交流電氣化鐵道牽引網(wǎng)阻抗頻率特性測試裝置制造方法
【專利摘要】一種交流電氣化鐵道牽引網(wǎng)阻抗頻率特性測試裝置，由降壓變壓器TP、諧波源HS、監(jiān)控裝置MC、電壓傳感器TV、電流傳感器TA構(gòu)成。監(jiān)控裝置MC控制諧波源HS發(fā)出諧波電流，通過降壓變壓器TP原邊繞組注入到牽引網(wǎng)中；電壓傳感器TV、電流傳感器TA分別檢測接觸網(wǎng)T和鋼軌G之間諧波電壓和向牽引網(wǎng)注入的諧波電流，監(jiān)控裝置MC接收電壓傳感器TV和電流傳感器TA的輸出信號，完成諧波阻抗計算。在接觸網(wǎng)通電情況下即可通過調(diào)整諧波源發(fā)出電流的頻率和幅值，獲得牽引網(wǎng)的阻抗頻率特性，進(jìn)而得到諧振頻率。本發(fā)明可用于新建電氣化鐵路的聯(lián)調(diào)聯(lián)試，也可用于既有線路，為解決諧振問題、保障供電安全提供技術(shù)支持。
【專利說明】交流電氣化鐵道牽引網(wǎng)阻抗頻率特性測試裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬電氣化鐵道【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說，涉及一種交流電氣化鐵道牽引網(wǎng)阻抗 頻率特性測試裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著我國電氣化鐵道交流傳動技術(shù)不斷發(fā)展，交直交型電力機(jī)車和動車組開始大 量投運，舊的交直整流型電力機(jī)車將逐步淘汰。交直交型電力機(jī)車和動車組的網(wǎng)側(cè)變流器 普遍采用脈寬調(diào)制（Pulse width modulation, PWM)控制技術(shù)的四象限整流器，并且不同 動力單元的網(wǎng)側(cè)變流器采用移相控制技術(shù)，使得網(wǎng)側(cè)電流諧波含量，特別是3、5、7次等低 次諧波含量，較之舊電力機(jī)車大幅度減小。然而，網(wǎng)側(cè)電流的諧波頻譜也同時變寬，在網(wǎng)側(cè) 變流器功率管開關(guān)頻率的整數(shù)倍附近，往往有不可忽視的諧波成分。當(dāng)電力機(jī)車和動車組 的諧波電流和某區(qū)段（通常為一個供電臂）牽引網(wǎng)自身諧振頻率相重合時，就可能在牽引 網(wǎng)上激發(fā)出高次諧波諧振現(xiàn)象，產(chǎn)生諧振過電壓，影響供電安全。我國自2007年鐵路實施 第六次大提速以來，隨著HX D系列交直交型電力機(jī)車和CRH系列動車組的逐漸投運，在京哈 線、京津城際鐵路、哈大線、合武客專、武廣客專等電氣化鐵路上，都發(fā)生過牽引網(wǎng)高次諧波 諧振事故，這些事故通常造成接觸網(wǎng)避雷器炸損、機(jī)車高壓電氣設(shè)備損壞、變電所饋線跳閘 等后果，對電氣化鐵路正常運輸秩序造成很大干擾。目前在新建鐵路的聯(lián)調(diào)聯(lián)試階段，迫切 需要掌握各供電區(qū)段牽引網(wǎng)的阻抗頻率特性和諧振頻率分布，以便及早采取針對性技術(shù)措 施。然而，由于牽引網(wǎng)的阻抗頻率特性除與電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)自身電氣結(jié)構(gòu)和電氣 參數(shù)有關(guān)外，還與牽引變電所高壓（110kV或220kV或330kV)進(jìn)線的阻抗頻率特性有關(guān)，而 由于電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷情況的復(fù)雜性，高壓進(jìn)線的阻抗頻率特性無法準(zhǔn)確計算，這 就導(dǎo)致即使對電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)資料掌握的很詳細(xì)，仍舊無法對各區(qū)段牽引 網(wǎng)的諧振頻率做出預(yù)測。