牽引負(fù)荷對介質(zhì)損耗因數(shù)測量的干擾分析

逯治政，孫繼星，吳廣寧，周利軍，劉 君

0 引言

真實(shí)、準(zhǔn)確反映高壓設(shè)備的絕緣狀態(tài)，才能避免重大事故的發(fā)生，實(shí)際情況表明，幾乎所有在線監(jiān)測設(shè)備都處在不同的干擾環(huán)境之下，在線監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分及數(shù)據(jù)計(jì)算處理部分要受到嚴(yán)重的干擾，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。抗干擾措施是保證對高壓設(shè)備老化程度判斷準(zhǔn)確的關(guān)鍵[1～3]。

針對高壓電氣設(shè)備絕緣在線監(jiān)測方法及抗干擾方面很多學(xué)者做了大量的工作，取得了一定的成果。文獻(xiàn)[4～5]提出用三相套管抽頭的不平衡電流來進(jìn)行變壓器套管絕緣在線監(jiān)測的方法。文獻(xiàn)[6]針對傳感器直流漂移及電網(wǎng)的3、5、7次諧波直流影響介質(zhì)損耗角δ 的測量精度，提出了梳狀陷波器進(jìn)行干擾抑制的新方法。文獻(xiàn)[7]以電力機(jī)車牽引運(yùn)行仿真和牽引供電系統(tǒng)負(fù)荷過程仿真為基礎(chǔ)，針對電氣化鐵道負(fù)荷波動起伏、變化急劇，從概率統(tǒng)計(jì)的角度對電力機(jī)車以及牽引供電系統(tǒng)負(fù)荷特征進(jìn)行了分析。但在牽引負(fù)荷本身的變化對高壓設(shè)備的絕緣狀態(tài)監(jiān)測造成的干擾方面文獻(xiàn)甚少，筆者通過對牽引設(shè)備絕緣老化情況實(shí)地測量發(fā)現(xiàn)，具有沖擊性的牽引負(fù)荷會對監(jiān)測參數(shù)介質(zhì)損耗角因數(shù) tgδ造成影響。本文通過對實(shí)測數(shù)據(jù)分析建立了簡化沖擊性負(fù)荷干擾模型，并通過定時在線監(jiān)測系統(tǒng)對之驗(yàn)證，對高壓設(shè)備絕緣老化狀況分析提供一定幫助。

1 沖擊性負(fù)荷干擾分析

受供電方式、列車運(yùn)行方式及機(jī)車電機(jī)類型因素影響，牽引負(fù)荷具有沖擊性和不平衡性等特點(diǎn)，牽引負(fù)荷的沖擊性主要表現(xiàn)為負(fù)荷幅值變化大、過載系數(shù)高及具有陡變性等。圖1是湖東牽引變電所1#進(jìn)線的電壓及電流變化情況，可以看出，電壓波動在10%幅值左右，而電流變化較為明顯，最低有效值為0，而最大沖擊電流超過400 A。

圖1 重載鐵路線湖東牽引變電所1#進(jìn)線的電壓及電流變化圖

沖擊負(fù)荷的工況會對檢測量造成干擾。現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)原理圖如圖 2所示，如果三相系統(tǒng)電壓是平衡的，套管的結(jié)構(gòu)、參數(shù)又完全一樣，那么三相套管電流的矢量和為0，實(shí)際上三相電壓并不完全平衡，三相套管也會有一點(diǎn)差別，因此三相套管電流的矢量和不為0，但是該電流是一個有限值，稱為初始電流，對于確定的一組套管，初始電流是唯一的。當(dāng)其中的一相套管出現(xiàn)較大的沖擊性電流時，初始電流將受到影響，介質(zhì)損耗因數(shù)（tgδ）就會改變，圖2 a是一般牽引變電所斯科特型變壓器電路接線圖，從運(yùn)行情況來看，受機(jī)車運(yùn)行、過分相及各種操作方式影響，很容易出現(xiàn)單相負(fù)載過負(fù)荷情況。穩(wěn)定情況下三相電壓平衡，三相電流向量圖見圖2 b，當(dāng)某一相，如A相突然出現(xiàn)較大負(fù)荷瞬間，沖擊性電流對監(jiān)測參數(shù)干擾向量圖，如圖2 c所示。A相套管電流改變，通過 A相套管電流改變，由變化ΔIA成為，此時初始電流由變成ΣI˙，影響A、B、C三相的實(shí)際介質(zhì)損耗因數(shù)精確測量。筆者通過對現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析比較發(fā)現(xiàn)，牽引負(fù)荷穩(wěn)定時，所得介質(zhì)損耗等數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，當(dāng)測量過程中出現(xiàn)負(fù)荷變化時，所得數(shù)據(jù)變化較大。采用檢測儀器現(xiàn)場進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 斯科特變壓器接線圖及向量圖

表1 現(xiàn)場介質(zhì)損耗因數(shù)測試數(shù)據(jù)表

機(jī)車通過時會伴隨產(chǎn)生勵磁涌流，造成電壓在一定范圍內(nèi)波動，而沖擊性電流會在較大的范圍內(nèi)產(chǎn)生波動，如圖1所示。從現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)有機(jī)車通過或離開，負(fù)荷出現(xiàn)較大的變動時，介質(zhì)損耗有較大程度的變化。

