電壓互感器對牽引網(wǎng)行波故障測距法的影響分析

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(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

電壓互感器對牽引網(wǎng)行波故障測距法的影響分析

李夢醒，王碩禾，郝偉康

(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

牽引網(wǎng)行波故障測距技術(shù)通常采用牽引系統(tǒng)中已有的電壓互感器設(shè)備獲取電壓暫態(tài)行波信號。為了研究電壓互感器的傳變特性對牽引網(wǎng)行波故障測距方法的影響，本文采用ATP-EMTP建立電壓互感器仿真模型，并將其植入牽引網(wǎng)仿真線路中進行仿真研究。仿真實驗綜合考慮牽引供電方式、短路故障類型、電力機車以及故障發(fā)生位置等主要影響因素，運用bior4.4小波變換對互感器一次側(cè)和二次側(cè)的電壓行波信號進行分析。研究結(jié)果表明，在不同的牽引線路情況和故障條件下，互感器均能準確無延時地傳輸故障行波和波頭極性,說明電壓互感器對故障行波的傳變特性基本不會對行波故障測距法產(chǎn)生影響。因此可以利用線路已有的電壓互感器獲取故障信號進行行波測距法。

電壓互感器；傳變特性；小波變換；牽引網(wǎng)；行波故障測距

0 引言

在基于行波原理的牽引網(wǎng)故障測距技術(shù)中，針對行波傳輸特點和牽引線路結(jié)構(gòu)特點，宜選用電壓信號作為故障測距行波信號。為了避免投資的加大及工程安裝復(fù)雜程度的增加，因此一般采用牽引變電所以及分區(qū)所內(nèi)已安裝的電壓互感器測量電壓暫態(tài)行波信號。牽引網(wǎng)線路上的電壓互感器一般為電磁式電壓互感器，傳統(tǒng)理論認為它不能有效地傳變高頻行波，其二次信號難以直接用于行波保護與行波定位，但后來國內(nèi)學(xué)者的研究工作對此又有了新的認識[1]。因此，進一步研究電壓互感器的暫態(tài)行波傳變特性對行波測距法的影響對在鐵路牽引網(wǎng)中行波法的實際應(yīng)用具有重要的理論和實際意義。

由于電壓互感器對故障行波的傳變特性測試實驗難以直接在實際牽引網(wǎng)中進行，因此本文利用ATP/EMTP軟件建立電磁式電壓互感器仿真模型，分析其對沖擊信號的傳變特性?，F(xiàn)有對電壓互感器行波傳變特性的分析基本上是基于理想的暫態(tài)故障行波，但其實牽引供電系統(tǒng)線路結(jié)構(gòu)和運行方式復(fù)雜，對電壓故障行波的影響因素很多[2-3]，這些因素會使故障行波發(fā)生畸變，因而可能會影響互感器對行波波頭的傳變特性，為了更加準確地研究互感器傳變特性對牽引網(wǎng)行波故障測距法的影響，本文將電壓互感器模型植入牽引線路中，在綜合考慮多個不同的故障條件下，進行仿真實驗。利用小波變換分析互感器一次側(cè)和二次側(cè)的電壓行波信號來研究其傳變特性對行波故障測距法的影響，目的在于決策行波測距原理在牽引網(wǎng)線路中的適用性。

1 電壓互感器仿真模型的建立

電磁式電壓互感器在暫態(tài)行波頻帶范圍內(nèi)的建模方法主要有兩個，即基于分布參數(shù)的建模方法和基于頻響參數(shù)的建模方法?；诜植紖?shù)的建模方法在充分了解互感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過做大量的外部實驗得到的模型；而基于頻響參數(shù)的互感器建模方法是在不需要考慮互感器的物理結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，只用一個信號源和示波器對互感器進行實際測量而得到的寬頻傳輸特性[1]。兩種方法相比較而言，基于分布參數(shù)的建模方法建模結(jié)果更加精確可靠，因此本文根據(jù)基于分布參數(shù)的建模方法對互感器進行建模。

