CN116400149A - 针对杂散电流及感应电流占比分析的变压器偏磁评估方法 - Google Patents

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CN116400149A CN202310205335.6A CN202310205335A CN116400149A CN 116400149 A CN116400149 A CN 116400149A CN 202310205335 A CN202310205335 A CN 202310205335A CN 116400149 A CN116400149 A CN 116400149A
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唐明巍
郭裕钧
肖嵩
张血琴
王梓靖
钟和民
曹野
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Abstract

本发明公开了一种针对杂散电流及感应电流占比分析的变压器偏磁评估方法，具体为：偏磁电流监测装置配置在变压器中性线、高压侧出线和低压侧出线处采集电流数据；磁感应强度监测装置布置于输电线路下方，实时监测电网接地回路中的磁感应强度；数据处理与发送模块无线发送电流数据和磁场数据；终端部分的数据接收模块接受到无线数据后将其送入计算机系统，计算机系统通过快速傅里叶变换计算杂散电流与感应电流占比、交直流占比，明确偏磁电流的具体成分。本发明可以对偏磁电流进行实时监测，区分偏磁电流中的成分，并获得不同成分的占比，为变压器偏磁抑制的合理优化配置提供数据支撑，为保障电网的安全稳定运行奠定基础。

Description

针对杂散电流及感应电流占比分析的变压器偏磁评估方法
技术领域
本发明属于轨道交通杂散电流治理技术领域，尤其涉及一种针对杂散电流及感应电流占比分析的变压器偏磁评估方法。
背景技术
直流地铁系统中钢轨一般同时承担列车走行和牵引回流任务，由于钢轨本身具有一定的电阻，且对地不能做到完全绝缘，因此牵引电流从钢轨回流时将形成对地电位和沿钢轨方向的电压降，轨地间的电位差使得部分牵引回流从钢轨流入大地，形成沿钢轨方向泄漏程度不等的杂散电流。另外，由于地铁牵引电流具有时变特性，时变的电流将产生变化的磁场，电网系统直流接地回路在时变磁场的作用下回路中将产生感应电流。
杂散电流和感应电流入侵城市电网将造成变压器的异常偏磁现象，偏磁状态下变压器励磁电流将发生明显畸变，导致变压器异常发热、噪声增大和谐波内容增多等问题，直接影响变压器使用寿命。长期工作在偏磁电流作用下的变压器会引发变压器损坏、电压失稳和保护误动等重大事故，对电力系统的安全稳定运行造成严重威胁。近年来，随着城市轨道交通和电网的迅速发展，地铁线路增多，导致杂散电流泄漏源和感应电流产生源数量急剧增大，加剧了城市电网变压器所受到的偏磁危害，严重影响了电力生产的正常稳定进行，地铁与电网系统间的偏磁电流耦合问题日益突出。
目前主要是基于变压器中性点开展了一系列监测杂散电流的研究，其明确了杂散电流是造成城市地区变压器偏磁的重要原因。但是在某些没有杂散电流入侵路径的电网系统变电站中同样发现了不可忽视的偏磁现象，推测存在一部分值得重视的感应电流。由于杂散电流和感应电流的产生机理不同，其防护方法也相应有所差异。杂散电流防护一般采用变压器中性点经电容接地或是经小电阻接地的方式；而感应电流防护则采用交流滤波装置或在线路周边设置电磁屏蔽层防护，但是杂散电流和感应电流的具体占比尚无定论，也就导致防护缺乏针对性。目前针对地铁系统运行时产生的输电线路感应电流的试验研究较少，鲜有试验能够明确杂散电流与感应电流的具体占比关系。
