一种高速铁路牵引变电所亭直流偏磁监测系统及方法

技术领域

本申请涉及供电技术领域，更具体地，涉及一种高速铁路牵引变电所亭直流偏磁监测系统及方法。

背景技术

高速铁路牵引变电所亭分布广泛、周边环境复杂，所亭内部为高电压、强磁场环境。为监测特高压直流接地极入地电流对附近铁路牵引变电所亭变压器直流偏磁的影响，需要构建直流偏磁监测系统。

现有变压器直流偏磁监测系统多采取新增专用电流电压传感器、噪声测量传感器等手段，比如一般在变压器中性点增加直流电流传感器，或在馈线侧并联电流互感器，以及增加变压器噪声监测等方式。

这些方式未利用现有变电所中的设备，增加了变电所二次系统的复杂度，提高了监测成本，同时未充分考虑铁路牵引所亭环境复杂度，传感器的稳定性直接影响了监测结果的可靠性。

发明内容

针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种高速铁路牵引变电所亭直流偏磁监测系统及方法，利用高速铁路牵引供电系统牵引变电所、自耦所、分区所形成直流通路的特点，建立一套可靠、实用的直流偏磁监测系统，针对直流接地极对范围内牵引变电所亭变压器直流偏磁的影响进行高效、准确地分析。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种高速铁路牵引变电所亭直流偏磁监测系统，该系统包括监测主机以及分别设置在同一供电臂下的变电所、自耦所、分区所的多个数据分析装置和测温传感器；

每个所述数据分析装置用于获取安装在自身所属系统中的高压侧电流互感器采集的第一电流信号以及低压侧电流互感器采集的第二电流信号，根据所述第一电流信号、第二电流信号计算励磁电流和二次谐波分量并将其上传至监测主机；

所述测温传感器用于采集自身所属系统中的变压器铁芯的温度数据并将其上传至监测主机；

所述监测主机实时监测变电所、自耦所、分区所的所述励磁电流的峰值、所述二次谐波分量和所述变压器铁芯的温度数据，若变电所、自耦所、分区所中的任意一个或多个满足励磁电流的峰值超过第一预设值、二次谐波分量超过第二预设值且所述温度数据高于第三预设值，则生成直流偏磁报警信号。

优选的，上述高速铁路牵引变电所亭直流偏磁监测系统，所述第一预设值为预设倍数的空载电流。

优选的，上述高速铁路牵引变电所亭直流偏磁监测系统，所述第二预设值为预设倍数的基波。

优选的，上述高速铁路牵引变电所亭直流偏磁监测系统，所述数据分析装置为具有快速傅里叶变换功能的装置。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种高速铁路牵引变电所亭直流偏磁监测方法，其包括以下步骤：

分别获取同一供电臂下的变电所、自耦所、分区所中的高压侧电流互感器采集的第一电流信号以及低压侧电流互感器采集的第二电流信号，根据所述第一电流信号、第二电流信号分别计算变电所、自耦所、分区所各自对应的励磁电流和二次谐波分量；

采集同一供电臂下的变电所、自耦所、分区所中的变压器铁芯的温度数据；

分别判断变电所、自耦所、分区所的所述励磁电流的峰值是否超过第一预设值且所述二次谐波分量是否超过第二预设值，若是，则进一步判断所述温度数据是否高于第三预设值；

若变电所、自耦所、分区所中的任意一个或多个满足励磁电流的峰值超过第一预设值、二次谐波分量超过第二预设值且温度数据高于第三预设值，则生成直流偏磁报警信号。

优选的，上述高速铁路牵引变电所亭直流偏磁监测方法，所述第一预设值为预设倍数的空载电流。

优选的，上述高速铁路牵引变电所亭直流偏磁监测方法，所述第二预设值为预设倍数的基波。

优选的，上述高速铁路牵引变电所亭直流偏磁监测方法，根据所述第一电流信号、第二电流信号分别计算变电所、自耦所、分区所各自对应的励磁电流和二次谐波分量包括：

根据所述第一电流信号、第二电流信号计算变电所、自耦所、分区所各自对应的励磁电流；

对所述励磁电流进行快速傅里叶变换，得到二次谐波分量。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的高速铁路牵引变电所亭直流偏磁监测系统及方法，利用高速铁路牵引供电系统牵引变电所、自耦所、分区所形成直流通路的特点，以变压器的励磁电流、二次谐波分量以及变压器铁芯的温度作为监测指标，通过多维度综合判断变压器直流偏磁状态，系统可靠性较高；系统设计充分利用了牵引变电所亭的既有设备，仅新增了测温传感器。本发明为量化特高压直流接地极入地电流对牵引变压器的影响提供了解决方案，保证高速铁路供电设备的安全可靠运行。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需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申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实施例提供的直流偏磁监测系统的原理示意图；

图2为本实施例提供的高速铁路牵引变电所、AT自耦所及分区所构成的直流通路的示意图；

图3为本实施例提供的高速铁路牵引变电所亭直流偏磁监测系统的逻辑框图；

图4为高速铁路牵引变电所亭的供电系统回路的结构示意图；

图5为本实施例提供的高速铁路牵引变电所亭直流偏磁监测方法的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

本发明提出的一种用于高速铁路牵引变电所亭的直流偏磁监测系统及监测方法，该监测系统充分利用牵引变电所亭的既有设备信息，通过多维度综合判断变压器直流偏磁状态和受影响程度，更适于用来定量分析长距离高铁线路牵引所亭受直流接地极的影响程度。

