谐波阻抗测量装置，其组成是：
降压变压器ST的原边线圈的两端分别与供电区段的接触网CW和钢轨R相连，次边线圈上串接电流传感器TA，次边线圈的两端并接电压传感器TV；电流传感器TA和电压传感器TV的输出端均与数据处理器CPU相连；次边线圈的两端还与谐波电流源注入装置的两输出端相连；其中，谐波电流源注入装置的具体构成是：
桥式整流电路Z的一交流端直接作为谐波电流源注入装置的一输出端，桥式整流电路Z的另一交流端串接二极管D的负极，二极管D的正极作为谐波电流源注入装置的另一输出端；二极管D的正负极之间连接开关S1；桥式整流电路Z的两直流端并联一个电容C，电阻一R1与电阻二R2串联后并联于桥式整流电路Z的两直流端，电阻二R2上并联开关二S2。
使用本例的牵引供电系统谐波阻抗测量装置对牵引供电系统进行谐波阻抗测量的方法，其操作是：
A、闭合开关一S1、断开开关二S2、二极管D被短路，桥式整流电路Z全周导通，产生奇次谐波电流，奇次谐波电流通过降压变压器ST、接触网CW注入到牵引供电系统中；电压传感器TV和电流传感器TA分别采样测出降压变压器ST次边在全周导通下的电压和电流并传给数据处理器CPU,数据处理器CPU对全周导通下的电压和电流分别进行傅立叶变换得到全周导通下的频域电流I1,和频域电压U1,其中下标nf代表频率，n＝1,2,3…N,N＝25；为全周导通下的频域电流I1在频率nf下的值；为全周导通下的电压频域U1在频率nf下的值；
闭合开关一S1和开关二S2，二极管D和电阻二R2均被短路，桥式整流电路Z在小阻抗情形下全周导通，产生小阻抗下的奇次谐波电流，小阻抗下的奇次谐波电流通过降压变压器ST、接触网CW注入到牵引供电系统中；电压传感器TV和电流传感器TA分别采样测出降压变压器ST次边在小阻抗全周导通下的电压和电流并传给数据处理器CPU,数据处理器CPU对小阻抗全周导通下的电压和电流分别进行傅立叶变换得到小阻抗全周导通下的频域电流I2,和频域电压U2 ， Inf为小阻抗全周导通下的电流I2在频率nf下的分量；Unf为小阻抗全周导通下的电压U2在频率nf下的分量；
数据处理器CPU计算出降压变压器ST原边也即所在供电区段的牵引供电系统在频率nf下的阻抗值Z′nf，其中K2为降压变压器ST的变比的平方；进而得到所在供电区段的牵引供电系统的频域阻抗Znf，Znf＝[z1f,z2f,...znf,...zNf]，频域阻抗Znf中的最大值即为谐振阻抗，谐振阻抗对应的频率即为谐振频率；
B、断开开关一S1和开关二S2，二极管D使桥式整流电路Z仅在正半周导通，产生偶次谐波电流，偶次谐波电流通过降压变压器ST、接触网CW注入到牵引供电系统中；电压传感器TV和电流传感器TA分别采样测出降压变压器ST次边在半周导通下的电压和电流并传给数据处理器CPU；数据处理器CPU对半周导通下的电压和电流进行傅立叶变换得到半周导通下电流I3,和电压U3,
其中下标nf代表频率，n＝1,2,3…N,N＝25；Inf为全周导通下的电流I3在频率nf下的分量；Unf为全周导通下的电压U3在频率nf下的分量；
闭合开关二S2，使电阻二R2短路，桥式整流电路Z在小阻抗情形下正半周导通，产生小阻抗下的偶次谐波电流，小阻抗下的偶次谐波电流通过降压变压器ST、接触网CW注入到牵引供电系统中；电压传感器TV和电流传感器TA分别采样测出降压变压器ST次边在半周导通小阻抗下的电压和电流并传给数据处理器CPU；数据处理器CPU对半周导通小阻抗下的电压和电流进行傅立叶变换得到半周导通小阻抗下电流I4,和电压U4,
其中下标nf代表频率，n＝1,2,3…N,N＝25；Inf为全周导通下的电流I4在频率nf下的分量；Unf为全周导通下的电压U4在频率nf下的分量；
数据处理器CPU计算出降压变压器ST原边也即所在供电区段的牵引供电系统在频率nf的阻抗值Z′nf，其中K2为降压变压器ST的变比的平方；进而得到所在供电区段的牵引供电系统的频域阻抗Znf，Znf＝[z1f,z2f,...znf,...zNf]，频域阻抗Znf中的最大值即为谐振阻抗，谐振阻抗对应的频率即为谐振频率。

Claims (2)

1.一种牵引供电系统谐波阻抗测量装置，其组成是：
