220kV电流互感器在线监测装置及介损算法研究

摘要

牵引供电系统是电气化铁路的重要组成部分，它由牵引变电所和接触网组成，为电力机车的牵引提供电能。电流互感器(TA)作为牵引网控制回路重要组成部分，一旦发生故障将严重影响变电所的安全运行。为了提高电流互感器的运行可靠性，本文研究并开发了一套针对于干式高压电流互感器的在线监测装置。本课题是以郑州铁路局石武高铁新乡供电段高铁牵引供电设备220kV干式电流互感器为研究对象，研究设计针对高铁牵引供电设备220kV干式电流互感器的运行状态在线监控装置。
　　本文首先从干式高压电流互感器的内部结构入手，研究对其进行在线监测的物理模型和监测原理。确定了以介质损耗因数（介损）、泄漏电流和绝缘电容为参数的监测量，同时对它们的物理意义以及与设备故障的关系进行了理论分析。在此基础上讨论监测参数如何在变电所复杂环境中实现准确稳定的监测。通过对比分析确定了以谐波分析法作为介质损耗因数的基本计算方法。分析了造成误差的各种因素，并针对它们一一进行了改进。首先利用解析变换对采集数据进行预处理，然后提出了一种适用于谐波分析法的高精度估算算法。该算法首先对信号进行加Hanning窗的DFT变换，然后采用能量重心法进行校正。同时使用动态加窗算法对介质损耗因数进行了进一步修正。该算法是通过跟随电网的频率波动而动态调节加窗长度，从而使采样更接近整周期采样。经过理论推导和MATLAB仿真计算，并与其它的介质损耗因数算法进行对比，表明该方法较之前的算法精度进一步提高而且计算量较小。
　　为了实现对电流互感器可靠稳定的在线监测，设计制作了针对220kV电流互感器的在线监测装置。本文选取TMS320F28335 DSP作为装置的处理器，通过数据采集、分析运算、数据存储等，最后进行数据显示和越限报警。论文完成了装置的硬件设计以及基于上述算法的程序设计，并在实验室条件下对装置进行系统测试。最后对装置进行了现场运行测试，采集一段时间内的现场波形和运行数据。运行结果表明装置运行稳定，可以满足干式高压电流互感器绝缘在线监测的要求。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 研究现状

1．2．1 传统检测手段

1．2．2 在线监测

1．3 本文主要工作

2 电流互感器物理模型及监测原理

2．1 物理模型及故障形成原因

2．1．1 绝缘结构和物理模型

2．1．2 故障原因

2．2 监测原理

2．2．1 监测参数

2．2．2 监测参数与设备故障关系

2．2．3 监测参数灵敏度

2．3 泄漏电流测量原理

2．4 绝缘电容测量原理

2．5 介质损耗因数测量原理

2．5．1 过零点时差比较法

2．5．2 正弦波参数法

2．5．3 高阶正弦拟合法

2．5．4 相关函数法

2．5．5 谐波分析法

2．6 本章小结

3 介质损耗因数算法研究

3．1 介质损耗在线监测的主要影响因素

3．2 介质损耗算法分析

3．3 解析变换

3．3．1 希尔伯特变换

3．3．2 解析信号

3．4 动态加窗的能量重心法介损计算

3．4．1 加Hanning窗的能量重心校正法

3．4．2 动态加窗

3．4．3 仿真验证

3．5 本章小结

4 电流互感器在线监测装置的设计实现

4．1 在线监测装置整体设计方案

4．1．1 系统控制芯片选型及其性能

4．1．2 系统构架

4．2 模拟信号调理电路

4．2．1 信号放大电路

4．2．2 滤波电路

4．2．3 信号整形电路

4．2．4 传感器的选择

4．3 主系统电路

4．3．1 AD转换电路

4．3．2 DSP最小系统

4．3．3 DSP扩展电路

4．4．PCB制作和抗干扰设计

4．4．1 PCB制作

4．4．2 抗干扰设计

4．5 人机接口板简介

4．6 本章小结

5 电流互感器在线监测装置软件设计

5．1．主程序

5．2 中断子程序

5．3 数据处理子程序

5．3．1 解析变换子程序

5．3．2 能量重心校正法子程序

5．4 本章小结

6 系统测试与现场运行

6．1 系统测试

6．2 现场运行

6．2．1 现场安装

6．2．2 现场运行

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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