具体而言，本发明利用铁路牵引供电系统牵引变电所、AT所、分区所变压器统一形成直流通路的特点，以及变压器直流偏磁时励磁电流畸变、铁芯损耗增加的现象设计直流偏磁监测系统。

1)变压器直流偏磁时，励磁电流畸变且出现偶次谐波

当变压器绕组流过直流电流时，铁芯磁通由流过绕组的励磁电流产生的磁通和直流电流产生的磁通叠加组成。

φ＝φ

其中，φ表示变压器铁芯的总磁通量；φ

绕组感应电动势与输入电压近似相等，有：

则

其中，e表示变压器绕组的感应电动势；U表示输入电压；N表示变压器线圈匝数；w表示角频率；

当变压器铁芯的总磁通量大于临界饱和磁通，正半周波励磁特性进入饱和区，负半周波处于不饱和区，励磁电流波形将产生畸变，谐波含量增加；同时由于铁芯进入励磁饱和区，励磁电流不再具有半波对称性，对其进行傅里叶分解，励磁电流中将出现偶次谐波。

根据高低压侧电流计算励磁电流

对励磁电流进行傅里叶分解和谐波分析，可以得到励磁电流的二次谐波分量。

2)直流偏磁导致铁芯磁通饱和，损耗增大

当直流电流较大时，变压器内部的磁通进入饱和区，励磁电流增大，且漏磁通增大导致铁芯铁耗增加，温升增大。

3)高速铁路直流通路

图1是本实施例提供的直流偏磁监测系统的原理示意图，图2是本实施例提供的高速铁路牵引变电所、AT自耦所及分区所构成的直流通路的示意图，参见图1，高速铁路供电系统直流通路由变电所变压器绕组(对应图2中的A处)-牵引网-AT自耦所(对应图2中的B处)/分区所(对应图2中的C处)自耦变绕组-钢轨/PW保护线组成，参见图2，当接地极单极接地运行时，入地电流将流过上述直流通路，在牵引变电所、AT所及分区所变压器绕组中出现直流电流。同时监测同一供电臂下的变电所、AT所、分区所的直流偏磁状态，综合确定牵引供电系统各变压器受到的直流偏磁影响。

图3是本实施例提供的高速铁路牵引变电所亭直流偏磁监测系统的逻辑框图，参见图3，本系统包括监测主机以及分别设置在同一供电臂下的变电所、自耦所、分区所的多个数据分析装置和测温传感器；

图4是高速铁路牵引变电所亭的供电系统回路的结构示意图，如图4所示，系统中的每个变压器的高压侧、低压侧均设置有电流互感器，分别用以检测变压器高压侧和低压侧的电流信号；在此基础上，本实施例在系统中新增了铁芯温度传感器，来采集变压器铁芯的温度值，实现变压器温度的实时检测。

变电所、自耦所、分区所中的数据分析装置用于获取安装在自身所属所站中的高压侧电流互感器采集的第一电流信号以及低压侧电流互感器采集的第二电流信号，并根据所述第一电流信号、第二电流信号计算励磁电流和二次谐波分量并将其上传至监测主机；本实施例中的数据分析装置为具有快速傅里叶变换功能的装置。

变电所、自耦所、分区所中的铁芯温度传感器测温传感器用于采集自身所属所站中的变压器铁芯的温度数据并将其上传至监测主机。

监测主机实时监测变电所、自耦所、分区所对应的励磁电流的峰值、二次谐波分量和变压器铁芯的温度数据，若变电所、自耦所、分区所中的任意一个或多个满足励磁电流的峰值超过第一预设值、二次谐波分量超过第二预设值且所述温度数据高于第三预设值，则生成直流偏磁报警信号。

本实施例中，第一预设值为预设倍数的空载电流，第二预设值为预设倍数的基波。在一个具体示例中，若牵引变电所、AT所、分区所的变压器励磁电流的峰值I

在一个可选示例中，监测主机放置在牵引变电所中，其综合数据分析装置和铁芯温度曲线分析牵引变压器的直流偏磁状态。

本实施例还提供了一种高速铁路牵引变电所亭直流偏磁监测方法，参见图5，该方法包括以下步骤：

S1：分别获取同一供电臂下的变电所、自耦所、分区所中的高压侧电流互感器采集的第一电流信号以及低压侧电流互感器采集的第二电流信号，根据所述第一电流信号、第二电流信号分别计算变电所、自耦所、分区所各自对应的励磁电流和二次谐波分量，具体包括：

首先根据第一电流信号、第二电流信号计算变电所、自耦所、分区所各自对应的励磁电流；

然后对励磁电流进行快速傅里叶变换，得到二次谐波分量。

S2：分别判断变电所、自耦所、分区所的励磁电流的峰值是否超过第一预设值且所述二次谐波分量是否超过第二预设值，若是，则进入下一步；

本实施例中，第一预设值为预设倍数的空载电流，第二预设值为预设倍数的基波。在一个具体示例中，若牵引变电所、AT所、分区所的变压器励磁电流的峰值I

S3：采集同一供电臂下的变电所、自耦所、分区所中的变压器铁芯的温度数据，判断所述温度数据是否高于第三预设值；

在一个具体示例中，若铁芯温度传感器监测到铁芯温升超30K，则将温度实时数据上传至监测主机。

S4：若变电所、自耦所、分区所中的任意一个或多个满足励磁电流的峰值超过第一预设值、二次谐波分量超过第二预设值且温度数据高于第三预设值，则生成直流偏磁报警信号。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。