交流电气化铁道牵引网阻抗频率特性测试装置

摘要

一种交流电气化铁道牵引网阻抗频率特性测试装置，由降压变压器TP、谐波源HS、监控装置MC、电压传感器TV、电流传感器TA构成。监控装置MC控制谐波源HS发出谐波电流，通过降压变压器TP原边绕组注入到牵引网中；电压传感器TV、电流传感器TA分别检测接触网T和钢轨G之间谐波电压和向牵引网注入的谐波电流，监控装置MC接收电压传感器TV和电流传感器TA的输出信号，完成谐波阻抗计算。在接触网通电情况下即可通过调整谐波源发出电流的频率和幅值，获得牵引网的阻抗频率特性，进而得到谐振频率。本发明可用于新建电气化铁路的联调联试，也可用于既有线路，为解决谐振问题、保障供电安全提供技术支持。

说明书

技术领域

本发明属电气化铁道技术领域，具体地说，涉及一种交流电气化铁道牵引 网阻抗频率特性测试装置。

背景技术

随着我国电气化铁道交流传动技术不断发展，交直交型电力机车和动车组 开始大量投运，旧的交直整流型电力机车将逐步淘汰。交直交型电力机车和动 车组的网侧变流器普遍采用脉宽调制(Pulse width modulation,PWM)控制 技术的四象限整流器，并且不同动力单元的网侧变流器采用移相控制技术，使 得网侧电流谐波含量，特别是3、5、7次等低次谐波含量，较之旧电力机车大 幅度减小。然而，网侧电流的谐波频谱也同时变宽，在网侧变流器功率管开关 频率的整数倍附近，往往有不可忽视的谐波成分。当电力机车和动车组的谐波 电流和某区段(通常为一个供电臂)牵引网自身谐振频率相重合时，就可能在 牵引网上激发出高次谐波谐振现象，产生谐振过电压，影响供电安全。我国自 2007年铁路实施第六次大提速以来，随着HX_D系列交直交型电力机车和CRH系 列动车组的逐渐投运，在京哈线、京津城际铁路、哈大线、合武客专、武广客 专等电气化铁路上，都发生过牵引网高次谐波谐振事故，这些事故通常造成接 触网避雷器炸损、机车高压电气设备损坏、变电所馈线跳闸等后果，对电气化 铁路正常运输秩序造成很大干扰。目前在新建铁路的联调联试阶段，迫切需要 掌握各供电区段牵引网的阻抗频率特性和谐振频率分布，以便及早采取针对性 技术措施。然而，由于牵引网的阻抗频率特性除与电气化铁路牵引供电系统自 身电气结构和电气参数有关外，还与牵引变电所高压(110kV或220kV或330kV) 进线的阻抗频率特性有关，而由于电力系统网络结构和负荷情况的复杂性，高 压进线的阻抗频率特性无法准确计算，这就导致即使对电气化铁路牵引供电系 统的基础资料掌握的很详细，仍旧无法对各区段牵引网的谐振频率做出预测。 利用测试技术，通过现场测试的方法，获得电气化铁路各供电区段牵引网的阻 抗频率特性，从而得出准确的谐振频率就显得十分必要。目前，国内外都没有 能用于交流电气化铁道牵引网阻抗频率特性测试的专门装置，相关的技术研究 也基本上是空白。

发明内容

本发明的目的就是提供一种交流电气化铁道牵引网阻抗频率特性测试装 置。

本发明的技术方案：

一种交流电气化铁道牵引网阻抗频率特性测试装置，由降压变压器TP、谐 波源HS、监控装置MC、电压传感器TV、电流传感器TA构成；电流传感器TA 与降压变压器TP的一次侧绕组串联，该串联结构连接在接触网T和钢轨G之 间，电流传感器TA用于测量降压变压器一次侧绕组向接触网T注入的谐波电 流I_1h；电压传感器TV连接在接触网T和钢轨G之间，用于测量接触网T和钢 轨G之间的谐波电压U_1h；降压变压器TP的二次侧绕组连接谐波源HS，谐波源 HS用电力电子变流器实现，在监控装置MC的控制下向降压变压器次边绕组发 出谐波电流I_2h；监控装置接受电压传感器TV和电流传感器TA的输出信号，完 成谐波阻抗计算，并实现对谐波源HS发出谐波电流的频率和幅值的控制。

本发明的有益效果：

在交流电气化铁道牵引网的接触网和钢轨之间连接一台电气化铁道牵引 网阻抗频率特性测试装置，在牵引网带电情况下通过主动注入一个谐波电流作 为激励、检测谐波电压响应的方法获得牵引网的阻抗频率特性。本发明解决了 利用仿真计算方法无法准确获得牵引网阻抗频率特性和谐振频率的技术难题， 可为既有铁路和新建铁路提供各供电区段的谐波阻抗数据和谐振频率分布，以 便在开通前，针对易发生车网高次谐波谐振的区段采取谐振治理措施。