发明内容
针对偏磁电流中杂散电流和感应电流具体占比难以明确的问题。本发明提供了一种针对杂散电流及感应电流占比分析的变压器偏磁评估方法。
本发明的一种针对杂散电流及感应电流占比分析的变压器偏磁评估方法，系统包括偏磁电流监测装置、磁感应强度监测装置、数据处理与发送模块、数据接收模块和计算机系统。偏磁电流监测装置配置在变压器中性线、高压侧出线和低压侧出线处采集电流数据。磁感应强度监测装置布置于输电线路下方，实时监测电网接地回路中的磁感应强度。数据处理与发送模块无线发送偏磁电流监测装置采集到的电流数据和磁感应强度监测装置采集到的磁场数据；终端部分的数据接收模块接受到无线数据后将其送入计算机系统，计算机系统通过快速傅里叶变换计算杂散电流与感应电流占比、交直流占比，明确偏磁电流的具体成分，为设计变压器偏磁抑制措施提供依据。
偏磁电流监测装置包括霍尔传感器和交流互感器两种类型的电流传感器，两种传感器统一被封装在偏磁电流监测装置中，分别采集经过降压电路处理后的电流信号，两种传感器针对的测试对象不同，霍尔传感器采集直流为主的杂散电流，交流互感器采集交流感应电流。具有操作方便、原理简单、易于维护等特点。
偏磁电流监测装置和磁感应强度监测装置中采用GPS模块，与地铁调度系统同步授时和定位，一旦接收到地铁系统运行的信号，系统向两种装置的供电模块发送工作信号，供电模块正常工作，电流传感器和磁感应传感器获得工作电压后开始采集电流和磁场信号。该方法有效增大相关传感器的使用寿命并提高经济效益，且在地铁运行时才开始工作，具有很强针对性。
磁感应强度监测装置采集的磁场数据送入计算机系统后，计算机系统利用磁场数据，结合预先导入的电网回路面积数据，计算出感应电流的理论计算值，将感应电流理论计算值与交流传感器采集到的交流电流波形进行对比，若波形相似度大于80％，则判定采集到的是感应电流，以此对不同偏磁电流进行占比计算。
还包括一个多通道的滤波模块，分别滤除采集到的杂散电流信号和感应电流信号中不平衡电流和谐波，通过通信模块准备向外传送数据，然后数据进入到数据处理与发送模块。
本发明与现有技术相比的有益技术效果为：
本发明基于变压器中性线、高压侧和低压侧的偏磁电流检测装置实现对站内电力变压器偏磁电流的实时精确监测，保障电网的安全稳定运行，提升电网系统的智能化水平。
基于地铁系统运行周期的偏磁电流和磁感应强度监测装置投切，相较于传统监测装置的工作方式相比，本发明中监测装置在非地铁运行期间不投运，大大增加了其使用寿命，提高了经济与生产效益。
本发明采用了一种感应电流理论值与实测值的计算和比较方法，为精确鉴别电网回路中杂散电流和感应电流种类提供理论支撑，最终可以针对不同类型的偏磁电流采取相对应的针对性治理方法。
本发明考虑到杂散电流具有动态时变特性，本发明还提取了杂散电流的低频交流特征，明确了由地铁系统运行产生的直流与交流分量占比，为偏磁抑制方法的合理选取提供有效依据。
附图说明
图1为地铁杂散电流入侵城市电网电力变压器示意图。
图2为电网直流接地回路中感应电流的产生示意图。
图3为杂散电流和感应电流占比分析流程图。
图4为偏磁电流监测装置的系统框图。
图5为设备布置图。
附图标号释义：1-地铁系统，2-主供电所，3-牵引变电站，4-接触线，5-钢轨，6-排流网，7-隧道结构，8-大地，9-电网系统，10-接地系统，11-中性线，12-电力变压器，13-输电线路，14-时变磁场，15-偏磁电流监测装置，16-磁感应强度监测装置，17-变压器中性点，18-变压器高压侧，19-变压器低压侧，20-数据传输线，21-无线传输。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步说明。
