CN109980644A - 用于电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种用于电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统，该系统包括：继电保护装置、所用变压器和谐波抑制装置；继电保护装置的输入端与高压进线连接，继电保护装置的输出端与所用变压器的高压进线端子连接，谐波抑制装置中的滤波装置并联在所用变压器的低压出线侧；继电保护装置用于检测所用变压器的二次侧谐波电流，若根据二次侧谐波电流判断获知谐波畸变率超过整定值和/或，所用变压器的绕组温度大于预设温度，则进行断路器跳闸操作。本发明实施例的继电保护装置在谐波畸变率超过整定值时，或者变压器绕组温度过高时，自动进行断路器的跳闸操作，保护所用变压器免受谐波危害，相比于现有技术，在谐波保护方面更加全面可靠。

Description

用于电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统

技术领域

本发明实施例涉及电力技术领域，更具体地，涉及一种用于电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统。

背景技术

电气化铁路车网匹配问题威胁着牵引供电系统的安全，交直交型电力机车、动车组可能引发高次谐波谐振现象，高次谐波可穿越到牵引变电所所用变压器低压侧，对所用变压器本身和所内用电设备造成严重污染，其可靠性、寿命会受到极大损害。牵引变电所现有的所用变压器大多采用干式变压器，由于其绕组绝缘强度不够，在高次谐波作用下时有发生匝间短路或层间短路故障进而产生绝缘击穿导致变压器烧毁的现象。现有技术中的所用变压器中，由谐波过电压引起的匝间短路在短路绕组内会产生较大幅度的匝间环流，但反映到变压器整体绕组的电流则很小，这导致电流互感器无法测量，以至于继电保护装置不能及时有效的进行跳闸动作，而且目前普遍使用的高压熔断器对于所用变压器持续低电流故障也不能起到有效的保护作用；目前牵引变电所所内用电设备容易受到27.5kV侧高次谐波的影响，高次谐波会传递到所用变压器低压侧，导致用电设备频繁发生故障，影响用电安全。

发明内容

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的用于电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统。

本发明实施例提供一种用于电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统，该系统包括：继电保护装置、所用变压器和谐波抑制装置；继电保护装置的输入端与高压进线连接，继电保护装置的输出端与所用变压器的高压进线端子连接，谐波抑制装置中的滤波装置并联在所用变压器的低压出线侧；继电保护装置用于检测所用变压器的二次侧谐波电流，若根据二次侧谐波电流判断获知谐波畸变率超过整定值和/或，所用变压器的绕组温度大于预设温度，则进行断路器跳闸操作。

本发明实施例提供的电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统，通过利用继电保护装置检测变压器的二次侧谐波电流，并在谐波畸变率超过整定值时，或者变压器绕组温度过高时，自动进行断路器的跳闸操作，保护所用变压器免受谐波危害，相比于现有技术，在谐波保护方面更加全面可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的用于电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的继电保护装置的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的谐波抑制装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的干式变压器高压绕组尺寸截面图；

图5为本发明实施例提供的干式变压器高压绕组各层绕组线圈匝数图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术中存在的上述问题，本发明实施例提供一种用于电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统，该系统是一种集抗谐波干扰的所用变压器，谐波抑制装置，继电保护功能为一体的，能为牵引变电所所内用电设备提供安全可靠的电能的集成装置。

参见图1，该系统包括：继电保护装置、所用变压器和谐波抑制装置；继电保护装置的输入端与高压进线连接，继电保护装置的输出端与所用变压器的高压进线端子连接，谐波抑制装置中的滤波装置并联在所用变压器的低压出线侧；继电保护装置用于检测所用变压器的二次侧谐波电流，若根据二次侧谐波电流判断获知谐波畸变率超过整定值和/或，所用变压器绕组温度大于预设温度，则进行断路器跳闸操作。

具体地，谐波抑制系统包括继电保护装置、所用变压器和谐波抑制这三个模块。系统的整体结构上可以使用箱式变电站结构，分别设保护装置的控制室、变压器室、滤波装置室，三个电气室间隔组成共箱式成套电气装置。高压进线由箱式变电站底部进入，经过继电保护装置后，与所用变压器高压进线端子连接。滤波装置并联在变压器低压出线侧。另外，所用变压器室可设置通风装置，便于器身散热。另外，针对继电保护装置，该继电保护装置可带有谐波检测和温度检测功能，从而实时检测变压器二次侧谐波电流，当谐波畸变率超过整定值时，或者变压器绕组温度过高，自动进行断路器的跳闸操作，保护所用变压器免受谐波危害。采用此措施，与目前同类型变压器相比，在谐波保护方面更加全面可靠。