1.1 基于分布參數(shù)建模的基本理論

互感器線圈在沖擊電壓作用下會產(chǎn)生線圈間的靜電感應(yīng)、電磁感應(yīng)和線圈內(nèi)部的自由振蕩過程。一般情況下，3個過程同時發(fā)生，但各個時間段上占比不同且總是以其中一個為主[4]。

1.1.1 線圈之間的靜電感應(yīng)過程

在分析互感器線圈的靜電感應(yīng)過程時將互感器等效為一個電容鏈，如圖1所示。其中，C1，C2分別為一次、二次線圈單位長度的對地電容，Ck1,Ck2分別為一次、二次線圈單位長度縱向電容，C3為一次、二次線圈之間的電容。

圖1 一次與二次線圈的電容耦合電路

假定電容參數(shù)沿線圈均勻分布，當單位電壓作用于互感器一次線圈首端時，若二次線圈首端開路，則二次線圈首端的靜電感應(yīng)電壓為

靜電感應(yīng)電壓分布瞬間完成，感應(yīng)信號與原突變信號同時出現(xiàn)、極性相同。

1.1.2 線圈之間的電磁感應(yīng)過程

忽略內(nèi)部雜散電容的影響，互感器的電磁感應(yīng)電路可以等效成兩個互相耦合的線圈。二次側(cè)電壓滯后于一次側(cè)電壓，互感器暫態(tài)過程的最終電壓為電磁感應(yīng)電壓。

1.1.3 線圈內(nèi)部自由振蕩過程

由于起始靜態(tài)電壓分布和最終電壓分布不同，在互感器一次線圈內(nèi)部將產(chǎn)生自由振蕩過程，繼而在二次線圈中感應(yīng)出自由振蕩電壓。因此在自由振蕩過程中將互感器等效為一電感、電阻和電容串并聯(lián)回路。

圖2 電壓互感器仿真模型

1.2 電壓互感器分布式參數(shù)的仿真模型

通過上述的理論分析，采用ATP-EMTP軟件建立互感器的分布式參數(shù)仿真模型[5-8]，如圖2所示。

圖中互感器一次側(cè)輸入信號是仿雷電波的沖擊信號，互感器二次側(cè)負載阻抗由1 Ω增大至無窮大[4]。圖3分別為二次側(cè)負載阻抗為100 Ω和無窮大時，電壓互感器的傳變特性。

圖3 電壓互感器的傳變特性

對上面的仿真結(jié)果進行分析，可得到以下結(jié)論：

在同一沖擊信號下，二次側(cè)負載阻抗分別為100 Ω和無窮大時，電壓互感器的二次側(cè)電壓變化趨勢基本相同，說明互感器二次側(cè)負載阻抗的大小對電壓互感器的沖擊信號傳變特性的影響很小，其傳變特性規(guī)律基本不變。電壓互感器的沖擊信號傳變特性的基本規(guī)律為：在初始時刻，其靜電感應(yīng)過程占主要作用，由靜電感應(yīng)產(chǎn)生的二次側(cè)電壓信號極性與一次側(cè)電壓信號極性相同，并且時延很小，基本上可以忽略不計；在靜電感應(yīng)造成的突變點之后存在幾十微秒內(nèi)的自由振蕩過程，該過程導(dǎo)致二次側(cè)電壓特性與一次側(cè)電壓特性不一致；沖擊信號的傳變后期則主要由電磁感應(yīng)決定。

2 電壓互感器的仿真實驗分析

行波故障測距法是根據(jù)行波傳輸理論實現(xiàn)對故障線路測距的方法。當牽引供電系統(tǒng)發(fā)生故障時，在故障點處將產(chǎn)生向兩端線路傳輸?shù)臅簯B(tài)信號即行波，牽引網(wǎng)典型的行波故障測距法就是利用故障時線路兩側(cè)檢測點接收到線路內(nèi)部初始行波浪涌波頭之間的時間差來完成故障定位。因此牽引網(wǎng)行波法最關(guān)鍵的是標定初始行波波頭到達測量點的時刻。