利用測試技術(shù)，通過現(xiàn)場測試的方法，獲得電氣化鐵路各供電區(qū)段 牽引網(wǎng)的阻抗頻率特性，從而得出準(zhǔn)確的諧振頻率就顯得十分必要。目前，國內(nèi)外都沒有能 用于交流電氣化鐵道牽引網(wǎng)阻抗頻率特性測試的專門裝置，相關(guān)的技術(shù)研究也基本上是空 白。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的就是提供一種交流電氣化鐵道牽引網(wǎng)阻抗頻率特性測試裝置。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案：
[0005] -種交流電氣化鐵道牽引網(wǎng)阻抗頻率特性測試裝置，由降壓變壓器TP、諧波源 HS、監(jiān)控裝置MC、電壓傳感器TV、電流傳感器TA構(gòu)成；電流傳感器TA與降壓變壓器TP的一 次側(cè)繞組串聯(lián)，該串聯(lián)結(jié)構(gòu)連接在接觸網(wǎng)T和鋼軌G之間，電流傳感器TA用于測量降壓變 壓器一次側(cè)繞組向接觸網(wǎng)T注入的諧波電流I lh ;電壓傳感器TV連接在接觸網(wǎng)T和鋼軌G 之間，用于測量接觸網(wǎng)T和鋼軌G之間的諧波電壓Ulh ;降壓變壓器TP的二次側(cè)繞組連接諧 波源HS，諧波源HS用電力電子變流器實現(xiàn)，在監(jiān)控裝置MC的控制下向降壓變壓器次邊繞組 發(fā)出諧波電流I2h ;監(jiān)控裝置接受電壓傳感器TV和電流傳感器ΤΑ的輸出信號，完成諧波阻 抗計算，并實現(xiàn)對諧波源HS發(fā)出諧波電流的頻率和幅值的控制。
[0006] 本發(fā)明的有益效果：
[0007] 在交流電氣化鐵道牽引網(wǎng)的接觸網(wǎng)和鋼軌之間連接一臺電氣化鐵道牽引網(wǎng)阻抗 頻率特性測試裝置，在牽引網(wǎng)帶電情況下通過主動注入一個諧波電流作為激勵、檢測諧波 電壓響應(yīng)的方法獲得牽引網(wǎng)的阻抗頻率特性。本發(fā)明解決了利用仿真計算方法無法準(zhǔn)確獲 得牽引網(wǎng)阻抗頻率特性和諧振頻率的技術(shù)難題，可為既有鐵路和新建鐵路提供各供電區(qū)段 的諧波阻抗數(shù)據(jù)和諧振頻率分布，以便在開通前，針對易發(fā)生車網(wǎng)高次諧波諧振的區(qū)段采 取諧振治理措施。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0008] 圖1為交流電氣化鐵道牽引網(wǎng)阻抗頻率特性測試裝置構(gòu)成原理圖。
[0009] 圖2為交流電氣化鐵道牽引網(wǎng)阻抗頻率特性測試裝置工作原理示意圖。圖2(a) 表示測試裝置用于直接供電方式牽引網(wǎng)，圖2 (b)表示測試裝置用于AT供電方式牽引網(wǎng)。
[0010] 圖3是交流電氣化鐵道牽引網(wǎng)阻抗頻率特性測試裝置實施例一示意圖。
[0011] 圖4是交流電氣化鐵道牽引網(wǎng)阻抗頻率特性測試裝置實施例二示意圖。

【具體實施方式】
[0012] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述：
[0013] 本發(fā)明交流電氣化鐵道牽引網(wǎng)阻抗頻率特性測試裝置的構(gòu)成原理如圖1所示，它 由降壓變壓器TP、諧波源HS、監(jiān)控裝置MC、電壓傳感器TV、電流傳感器TA構(gòu)成；電流傳感器 TA與降壓變壓器TP的一次側(cè)繞組串聯(lián)，該串聯(lián)結(jié)構(gòu)連接在接觸網(wǎng)T和鋼軌G之間，電流傳 感器TA用于測量降壓變壓器一次側(cè)繞組向接觸網(wǎng)T注入的諧波電流I lh ;電壓傳感器TV連 接在接觸網(wǎng)T和鋼軌G之間，用于測量接觸網(wǎng)T和鋼軌G之間的諧波電壓Ulh ;降壓變壓器 TP的二次側(cè)繞組連接諧波源HS，諧波源HS用電力電子變流器實現(xiàn)，在監(jiān)控裝置MC的控制 下向降壓變壓器次邊繞組發(fā)出諧波電流I 2h ;監(jiān)控裝置接受電壓傳感器TV和電流傳感器TA 的輸出信號，完成諧波阻抗計算，并實現(xiàn)對諧波源HS發(fā)出諧波電流的頻率和幅值的控制。
