牽引負荷對介質損耗因數測量的干擾分析

逯治政，孫繼星，吳廣寧，周利軍，劉 君

0 引言

真實、準確反映高壓設備的絕緣狀態，才能避免重大事故的發生，實際情況表明，幾乎所有在線監測設備都處在不同的干擾環境之下，在線監測系統的數據采集部分及數據計算處理部分要受到嚴重的干擾，影響系統的穩定性。抗干擾措施是保證對高壓設備老化程度判斷準確的關鍵[1～3]。

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

1 沖擊性負荷干擾分析

受供電方式、列車運行方式及機車電機類型因素影響，牽引負荷具有沖擊性和不平衡性等特點，牽引負荷的沖擊性主要表現為負荷幅值變化大、過載系數高及具有陡變性等。圖1是湖東牽引變電所1#進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#進線的電壓及電流變化圖

沖擊負荷的工況會對檢測量造成干擾。現場實驗原理圖如圖 2所示，如果三相系統電壓是平衡的，套管的結構、參數又完全一樣，那么三相套管電流的矢量和為0，實際上三相電壓并不完全平衡，三相套管也會有一點差別，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。當其中的一相套管出現較大的沖擊性電流時，初始電流將受到影響，介質損耗因數（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，從運行情況來看，受機車運行、過分相及各種操作方式影響，很容易出現單相負載過負荷情況。穩定情況下三相電壓平衡，三相電流向量圖見圖2 b，當某一相，如A相突然出現較大負荷瞬間，沖擊性電流對監測參數干擾向量圖，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三相的實際介質損耗因數精確測量。筆者通過對現場試驗數據的分析比較發現，牽引負荷穩定時，所得介質損耗等數據較穩定，當測量過程中出現負荷變化時，所得數據變化較大。采用檢測儀器現場進行測試，實驗數據如表1所示。

圖2 斯科特變壓器接線圖及向量圖

表1 現場介質損耗因數測試數據表

機車通過時會伴隨產生勵磁涌流，造成電壓在一定范圍內波動，而沖擊性電流會在較大的范圍內產生波動，如圖1所示。從現場試驗數據可以看出，當有機車通過或離開，負荷出現較大的變動時，介質損耗有較大程度的變化。

2 模型分析

根據電路理論，當變壓器三相套管參數一定時，設各相電流的初始值為

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

同理：

式中，α、β分別為變壓器初始電流向量實部和虛部值。

以 A相為例，當出現負荷變動時，電流發生變化：

由圖1看出電壓相對波動較小，一定范圍內保持穩定值，設負載電壓為

則

式中，c、d分別為電壓向量實部和虛部值。

介質損耗角正切為

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

變壓器套管未經損壞時電容性質比較穩定，電流初相角較穩定，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，此時設

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荷情況、過分相方式，各種操作方式和牽引供電回路合閘、機車啟動等暫態過程有關。當電流突增時，監測到介質損耗因數減小，當負荷有負載變成空載時，介質損耗因數將會增大。受實際投運的套管參數限制，不同組合的套管具有不同的P、Q、N′參數，Q、N′主要受初始綜合電流限制影響，而P參數主要受穩定負載電流相位及接觸網電壓幅值及其相角等因素影響。

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

圖3 介質損耗因數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月下旬在線監測系統對1#主變壓器110 kV套管的B相實際測量的情況，圖4 a是6月20—30日主變壓器套管介質損耗因數的在線測量值，圖4 b是變壓器實際運行的電壓情況。從圖4可以看出，當負荷增大，運行電壓升高時，介質損耗將有不同程度減小，當運行電壓降低時，測量的介質損耗增大。

圖4 湖東牽引變電所在線監測系統參數測量曲線圖

3 結論

（1）牽引負荷的沖擊性本身會對檢測設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介質損耗因數的影響。

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

（3）對湖東牽引變電所1#主變壓器監測數據進行分析，建立了介質損耗因數受沖擊性干擾模型。

（4）通過現場長期在線監測，驗證了該模型的正確性。

[1]吳廣寧.電氣設備狀態檢測的理論與實踐[M].北京：清華大學出版社，2005.

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[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.

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

[7]李曙輝.負荷統計特征的仿真分析[J].電氣化鐵道鐵道學報，1996，18（2）：40-46.