本发明实施例提供的电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统，通过利用继电保护装置检测变压器的二次侧谐波电流，并在谐波畸变率超过整定值时，或者变压器绕组温度过高时，自动进行断路器的跳闸操作，保护所用变压器免受谐波危害，相比于现有技术，在谐波保护方面更加全面可靠。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，参见图2，继电保护装置包括：采集传感器、AD转换模块和中央处理器；采集传感器的输出端通过AD转换模块与中央处理器连接；采集传感器用于采集电压互感器和电流互感器的二次输出的电压信号及电流信号，并将电压信号及电流信号转换为交流电压信号后，将交流电压信号输入至AD转换模块；AD转换模块用于将交流电压信号转换为数字量数据，并将数字量数据输入至中央处理器；中央处理器用于根据数字量数据进行测量计算及保护逻辑控制。

具体地，采集互感器将谐波抑制系统中电压、电流互感器的二次输出电压及电流转换为3.53V的交流电压信号，上述转换过程具有隔离和抗干扰的作用。采集互感器的输出电压信号经两级RC滤波接入AD转换模块，转换为数字量数据，再接入CPU(即中央处理器)，使得CPU根据数字量数据进行测量计算及保护逻辑控制。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，继电保护装置还包括：出口控制模块和控制继电器；中央处理器通过出口控制模块与控制继电器连接；中央处理器用于将控制命令发送至出口控制模块；出口控制模块用于根据控制命令驱动控制继电器进行分合闸操作。

具体地，继电保护装置能够提供断路器的操作回路及10路无源接点输出，能够实现断路器及隔开等设备的分合闸控制。继电保护装置保护逻辑判断除需跳合闸或者接收到外部遥控分合闸命令时，由CPU发送控制命令至出口控制模块，出口控制模块驱动相应控制继电器实现分合闸操作。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，继电保护装置还包括：开入插件；开入插件的输出端通过光耦接入中央处理器的信号总线；开入插件用于采集开关量信息，并通过光耦将开关量信息输入至中央处理器。

具体地，开入插件能够实现外部遥信等开关量信息的采集。外部开关量接入开入插件后，经由电阻、电容等器件进行分压，然后接入光耦输入端，光耦的输出端接入CPU的信号总线，实现开入量信息的采集。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，继电保护装置还包括：人机接口插件；人机接口插件与中央处理器连接；人机接口插件用于显示参数信息以及接收对参数信息的修改指令。具体地，人机接口插件主要包含液晶显示、按键操作、指示灯显示，实现装置测量、保护、定值、通信等参数信息的显示或修改功能。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，继电保护装置还包括：通信接口；通信接口与中央处理器连接；通信接口用于接收及发送通信信息，通信信息包括遥信信息、遥测信息、遥控信息及保护动作信息中的至少一种；以及接收变压器温度采集模块采集的绕组温度，并将绕组温度发送至中央处理器。

具体地，继电保护装置的通信接口包含以太网(RJ45接口或光纤接口)、RS485接口，能够实现装置遥信、遥测、遥控、保护动作等信息的接收及传送。并能够通过RS485接收变压器温度采集模块的温度信息并发送给CPU，实现温度显示及保护功能。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，参见图3，谐波抑制装置包括：电流互感器、漏电保护开关和滤波装置；电流互感器依次与漏电保护开关及滤波装置连接；电流互感器设置于所用变压器的低压母线、滤波装置的进线、所用变压器的馈线侧，电流互感器用于检测输出电流中的谐波含量；滤波装置包括电阻器、电抗器及电容器；电阻器及电抗器并联，电阻器及电抗器的一端与漏电保护开关连接，电阻器及电抗器的另一端与电容器的一端连接。

具体地，用于谐波保护的电流互感器，安装在变压器低压母线、滤波器进线、变压器馈线侧，用于实时检测输出电流中的谐波含量。谐波抑制装置采取单相双线制式，进出线分别为一根火线和一根零线。正常情况下，工作电源为AC 230V。进线处，火线首先经过漏电保护开关，再穿过一台电流互感器(变比为50:5)一次侧，二次侧接入单相多功能数显表的测量电流采集部分，火线穿过电流互感器一次侧后，再接入由RLC构成的滤波装置。其中，谐波抑制装置的核心部件为RLC二阶无源高通滤波器(即滤波装置)。该滤波器由一个电阻器和一台电抗器并联再与一台电容器串联而成，可滤除14次以上的高次谐波电流。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，谐波抑制装置还包括：指示灯、数显表、温度控制器和风扇；指示灯的一端与电阻器及电抗器的一端连接，指示灯的另一端与电容器的另一端连接；数显表的一端与电阻器及电抗器的一端连接，数显表的另一端与电容器的另一端连接；温度控制器的一端与电阻器及电抗器的一端连接，温度控制器的另一端与风扇的一端连接，风扇的另一端与电容器的另一端连接。