附图说明

图1为交流电气化铁道牵引网阻抗频率特性测试装置构成原理图。

图2为交流电气化铁道牵引网阻抗频率特性测试装置工作原理示意图。图2 (a)表示测试装置用于直接供电方式牵引网，图2(b)表示测试装置用于AT 供电方式牵引网。

图3是交流电气化铁道牵引网阻抗频率特性测试装置实施例一示意图。

图4是交流电气化铁道牵引网阻抗频率特性测试装置实施例二示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述：

本发明交流电气化铁道牵引网阻抗频率特性测试装置的构成原理如图1所 示，它由降压变压器TP、谐波源HS、监控装置MC、电压传感器TV、电流传感 器TA构成；电流传感器TA与降压变压器TP的一次侧绕组串联，该串联结构 连接在接触网T和钢轨G之间，电流传感器TA用于测量降压变压器一次侧绕 组向接触网T注入的谐波电流I_1h；电压传感器TV连接在接触网T和钢轨G之 间，用于测量接触网T和钢轨G之间的谐波电压U_1h；降压变压器TP的二次侧 绕组连接谐波源HS，谐波源HS用电力电子变流器实现，在监控装置MC的控制 下向降压变压器次边绕组发出谐波电流I_2h；监控装置接受电压传感器TV和电 流传感器TA的输出信号，完成谐波阻抗计算，并实现对谐波源HS发出谐波电 流的频率和幅值的控制。

交流电气化铁道牵引网阻抗频率特性测试装置的工作原理为：该测试装置 利用谐波源产生一个频率可调的谐波电流，把产生的谐波电流注入到带电的接 触网上作为激励，为减小背景谐波干扰要求此时同一牵引网供电区段没有正在 取流的电力机车和动车组，该测试装置在测量所注入牵引网谐波电流的同时， 检测牵引网的电压响应，提取出与谐波电流同频率的谐波电压分量，谐波电压 除以谐波电流就得到谐波阻抗。调节谐波源产生谐波电流的频率，让其在 10Hz～5000Hz范围以一定间隔变化，就可以得到牵引网在不同频率下的实测牵 引网阻抗值，根据牵引网阻抗频率特性曲线的分布特征，取其极值点，就可以 获得谐振频率。

工作原理可由图2具体说明。图2中，SS表示牵引变电所，T表示接触网， G表示钢轨，F表示正馈线，AT₁、AT₂、AT₃表示三台自耦变压器。图2(a)表 示测试装置用于直接供电方式牵引网，图2(b)表示测试装置用于AT供电方 式牵引网。两种供电方式下，测试装置连接于接触网T和钢轨G之间，向牵引 网注入一个频率可控(10～5000Hz)、幅值可调的谐波电流I_1h，作为牵引网的 激励，同时测试装置检测牵引网的电压响应，获得电流注入处接触网T和钢轨 G之间的谐波电压U_1h，谐波电压U_1h除以谐波电流I_1h即可得到谐波阻抗，让谐 波电流的频率连续变化，就可得到不同频率下的牵引网阻抗，从而可以绘制出 牵引网阻抗频率特性曲线。

图3所示实施例一中，由受电弓PG、断路器QF、电压传感器TV、电流传感 器TA、降压变压器TP、谐波源HS和监控装置MC构成，安装在一个铁路用轨道车 上，通过受电弓PG连接至接触网T，通过轨道车轮对连接至钢轨G；降压变压器 TP一次侧绕组额定电压按牵引网额定电压取值，二次侧绕组额定电压取值与谐 波源HS相匹配，范围为200V～2000V；电压传感器TV用电磁式电压互感器或阻 容分压器实现，电流传感器TA用电磁式电流互感器或霍尔电流传感器实现；谐 波源HS由单相H桥变流器UC和驱动电路构成，单相H桥变流器的功率开关器件采 用IGBT或IGCT或MOSFET；监控装置MC由测量模块、人机交互模块和控制模块构 成，由微处理器系统实现，其中，测量模块接收电压传感器TV和电流传感器TA 的检测信号，实现阻抗测量，人机交互模块用于测试模式和谐波源参数的设定 以及测量结果的输出和显示，控制模块用于按照设定测试模式控制谐波源HS发 出频率可控、幅值可调的谐波电流。图3中，I_2h为谐波源HS产生的谐波电流， I_1h为降压变压器一次侧绕组谐波电流，U_1h为接触网T和钢轨G之间的谐波电压。

图4所示实施例二示意图中(仅绘出与实施例一不同之处)：降压变压器 二次侧采用多绕组形式，二次侧设有n(n为整数，2≤n≤8)个绕组，每个二 次侧绕组各连接一个谐波源，谐波源由电力电子变流器实现，n个谐波源(HS₁、 HS₂、…、HS_n)共同产生测量需要的谐波电流，对n个谐波源采用PWM移相控制 技术，改善降压变压器一次侧绕组电流波形并降低对功率开关器件的要求。图 4中，I_2h1为谐波源HS₁产生的谐波电流，I_2h2为谐波源HS₂产生的谐波电流，I_2hn为谐波源HS_n产生的谐波电流，I_1h为降压变压器一次侧绕组谐波电流。