2 模型分析

根據(jù)電路理論，當(dāng)變壓器三相套管參數(shù)一定時，設(shè)各相電流的初始值為

式中，a1、a2、a3分別為變壓器對應(yīng)相電流向量實(shí)部值；b1、b2、b3分別為變壓器對應(yīng)相電流向量虛部值。

同理：

式中，α、β分別為變壓器初始電流向量實(shí)部和虛部值。

以 A相為例，當(dāng)出現(xiàn)負(fù)荷變動時，電流發(fā)生變化：

由圖1看出電壓相對波動較小，一定范圍內(nèi)保持穩(wěn)定值，設(shè)負(fù)載電壓為

則

式中，c、d分別為電壓向量實(shí)部和虛部值。

介質(zhì)損耗角正切為

設(shè)常數(shù) M = c(a1+ α)+ d(b1+ β)，N = d(a1+ α)- c(b1+ β)，則式（4）可寫成

變壓器套管未經(jīng)損壞時電容性質(zhì)比較穩(wěn)定，電流初相角較穩(wěn)定，則

Δa = ΔIcosθ，Δb = ΔIsinθ，Δa 與Δb 的大小只與沖擊性電流增量的大小有關(guān)，此時設(shè)

則上式可以寫成

式中，M、N、X、Y為常量，ΔI為沖擊增量。沖擊增量的大小與負(fù)荷情況、過分相方式，各種操作方式和牽引供電回路合閘、機(jī)車啟動等暫態(tài)過程有關(guān)。當(dāng)電流突增時，監(jiān)測到介質(zhì)損耗因數(shù)減小，當(dāng)負(fù)荷有負(fù)載變成空載時，介質(zhì)損耗因數(shù)將會增大。受實(shí)際投運(yùn)的套管參數(shù)限制，不同組合的套管具有不同的P、Q、N′參數(shù)，Q、N′主要受初始綜合電流限制影響，而P參數(shù)主要受穩(wěn)定負(fù)載電流相位及接觸網(wǎng)電壓幅值及其相角等因素影響。

根據(jù)湖東牽引變電所1#主變壓器110 kV的A相套管實(shí)際測量情況計(jì)算得一組值：P = -1.693、Q= 4.797×10-4，N′ = 0.477 855。將該組數(shù)值代入式（6），可繪制圖3曲線。

圖3 介質(zhì)損耗因數(shù)受沖擊電流幅值影響情況示意圖

圖4是湖東牽引變電所2010年6月下旬在線監(jiān)測系統(tǒng)對1#主變壓器110 kV套管的B相實(shí)際測量的情況，圖4 a是6月20—30日主變壓器套管介質(zhì)損耗因數(shù)的在線測量值，圖4 b是變壓器實(shí)際運(yùn)行的電壓情況。從圖4可以看出，當(dāng)負(fù)荷增大，運(yùn)行電壓升高時，介質(zhì)損耗將有不同程度減小，當(dāng)運(yùn)行電壓降低時，測量的介質(zhì)損耗增大。

圖4 湖東牽引變電所在線監(jiān)測系統(tǒng)參數(shù)測量曲線圖

3 結(jié)論

（1）牽引負(fù)荷的沖擊性本身會對檢測設(shè)備造成測量上的干擾，本文主要在理論上分析了沖擊性干擾對測量參數(shù)介質(zhì)損耗因數(shù)的影響。

（2）對三相設(shè)備而言，同組容性設(shè)備受沖擊性負(fù)荷影響呈規(guī)律性變化；不同組的容性設(shè)備，由于初始電流不同，沖擊性的影響遵循不同的規(guī)律。

（3）對湖東牽引變電所1#主變壓器監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立了介質(zhì)損耗因數(shù)受沖擊性干擾模型。

（4）通過現(xiàn)場長期在線監(jiān)測，驗(yàn)證了該模型的正確性。

[1]吳廣寧.電氣設(shè)備狀態(tài)檢測的理論與實(shí)踐[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.

[2]王乃慶.絕緣在線監(jiān)測技術(shù)的實(shí)用性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性[J].電網(wǎng)技術(shù)，1995，19（11）：54-56，60.

[3]成永紅.電力設(shè)備絕緣檢測與診斷[M].北京：中國電力出版社，2001：65-79.

[4]Mark F. Lachman, Wolf Walter, and Philip A. von Guggenberg. “On-Line Diagnostics of High-Voltage Bushings and Current Transformers Using the Sum Current Method”IEEE Transaction on power delvery,vol.15,NO.1,January 2000.

[5]Pei Wang, M. R. Raghuveer W. McDermid and J. C.Bromley. “A Digital Technique for the On-line Measurement of Dissipation Factor and Capacitance”. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation Vol. 8 No. 2, April 2001.

[6]孫和義，浦昭邦，聶鵬.容性設(shè)備介質(zhì)損耗角δ在線監(jiān)測中的干擾抑制新方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2004，28（3）.

[7]李曙輝.負(fù)荷統(tǒng)計(jì)特征的仿真分析[J].電氣化鐵道鐵道學(xué)報(bào)，1996，18（2）：40-46.