首先地铁杂散电流入侵电网电力变压器如图1所示。在地铁系统1中，主供电所2提供的交流电流通过牵引变电站3内的整流装置转换为直流后流入接触线4。牵引电流从接触线流向列车为其供能，并通过钢轨5回流。由于钢轨与大地之间不能完全绝缘，牵引回流时轨电位上升，部分电流从钢轨泄漏形成杂散电流。杂散电流首先被地铁系统中的排流网6收集，未被收集的杂散电流从地铁隧道结构7逃逸，通过大地8入侵电网系统9的接地系统10，接着从中性线11流入电力变压器12的中性点，在输电线路13中流动，造成变压器的偏磁，其中电网系统中接入了偏磁电流监测装置15。
图2为电网直流接地回路中感应电流的产生示意图，接触线上的时变牵引电流在电网接地回路处产生时变磁场14，使得接地回路中出现感应电流，在电网接地回路中专设了磁感应强度监测装置16，采用此装置向计算机系统传输磁感应强度的实时监测数据，理论计算感应电流的幅值大小和频率。
本发明中，杂散电流和感应电流占比分析的流程图如图3所示，GPS装置同步采集地铁调度系统的时间信号和列车位置信号，首先判断地铁系统是否开始运行，若是，则偏磁电流监测装置和磁感应强度监测装置开始工作；若否，则其不工作，且GPS持续与地铁系统运行状态同步。当地铁系统运行后，偏磁电流监测装置和磁感应强度监测装置工作，偏磁电流监测装置采集来自霍尔传感器和交流互感器的电流信号，且磁感应强度监测装置采集电网接地回路磁场数据，并将数据送入计算机系统计算感应电流理论值，感应电流i的理论计算公式为：
Figure BDA0004110682360000047
其中，B为磁感应强度，R为电网回路直流电阻，S为电网回路面积。当计算出感应电流理论值时，计算机系统首先将交流互感器得到的监测电流中50Hz的正常运行电流去除并将剩余部分与感应电流理论值进行波形比较，若波形相似度大于80％，则判定交流互感器采集到的电流为感应电流。然后，对偏磁电流监测装置采集到的杂散电流和感应电流进行快速傅里叶变换(FFT)，计算过程为，任意一个连续信号f(t)的傅里叶变换都可以表示为：
Figure BDA0004110682360000041
式中ω＝2πf，将上式进行离散傅里叶变换(DFT)以便于计算机处理，离散过程中需设定采样间隔TS，对连续信号f(t)进行采样后得到序列f(nTS)，此时离散傅里叶变换可表示为：
Figure BDA0004110682360000042
其中
Figure BDA0004110682360000043
进一步地，在DFT算法基础提出FFT算法。任意一个序列f[n]都可以分解成奇偶序列之和，即：
f[n]＝f1[n]+f2[n]
则两个序列长度均为N/2，由DFT变换可知：
Figure BDA0004110682360000044
Figure BDA0004110682360000045
Figure BDA0004110682360000046
一个N项序列(N为偶数)，其DFT可以拆分成N/2项子序列，再用N次运算把两个把两个N/2点的离散傅里叶变换组合成一个N点的变换，继续将子序列一分为二，直到将N项序列分为两两一组的离散傅里叶变换单元，大大降低了计算量，显著提高了计算效率。
经过上述FFT分析后，电流数据f(t)变为：
f(t)＝a0+a1sinωt+b1cosωt+a2sin 2ωt+b2cos 2ωt+……+aN-1sin(N-1)ωt
+bN-1cos(N-1)ωt
其中，a0表示采集电流的直流分量；an和bn(n＝1、2、3……N-1)为交流分量幅值，ω为基频角速度，也就是FFT所计算的最小频率角速度。