具体地，滤波器左侧为一个温度控制器和风扇串联而成的支路，其左侧数显表的辅助电源电压与测量电压均采集谐波装置两端的工作电压。另外将指示灯，数显表，温控器和风扇并联在滤波器两端，由此构成整套谐波抑制装置。温度控制器与风扇配合使用，可根据谐波抑制装置允许的最高工作温度设置控制器的温度参数，以保证风扇可以起到有效的散热功能；单相多功能数显表可实时显示装置两端电压，总电流，有功功率，功率因数等基本数据；根据指示灯的亮或熄灭可判断谐波抑制装置是否正常工作。

综合上述针对谐波抑制装置的描述，谐波抑制装置配备温控风扇可有效降低其内部温度，正常工作情况下，谐波抑制装置可滤除变压器低压侧14次以上的高次谐波，可有效保护低压侧电气设备的用电安全。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，用于绕制所用变压器的高压绕组的导线采用绝缘漆和玻璃丝复合绝缘包裹，在电压较高的首尾段的外层和次外层采用加强绝缘及稀绕的方式。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，高压绕组的树脂浇铸中采用正压力浇铸。

具体地，首先以铁路DC9-30/27.5kV的干式变压器为例，其高压绕组为铜线绕制而成的分段多层圆筒式结构，总共有八段绕组，高、低压绕组的绝缘都采用特定的环氧树脂浇铸而成。干式变压器高压绕组的尺寸截面如图4所示，此干式变压器的整体高度为680mm，高压绕组上下高570mm。干式变压器高压绕组的各层绕组线圈匝数如图5所示。此干式变压器高压绕组共有8段，每段绕组共有11层线圈，且每层的线圈匝数也不完全相等，第一段的绕组匝数与其他各段有明显的差异，八段绕组之间是串联的关系。应当说明的是，上述型号及具体参数仅为了对所用变压器进行说明，本发明实施例的保护范围不限于此。

在高次谐波作用下，变压器绕组内部发生强烈的电磁振荡过程，线匝的电压并不是均匀分布的。高次谐波下各线匝的对地电位峰值也不呈线性分布的，出现中间某些线匝的电位比电压源电位还要高。

为了提升变压器抗谐波的性能，本发明实施例中，用于绕制变压器高压绕组的导线选用了更好的绝缘漆和玻璃丝复合绝缘包裹，并且在电压较高的首尾段的外层和次外层采用加强绝缘并稀绕的方式，有效增加了绕组线匝间的绝缘。其次，变压器高压绕组的线层间绝缘厚度和线段间绝缘厚度都加大了许多，大大降低了高压绕组的层间和段间电场强度。并且在高压绕组树脂浇注工艺上使用先进的正压力浇注模式，保证树脂的完全渗透无气泡，并且高压绕组树脂固化时采用倒梯度固化炉，增加了绕组线匝间、线层间和线段间的良好绝缘。

因此，本发明实施例对所用变压器的高压绕组导线选用了更好的绝缘材料，有效增加了绕组线匝间的绝缘，另外加强了变压器高压绕组的线层间绝缘厚度和线段间绝缘厚度，大大降低了高压绕组的层间和段间电场强度，并且在高压绕组树脂浇注工艺上使用先进的浇注模式，进一步增加了绕组线匝间、线层间和线段间的良好绝缘，大大增强了变压器抗谐波的能力。

综上，本发明实施例提供的用于电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统，采用绝缘工艺加强的所用变压器，从材质质量上保证其可以在有严重谐波污染的环境下正常运行；常规所用变压器通常采用高压熔断器以及过压过流等保护措施，但变压器一旦发生由匝间短路或层间短路故障引起的绝缘击穿问题，常规保护措施不能及时有效的对变压器起到保护功能，为此本发明实施例采用了温度保护、烟雾报警功能的继电保护装置，可以有效加强对所用变压器的保护功能；即使所用变压器在高次谐波环境下可以正常运行，但用电设备仍然暴露在谐波污染的环境中，容易发生故障，为此本发明实施例还配备有谐波抑制装置，可以吸收14次以上的高次谐波电流，极大地改善设备的用电环境。