在實際牽引網(wǎng)行波故障測距中通常在測量點采用電壓互感器提取電壓暫態(tài)行波信號后，再進行行波波頭達到時刻的標定。但是電壓互感器信號傳變中期發(fā)生的自由振蕩會導(dǎo)致二次側(cè)電壓信號與一次側(cè)電壓信號的特性不一致，即經(jīng)過電壓互感器傳變后的行波信號的波頭特性可能會與實際初始行波到達互感器一次側(cè)時的波頭特性不同，這一特性可能導(dǎo)致標定的行波波頭到達時刻出現(xiàn)錯誤，從而使行波法得出的故障距離出現(xiàn)很大的誤差[5]。因此分析電壓互感器對行波波頭的傳變特性，確定其對牽引網(wǎng)行波故障測距法的影響是必要的。

在牽引系統(tǒng)中，牽引網(wǎng)的供電方式、短路故障類型、電力機車以及故障發(fā)生位置等因素都會影響故障電壓行波，繼而可能會導(dǎo)致經(jīng)電壓互感器傳變后的行波波頭特性發(fā)生改變，使行波波頭出現(xiàn)時延，標定的波頭到達時刻出現(xiàn)誤差。為了更全面準確地研究電壓互感器對于行波波頭特性的傳變特性，將綜合考慮這些影響因素進行仿真實驗分析。

2.1 直供方式單線牽引網(wǎng)的仿真實驗結(jié)果

牽引網(wǎng)仿真模型采用直供方式的T型等效模型，其中牽引變壓器選用VV接線，牽引網(wǎng)懸掛系統(tǒng)選定的參數(shù)如圖4所示?？紤]在不影響研究對象電氣量特性的條件下，對承力索(M)、接觸線(C)、正饋線(F)以及鋼軌(R)進行化簡和等效。兩條鋼軌對稱分布，將其等效為處于二者中間的單根導(dǎo)體，承力索與接觸線共同傳遞電流，故將二者等效為一根導(dǎo)體且平行于鋼軌與正饋線。最終牽引線路等效為相互平行的3條導(dǎo)體[9]，單位長度等效模型如圖5所示，擴展單位長度等效模型即可得到任意長度線路模型。選定韶山SS4B型電力機車為機車研究模型，對其進行仿真建模[10]。

圖4 牽引網(wǎng)懸掛系統(tǒng)參數(shù)

圖5 牽引網(wǎng)T型單位長度等效模型

仿真實驗設(shè)定牽引線路發(fā)生接觸網(wǎng)對鋼軌短路故障(即CR故障)和接觸網(wǎng)對回流線短路故障(即CF故障)，并且故障發(fā)生位置(相對于牽引變壓器)和線路電力機車的數(shù)量不同。利用不同尺度參數(shù)的bior4.4小波變換對電壓互感器一、二次側(cè)電壓行波進行分析，確定標定波頭到達時刻的采樣點，該采樣點數(shù)值的大小表示標定的初始行波波頭到達時刻，極性表明行波的變化方向。結(jié)果如表1、表2所示。在不同的故障條件下，小波分析結(jié)果是標定波頭到達時刻的采樣點的極性均為負。

表2 CF短路后互感器兩側(cè)標定波頭到達時刻的采樣點

2.2 AT供電方式復(fù)線牽引網(wǎng)的仿真實驗結(jié)果

AT供電方式復(fù)線牽引網(wǎng)與直供方式單線牽引網(wǎng)的仿真實驗條件是相同的，利用不同尺度參數(shù)的bior4.4小波變換對電壓互感器一、二次側(cè)電壓行波進行分析，確定不同仿真條件下波頭到達時刻標定的采樣點，結(jié)果如表3、表4所示。在不同的故障條件下，小波分析結(jié)果是標定波頭到達時刻的采樣點的極性均為負。