降压变压器(ST)的原边线圈的两端分别与供电区段的接触网(CW)和钢轨(R)相连，次边线圈上串接电流传感器(TA)，次边线圈的两端并接电压传感器(TV)；电流传感器(TA)和电压传感器(TV)的输出端均与数据处理器(CPU)相连；次边线圈的两端还与谐波电流源注入装置的两输出端相连；其中，谐波电流源注入装置的具体构成是：
桥式整流电路(Z)的一交流端直接作为谐波电流源注入装置的一输出端，桥式整流电路(Z)的另一交流端串接二极管(D)的负极，二极管(D)的正极作为谐波电流源注入装置的另一输出端；二极管(D)的正负极之间连接开关(S1)；桥式整流电路(Z)的两直流端并联一个电容(C)，电阻一(R1)与电阻二(R2)串联后并联于桥式整流电路(Z)的两直流端，电阻二(R2)上并联开关二(S2)。
2.一种使用权利要求1所述的牵引供电系统谐波阻抗测量装置对牵引供电系统进行谐波阻抗测量的方法，其操作是：
A、闭合开关一(S1)、断开开关二(S2)、二极管(D)被短路，桥式整流电路(Z)全周导通，产生奇次谐波电流，奇次谐波电流通过降压变压器(ST)、接触网(CW)注入到牵引供电系统中；电压传感器(TV)和电流传感器(TA)分别采样测出降压变压器(ST)次边在全周导通下的电压和电流并传给数据处理器(CPU),数据处理器(CPU)对全周导通下的电压和电流分别进行傅立叶变换得到全周导通下的频域电流I1,和频域电压U1,其中下标nf代表频率，n＝1,2,3…N,N＝25；为全周导通下的频域电流I1在频率nf下的值；为全周导通下的电压频域U1在频率nf下的值；
闭合开关一(S1)和开关二(S2)，二极管(D)和电阻二(R2)均被短路，桥式整流电路(Z)在小阻抗情形下全周导通，产生小阻抗下的奇次谐波电流，小阻抗下的奇次谐波电流通过降压变压器(ST)、接触网(CW)注入到牵引供电系统中；电压传感器(TV)和电流传感器(TA)分别采样测出降压变压器(ST)次边在小阻抗全周导通下的电压和电流并传给数据处理器(CPU),数据处理器(CPU)对小阻抗全周导通下的电压和电流分别进行傅立叶变换得到小阻抗全周导通下的频域电流I2,和频域电压U2，Inf为小阻抗全周导通下的电流I2在频率nf下的分量；Unf为小阻抗全周导通下的电压U2在频率nf下的分量；
数据处理器(CPU)计算出降压变压器(ST)原边也即所在供电区段的牵引供电系统在频率nf下的阻抗值Z′nf，其中K2为降压变压器(ST)的变比的平方；进而得到所在供电区段的牵引供电系统的频域阻抗Znf，Znf＝[z1f,z2f,...znf,...zNf]，频域阻抗Znf中的最大值即为谐振阻抗，谐振阻抗对应的频率即为谐振频率；
B、断开开关一(S1)和开关二(S2)，二极管(D)使桥式整流电路(Z)仅在正半周导通，产生偶次谐波电流，偶次谐波电流通过降压变压器(ST)、接触网(CW)注入到牵引供电系统中；电压传感器(TV)和电流传感器(TA)分别采样测出降压变压器(ST)次边在半周导通下的电压和电流并传给数据处理器(CPU)；数据处理器(CPU)对半周导通下的电压和电流进行傅立叶变换得到半周导通下电流I3,和电压U3,
其中下标nf代表频率，n＝1,2,3…N,N＝25；Inf为全周导通下的电流I3在频率nf下的分量；Unf为全周导通下的电压U3在频率nf下的分量；
闭合开关二(S2)，使电阻二(R2)短路，桥式整流电路(Z)在小阻抗情形下正半周导通，产生小阻抗下的偶次谐波电流，小阻抗下的偶次谐波电流通过降压变压器(ST)、接触网(CW)注入到牵引供电系统中；电压传感器(TV)和电流传感器(TA)分别采样测出降压变压器(ST)次边在半周导通小阻抗下的电压和电流并传给数据处理器(CPU)；数据处理器(CPU)对半周导通小阻抗下的电压和电流进行傅立叶变换得到半周导通小阻抗下电流I4,和电压U4,
其中下标nf代表频率，n＝1,2,3…N,N＝25；Inf为全周导通下的电流I4在频率nf下的分量；Unf为全周导通下的电压U4在频率nf下的分量；
数据处理器(CPU)计算出降压变压器(ST)原边也即所在供电区段的牵引供电系统在频率nf的阻抗值Z′nf，其中K2为降压变压器(ST)的变比的平方；进而得到所在供电区段的牵引供电系统的频域阻抗Znf，Znf＝[z1f,z2f,...znf,...zNf]，频域阻抗Znf中的最大值即为谐振阻抗，谐振阻抗对应的频率即为谐振频率。
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