[0014] 交流電氣化鐵道牽引網(wǎng)阻抗頻率特性測試裝置的工作原理為：該測試裝置利用諧 波源產(chǎn)生一個頻率可調(diào)的諧波電流，把產(chǎn)生的諧波電流注入到帶電的接觸網(wǎng)上作為激勵， 為減小背景諧波干擾要求此時同一牽引網(wǎng)供電區(qū)段沒有正在取流的電力機(jī)車和動車組，該 測試裝置在測量所注入牽引網(wǎng)諧波電流的同時，檢測牽引網(wǎng)的電壓響應(yīng)，提取出與諧波電 流同頻率的諧波電壓分量，諧波電壓除以諧波電流就得到諧波阻抗。調(diào)節(jié)諧波源產(chǎn)生諧波 電流的頻率，讓其在10Hz?5000Hz范圍以一定間隔變化，就可以得到牽引網(wǎng)在不同頻率下 的實測牽引網(wǎng)阻抗值，根據(jù)牽引網(wǎng)阻抗頻率特性曲線的分布特征，取其極值點，就可以獲得 諧振頻率。
[0015] 工作原理可由圖2具體說明。圖2中，SS表示牽引變電所，T表示接觸網(wǎng)，G表示 鋼軌，F(xiàn)表示正饋線，AI\、AT 2、AT3表示三臺自耦變壓器。圖2(a)表示測試裝置用于直接供 電方式牽引網(wǎng)，圖2 (b)表示測試裝置用于AT供電方式牽引網(wǎng)。兩種供電方式下，測試裝置 連接于接觸網(wǎng)T和鋼軌G之間，向牽引網(wǎng)注入一個頻率可控（10?5000Hz)、幅值可調(diào)的諧 波電流Ilh，作為牽引網(wǎng)的激勵，同時測試裝置檢測牽引網(wǎng)的電壓響應(yīng)，獲得電流注入處接觸 網(wǎng)T和鋼軌G之間的諧波電壓Ulh，諧波電壓Ulh除以諧波電流Ilh即可得到諧波阻抗，讓諧 波電流的頻率連續(xù)變化，就可得到不同頻率下的牽引網(wǎng)阻抗，從而可以繪制出牽引網(wǎng)阻抗 頻率特性曲線。
[0016] 圖3所示實施例一中，由受電弓PG、斷路器QF、電壓傳感器TV、電流傳感器TA、降 壓變壓器TP、諧波源HS和監(jiān)控裝置MC構(gòu)成，安裝在一個鐵路用軌道車上，通過受電弓PG連 接至接觸網(wǎng)T，通過軌道車輪對連接至鋼軌G ;降壓變壓器TP -次側(cè)繞組額定電壓按牽引網(wǎng) 額定電壓取值，二次側(cè)繞組額定電壓取值與諧波源HS相匹配，范圍為200V?2000V ;電壓 傳感器TV用電磁式電壓互感器或阻容分壓器實現(xiàn)，電流傳感器TA用電磁式電流互感器或 霍爾電流傳感器實現(xiàn)；諧波源HS由單相Η橋變流器UC和驅(qū)動電路構(gòu)成，單相Η橋變流器的 功率開關(guān)器件采用IGBT或IGCT或M0SFET ;監(jiān)控裝置MC由測量模塊、人機(jī)交互模塊和控制 模塊構(gòu)成，由微處理器系統(tǒng)實現(xiàn)，其中，測量模塊接收電壓傳感器TV和電流傳感器ΤΑ的檢 測信號，實現(xiàn)阻抗測量，人機(jī)交互模塊用于測試模式和諧波源參數(shù)的設(shè)定以及測量結(jié)果的 輸出和顯示，控制模塊用于按照設(shè)定測試模式控制諧波源HS發(fā)出頻率可控、幅值可調(diào)的諧 波電流。圖3中，I 2h為諧波源HS產(chǎn)生的諧波電流，Ilh為降壓變壓器一次側(cè)繞組諧波電流， Ulh為接觸網(wǎng)T和鋼軌G之間的諧波電壓。
[0017] 圖4所示實施例二示意圖中（僅繪出與實施例一不同之處）：降壓變壓器二次側(cè) 采用多繞組形式，二次側(cè)設(shè)有η (η為整數(shù)，2 < η < 8)個繞組，每個二次側(cè)繞組各連接一個 諧波源，諧波源由電力電子變流器實現(xiàn)，η個諧波源（HSpH^、…、HSn)共同產(chǎn)生測量需要的 諧波電流，對η個諧波源采用PWM移相控制技術(shù)，改善降壓變壓器一次側(cè)繞組電流波形并降 低對功率開關(guān)器件的要求。圖4中，I 2hl為諧波源HSi產(chǎn)生的諧波電流，I2h2為諧波源HS2產(chǎn) 生的諧波電流，I 2hn為諧波源HSn產(chǎn)生的諧波電流，IlhS降壓變壓器一次側(cè)繞組諧波電流。