表3 CR短路后互感器兩側(cè)標定波頭到達時刻的采樣點

表4 CF短路后互感器兩側(cè)標定波頭到達時刻的采樣點

2.3 仿真結(jié)果分析

從表1～表4仿真結(jié)果中可以得出：在牽引網(wǎng)的供電方式、短路故障類型、電力機車以及故障發(fā)生位置等不同的條件下，電壓互感器一、二次側(cè)標定電壓行波波頭到達時刻的采樣點數(shù)值大小和極性均是相同的，說明電壓互感器兩側(cè)的行波波頭到達時刻是相同的，極性也是相同的。電壓互感器可以準確無時延地傳變行波信號和極性，不會導(dǎo)致標定的行波波頭到達時刻出現(xiàn)誤差。

3 結(jié)論

采用ATP-EMTP建立了電磁式電壓互感器的仿真模型，并將模型植入直供和AT供電方式的牽引網(wǎng)線路中進行仿真。在線路發(fā)生故障后運用bior4.4小波變換對互感器一次側(cè)和二次側(cè)的電壓暫態(tài)信號進行分析，結(jié)果表明：

(1)在牽引供電系統(tǒng)中，牽引網(wǎng)的供電方式、短路故障類型、電力機車以及故障發(fā)生位置等不同的條件會對電壓故障行波產(chǎn)生很大的影響，但是電壓互感器能準確無時延地傳輸故障行波波頭信號，并且不改變波頭的極性。說明牽引網(wǎng)的供電方式、短路故障類型、電力機車以及故障發(fā)生位置等因素不會對電壓互感器的行波傳變特性產(chǎn)生影響。

(2)綜合考慮多方面的主要影響因素的情況下，電壓互感器對故障行波的傳變特性不會使標定的行波波頭到達時刻出現(xiàn)誤差，從而不會對行波故障測距法的結(jié)果和精度產(chǎn)生影響。因此在牽引網(wǎng)故障測距中，可以利用線路已有電壓互感器獲取故障信號進行行波測距法。

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InfluenceAnalysisofVoltageTransformeronTravelingWaveFaultLocationMethodforTraction

LiMengxing，WangShuohe，HaoWeikang

(School of Electrical and Electronics Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China)

Traveling wave fault location technology for traction usually adopts voltage transformers installed in traction system to measure the voltage transient traveling wave signal. In order to study the influence of transfer characteristic of voltage transformer on traveling wave fault location algorithm for traction, the simulation model of voltage transformer is established by adopting ATP-EMTP in this paper and applied to traction lines for simulation experiment. Considering the main influencing factors such as traction power supply mode, type of short circuit fault, electric locomotive and fault location, etc., the voltage traveling wave signal of primary side and secondary side of voltage transformer are analyzed by bior 4.4 wavelet transform. It is found that in two kinds of situations, voltage transformer can transform accurately the head part of traveling wave and the polarity of head part without time delay. Simulation results show that transfer characteristic of voltage transformer for traveling wave signal has no influence on traveling wave fault location algorithm. So Traveling wave fault location technology for traction can adopt voltage transformers installed in traction system.

voltage transformer;transfer characteristic;wavelet transform;traction;traveling wave fault location algorithm

TM451+.1

A

2095-0373(2017)04-0078-05

2016-09-02責(zé)任編輯車軒玉

10.13319/j.cnki.sjztddxxbzrb.2017.04.15

北京鐵路局京津城際牽引所供電能力測試項目(334023)；河北省創(chuàng)新資助項目(yc2016006)

李夢醒(1992-)，女，碩士研究生，研究方向為牽引供電系統(tǒng)故障測距。E-mail：1548679637@qq.com

李夢醒，王碩禾，郝偉康.電壓互感器對牽引網(wǎng)行波故障測距法的影響分析[J].石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2017,30(4):78-82.