并且，将所用变压器，继电保护装置以及谐波抑制装置集成为一体，构成共箱式抗谐波变压装置，可极大地保障变压器自身的运行安全，提高变压器输出侧的电能质量，保护用电设备，与同类型变压器相比，该集成方案更有优势。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种用于电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统，其特征在于，包括：继电保护装置、所用变压器和谐波抑制装置；所述继电保护装置的输入端与高压进线连接，所述继电保护装置的输出端与所述所用变压器的高压进线端子连接，所述谐波抑制装置中的滤波装置并联在所述所用变压器的低压出线侧；

所述继电保护装置用于检测所述所用变压器的二次侧谐波电流，若根据所述二次侧谐波电流判断获知谐波畸变率超过整定值和/或，所述所用变压器的绕组温度大于预设温度，则进行断路器跳闸操作。

2.根据权利要求1所述的用于电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统，其特征在于，所述继电保护装置包括：采集传感器、AD转换模块和中央处理器；所述采集传感器的输出端通过所述AD转换模块与所述中央处理器连接；

所述采集传感器用于采集电压互感器和电流互感器的二次输出的电压信号及电流信号，并将所述电压信号及所述电流信号转换为交流电压信号后，将所述交流电压信号输入至所述AD转换模块；

所述AD转换模块用于将所述交流电压信号转换为数字量数据，并将所述数字量数据输入至所述中央处理器；

所述中央处理器用于根据所述数字量数据进行测量计算及保护逻辑控制。

3.根据权利要求2所述的用于电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统，其特征在于，所述继电保护装置还包括：出口控制模块和控制继电器；所述中央处理器通过所述出口控制模块与所述控制继电器连接；

所述中央处理器用于将控制命令发送至所述出口控制模块；

所述出口控制模块用于根据所述控制命令驱动所述控制继电器进行分合闸操作。

4.根据权利要求2所述的用于电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统，其特征在于，所述继电保护装置还包括：开入插件；所述开入插件的输出端通过光耦接入所述中央处理器的信号总线；

所述开入插件用于采集开关量信息，并通过所述光耦将所述开关量信息输入至所述中央处理器。

5.根据权利要求2所述的用于电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统，其特征在于，所述继电保护装置还包括：人机接口插件；所述人机接口插件与所述中央处理器连接；

所述人机接口插件用于显示参数信息以及接收对所述参数信息的修改指令。

6.根据权利要求2所述的用于电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统，其特征在于，所述继电保护装置还包括：通信接口；所述通信接口与所述中央处理器连接；

所述通信接口用于接收及发送通信信息，所述通信信息包括遥信信息、遥测信息、遥控信息及保护动作信息中的至少一种；以及接收变压器温度采集模块采集的所述绕组温度，并将所述绕组温度发送至所述中央处理器。

7.根据权利要求1所述的用于电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统，其特征在于，所述谐波抑制装置包括：电流互感器、漏电保护开关和滤波装置；所述电流互感器依次与所述漏电保护开关及所述滤波装置连接；所述电流互感器设置于所述所用变压器的低压母线、所述滤波装置的进线、所述所用变压器的馈线侧，所述电流互感器用于检测输出电流中的谐波含量；

所述滤波装置包括电阻器、电抗器及电容器；所述电阻器及所述电抗器并联，所述电阻器及所述电抗器的一端与所述漏电保护开关连接，所述电阻器及所述电抗器的另一端与所述电容器的一端连接。

8.根据权利要求7所述的用于电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统，其特征在于，所述谐波抑制装置还包括：指示灯、数显表、温度控制器和风扇；

所述指示灯的一端与所述电阻器及所述电抗器的一端连接，所述指示灯的另一端与所述电容器的另一端连接；

所述数显表的一端与所述电阻器及所述电抗器的一端连接，所述数显表的另一端与所述电容器的另一端连接；

所述温度控制器的一端与所述电阻器及所述电抗器的一端连接，所述温度控制器的另一端与所述风扇的一端连接，所述风扇的另一端与所述电容器的另一端连接。

9.根据权利要求1所述的用于电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统，其特征在于，用于绕制所述所用变压器的高压绕组的导线采用绝缘漆和玻璃丝复合绝缘包裹，在电压较高的首尾段的外层和次外层采用加强绝缘及稀绕的方式。

10.根据权利要求9所述的用于电气化铁路牵引变电所所用电源的谐波抑制系统，其特征在于，所述高压绕组的树脂浇铸中采用正压力浇铸。