【權(quán)利要求】
1. 一種交流電氣化鐵道牽引網(wǎng)阻抗頻率特性測試裝置，其特征在于：由降壓變壓器 TP、諧波源HS、監(jiān)控裝置MC、電壓傳感器TV、電流傳感器TA構(gòu)成；電流傳感器TA與降壓變 壓器TP的一次側(cè)繞組串聯(lián)，該串聯(lián)結(jié)構(gòu)連接在接觸網(wǎng)T和鋼軌G之間，電流傳感器TA用于 測量降壓變壓器一次側(cè)繞組向接觸網(wǎng)T注入的諧波電流I lh ;電壓傳感器TV連接在接觸網(wǎng) T和鋼軌G之間，用于測量接觸網(wǎng)T和鋼軌G之間的諧波電壓Ulh ;降壓變壓器TP的二次側(cè) 繞組連接諧波源HS，諧波源HS用電力電子變流器實現(xiàn)，在監(jiān)控裝置MC的控制下向降壓變 壓器二次側(cè)繞組發(fā)出諧波電流I 2h ;監(jiān)控裝置接受電壓傳感器TV和電流傳感器TA的輸出信 號，完成諧波阻抗計算，并實現(xiàn)對諧波源HS發(fā)出諧波電流的頻率和幅值的控制。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交流電氣化鐵道牽引網(wǎng)阻抗頻率特性測試裝置，其特征 在于：由受電弓PG、斷路器QF、電壓傳感器TV、電流傳感器TA、降壓變壓器TP、諧波源HS和 監(jiān)控裝置MC構(gòu)成，安裝在一個鐵路用軌道車上，通過受電弓PG連接至接觸網(wǎng)T，通過軌道車 輪對連接至鋼軌G ;降壓變壓器TP -次側(cè)繞組額定電壓按牽引網(wǎng)額定電壓取值，二次側(cè)繞 組額定電壓取值與諧波源HS相匹配；電壓傳感器TV用電磁式電壓互感器或阻容分壓器實 現(xiàn)，電流傳感器TA用電磁式電流互感器或霍爾電流傳感器實現(xiàn)；諧波源HS由單相Η橋變流 器UC和驅(qū)動電路構(gòu)成；監(jiān)控裝置MC由測量模塊、人機(jī)交互模塊和控制模塊構(gòu)成，由微處理 器系統(tǒng)實現(xiàn)；其中，測量模塊接收電壓傳感器TV和電流傳感器ΤΑ的檢測信號，實現(xiàn)阻抗測 量；人機(jī)交互模塊用于測試模式和諧波源參數(shù)的設(shè)定以及測量結(jié)果的輸出和顯示；控制模 塊用于按照設(shè)定測試模式控制諧波源HS發(fā)出頻率可控、幅值可調(diào)的諧波電流。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種交流電氣化鐵道牽引網(wǎng)阻抗頻率特性測試裝置，其特征 在于：單相Η橋變流器UC的功率開關(guān)器件采用IGBT或IGCT或MOSFET。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種交流電氣化鐵道牽引網(wǎng)阻抗頻率特性測試裝置，其特征 在于：所述的降壓變壓器ΤΡ二次側(cè)繞組額定電壓取值范圍為200V?2000V。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種交流電氣化鐵道牽引網(wǎng)阻抗頻率特性測試裝置，其特征 在于：降壓變壓器二次側(cè)采用多繞組形式，二次側(cè)設(shè)有η個繞組，η為整數(shù)，2 < η < 8,每個 二次側(cè)繞組各連接一個諧波源，諧波源由電力電子變流器實現(xiàn)，η個諧波源共同產(chǎn)生測量需 要的諧波電流，對η個諧波源采用PWM移相控制技術(shù)，改善降壓變壓器一次側(cè)繞組電流波形 并降低對功率開關(guān)器件的要求。
【文檔編號】G01R31/00GK104090182SQ201410282756
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年6月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月23日
【發(fā)明者】吳命利, 吳麗然, 楊少兵, 張洪和 申請人:北京交通大學(xué)