牽引變壓器綜合測試系統的研制

摘要：電力機車是鐵路重要的牽引動力設備，電力機車主變壓器是電力牽引系統中電壓等級變換和電源分配的重要設備。目前我國電力機車變壓器測試仍采用人工方法，效率和準確性低，易造成變壓器損壞。采用工控機控制的電力機車變壓器自動測試系統，試驗過程采用由工控機、PLC以及智能儀表組成的控制系統自動控制，試驗數據自動采集、計算與判定，實現了智能化的試驗操作與管理。系統已交付使用，并通過科技廳科技成果鑒定，獲省級科技進步獎。

關鍵詞：牽引變壓器，綜合測試，型式試驗

中圖分類號：TP274.5文獻標識碼：A文章編號：1674-7712 （2014） 08-0000-01

牽引變壓器是電力機車上最昂貴的單臺設備，也是整個電力機車電壓等級變換以及電源分配的核心，其性能直接影響到電氣化鐵道系統能否正常運行，因此，提高牽引變壓器的可靠性對于電氣化鐵道的安全運行具有重要意義，根據國家和鐵道部的相關規定，牽引變壓器在新造和大修后都必須通過符合相關國家標準、鐵道部標準和行業標準的測試，才允許裝車使用。目前我國幾個大型電力機車廠的變壓器測試仍采用人工操作、人工讀數和人工紀錄的方法，試驗數據由人工處理。為了保證讀數準確、同步，往往需要多名操作人員同時記錄，工作效率低，試驗數據分散，試驗結果不準確；更關鍵的是，在進行變壓器測試的幾種破壞性試驗，如中頻感應耐壓試驗時，可能由于人工操作的失誤而造成被測變壓器嚴重損壞。所以本文設計了一種基于工控機和PLC控制的，集成了牽引變壓器全部測試項目的綜合測試系統，實現了牽引變壓器測試的自動化，提高了試驗的準確性和科學性。

一、牽引變壓器測試簡介

根據國標，鐵標以及行標規定，牽引變壓器測試項目包括12類近130項測試內容[1][2][3][4]，包括：（1）直流電阻測試；（2）絕緣電阻測試；（3）變比組別測試；（4）絕緣油介電強度測試；（5）變壓器空載試驗；（6）變壓器負載試驗；（7）感應中頻耐壓試驗；（8）10KV工頻耐壓試驗；（9）密封性試驗；（10）電抗器及功率補償器試驗；（11）電流互感器試驗；（12）冷卻系統試驗。所采用的具體標準見表1。

表1所采用的標準

標準號 標準名稱

GB1094.3-2003 電力變壓器GB/T16927.1～2---1997 高電壓試驗技術

JB/T 501-91 電力變壓器試驗導則

TB/T 1680-1997牽引變壓器和電抗器

二、硬件組成

（一）硬件系統基本結構

系統采用微機分級控制技術，上位主機采用工控機控制，主調壓器采用變頻調速控制，電器控制系統采用可編程控制器控制。

本系統分為手動和自動兩個模塊，系統框圖如圖1所示。各試驗中，絕緣油介電強度測試、變比組別測試、絕緣電阻測試和直流電阻測試是由專用設備測試，通過485通訊接口與微機進行數據交換；中頻感應耐壓試驗、空/負載試驗、工頻耐壓試驗、互感器試驗、電抗器試驗及潛油泵試驗由微機通過485接口與PLC通信，從而控制配電系統以及各種調壓試驗設備為被測變壓器提供試驗環境。

圖1系統框圖

變壓器試驗的12類測試項目中，除了專用儀器測試項目以外的8類項目本質上是由測試系統為被測變壓器提供一個電源環境，根據國家標準和電力機車主變壓器試驗大綱規程要求，同時考慮試驗對電源容量的要求和接線方式的不同，可將這8類試驗的電源系統分為兩種：（1）大容量試驗：變壓器負載試驗和電抗器電感值測定，考慮到空載試驗電壓等級以及接線方式與負載試驗十分相似，所以把空載試驗也歸為這類；（2）小容量試驗：感應耐壓試驗、工頻耐壓試驗和電流互感器試驗。這類試驗共同特點是或者是大電壓、或者是大電流，電源所需容量不大，但進行這類試驗時，一方面危險性大，另一方面是對控制系統的電磁干擾嚴重，所以，這些電源放置在遠離主控制臺和操作人員的地方。這兩種電源系統的原理圖如圖2和圖3所示：