这样，数据被频域离散化，便于提取每个频率对应的电流幅值。对于霍尔传感器采集到的杂散电流信号来说，其随地铁的动态运行表现为周期性、正负交变性和冲击性，对其FFT可以发现其存在0.1Hz左右的低频交流电流，本发明关注到了杂散电流中的低频部分，因此与交流互感器采集到的感应电流一起纳入交流电流的计算。通过上述方式，能够明确杂散电流和感应电流具体占比，并且通过对杂散电流的FFT也能够提取其交流电流占比，最终明确由地铁系统运行产生的交直流占比。
本发明中偏磁电流装置系统框图如图4所示，GPS装置同步地铁系统运行状态，当监测到地铁系统准备运行时，向电流传感器的供电模块发送工作信号，供电模块正常工作后向霍尔传感器和交流互感器发送工作信号，霍尔传感器用于采集杂散电流信号，交流互感器用于采集感应电流信号。上述两种传感器采集来自降压电路处理后的变压器中性线、高压侧及低压侧电流信号，经过滤波模块滤除三相不平衡电流及杂波的影响，过滤得到的杂散电流和感应电流信号，并通过通信装置将数据无线发送至终端计算机系统进行处理。
本发明中设备布置图如图5所示，为了完整监测电网回路中的杂散电流和感应电流，分别在变压器中性点17、高压侧18和低压侧19装设偏磁电流监测装置15，同步采集电流信号并通过数据传输线20将数据传送至数据处理与发送装置，该装置无线传输21数据至终端部分的数据接收模块，计算机系统接受来自变压器侧的无线电流数据后进行FFT处理，最终输出杂散电流和感应电流、交流和直流的占比数据。

Claims (5)

1.一种针对杂散电流及感应电流占比分析的变压器偏磁评估方法，其特征在于，系统包括偏磁电流监测装置、磁感应强度监测装置、数据处理与发送模块、数据接收模块和计算机系统；偏磁电流监测装置配置在变压器中性线、高压侧出线和低压侧出线处采集电流数据；磁感应强度监测装置布置于输电线路下方，实时监测电网接地回路中的磁感应强度；数据处理与发送模块无线发送偏磁电流监测装置采集到的电流数据和磁感应强度监测装置采集到的磁场数据；终端部分的数据接收模块接受到无线数据后将其送入计算机系统，计算机系统通过快速傅里叶变换计算杂散电流与感应电流占比、交直流占比，明确偏磁电流的具体成分，为设计变压器偏磁抑制措施提供依据。
2.根据权利要求1所述的一种针对杂散电流及感应电流占比分析的变压器偏磁评估方法，其特征在于，所述偏磁电流监测装置包括霍尔传感器和交流互感器两种类型的电流传感器，两种传感器统一被封装在偏磁电流监测装置中，分别采集经过降压电路处理后的电流信号，两种传感器针对的测试对象不同，霍尔传感器采集直流为主的杂散电流，交流互感器采集交流感应电流。
3.根据权利要求1所述的一种针对杂散电流及感应电流占比分析的变压器偏磁评估方法，其特征在于，所述偏磁电流监测装置和磁感应强度监测装置中采用GPS模块，与地铁调度系统同步授时和定位，一旦接收到地铁系统运行的信号，系统向两种装置的供电模块发送工作信号，供电模块正常工作，电流传感器和磁感应传感器获得工作电压后开始采集电流和磁场信号。
4.根据权利要求3所述的一种针对杂散电流及感应电流占比分析的变压器偏磁评估方法，其特征在于，所述磁感应强度监测装置采集的磁场数据送入计算机系统后，计算机系统利用磁场数据，结合预先导入的电网回路面积数据，计算出感应电流的理论计算值，将感应电流理论计算值与交流传感器采集到的交流电流波形进行对比，若波形相似度大于80％，则判定采集到的是感应电流，以此对不同偏磁电流进行占比计算。
5.根据权利要求1所述的一种针对杂散电流及感应电流占比分析的变压器偏磁评估方法，其特征在于，还包括一个多通道的滤波模块，分别滤除采集到的杂散电流信号和感应电流信号中不平衡电流和谐波，通过通信模块准备向外传送数据，然后数据进入到数据处理与发送模块。
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