圖2大容量試驗電路原理圖

圖3小容量試驗電路原理圖

由于被試品的試驗電壓電流范圍比較廣，有的需要2000V以上的試驗電壓，有的需要200A以上的試驗電流，但是卻沒有同時需要達到這兩種要求的被測品，為了充分利用試驗調壓器和試驗變壓器的容量，把試驗變壓器副邊設計成雙繞組結構，雙繞組可以根據試驗的具體情況連接成串聯或并聯，這樣就可以在不增加容量的情況下，滿足試驗需要。

在小容量試驗電源系統中，由于涉及到高電壓，大電流試驗，這類試驗不但對于操作人員比較危險，對被試品也具有危害，屬于破壞性試驗，為了盡可能保護被試品安全，感應調壓器的調壓電機采用變頻控制，根據國家標準和電力機車主變壓器試驗大綱規程要求，互感器耐壓試驗時，變頻器初始化為50Hz，按標準30秒內由0V上升到60kV，之后調整變頻器的運行頻率低于30Hz，升壓按2%/s速率上升，保證系統能準確地控制輸出在目標值±1%的范圍內；變壓器工頻耐壓試驗時，先迅速將電壓上升到額定電壓75%，然后降低變頻器頻率，使電壓按2%/s速率上升至目標值。

（二）故障自檢設計

主電路所有接觸器、繼電器的動作狀態都通過PLC回送至工控機和控制臺指示燈，以實現主電路的故障自檢功能，任意一個接觸器在實驗過程中出現故障，系統都能緊急停車，并且通過控制臺上的指示燈指示故障類型，工控機也會提示并給出相應的處理措施。此外，多個電流繼電器實現變壓器空載試驗、變壓器負載試驗、10KV工頻耐壓試驗、100KV工頻耐壓試驗、電流互感器試驗的過流保護功能。通過檢測不同的繼電器的狀態，可以檢測被測變壓器的試驗情況，一旦出現問題，能在極短的時間內停止試驗，保護被測品的安全，并指示出發生故障的大概位置。

主電路中不同試驗的接觸器以及同一試驗中的各個接觸器都通過PLC實現了邏輯互鎖，如果其中某一個接觸器沒有閉合或者在不該閉合的時候閉合，試驗都會被終止，并且故障狀態會通過控制臺的指示燈以及工控機顯示。

主電路中加入了大量的電壓電流傳感器，分段檢測試驗電路的電壓電流狀態，通過工控機分析這些傳感器的數據，可以定位系統的故障點。及時給出處理措施，不會耽誤生產。

（三）硬件系統的特點

1.完全采用變壓器和調壓器

以往的變壓器試驗站都采用發電機組供電，體積大，噪音大，且由于發電機組在開機瞬間能耗特別大，所以部分廠家的變壓器試驗站發電機組需要在工廠其他用電設備開啟之前啟動，運行整天甚至整禮拜不能停機或重啟，這樣造成巨大的能源損失。本系統全部采用變壓器和調壓器為被試變壓器提供試驗環境。但是傳統的變壓器和調壓器無法滿足中頻耐壓試驗中對于頻率的要求。三倍頻發生器實質上是由三個單相變壓器組成。一次繞組為星形聯結，二次繞組為開口三角形聯結。變壓器在高度飽和狀態下運行。對于一次側為星形聯結且中性點不接地的變壓器而言，當鐵心高度飽和時，磁通不再與勵磁電流成比例增長。其波形將發生嚴重畸變，磁通中包含有基波分量和所有奇次諧波。這時，如果將二次側接成開口三角形，則只有三倍頻的諧波功率輸出。所以本系統采用了由以上理論制成的專用三倍頻發生器和倍頻變壓器來提供150Hz，3000V電壓。

2．加入了大型濾波電路來提高電抗器試驗精度

由于工廠車間用電環境惡劣，電源中諧波干擾嚴重，在進行電抗器試驗時發現，單個電抗器的試驗數據與多個電抗器串聯時的試驗數據有較大出入，即使是同一個電抗器在一天的不同時刻的試驗數據也有差別，分析其原因是由于電源中諧波能量過大，電抗器的濾波效果又與其電感值成正比，通常無法完全濾除諧波能量。為了解決這一問題，提高系統的準確性和可重復性，系統在被測電抗器的輸入端和測試信號輸入端都加入濾波電路改善。

3．所有車型所有試驗項目集成在同一控制臺上完成

系統控制部分以工控機為核心，工控機控制PLC的動作，PLC完成對所有接觸器、繼電器的邏輯控制功能，變頻器實現對兩臺調壓器的動作及頻率控制，被試變壓器的實驗數據通過電壓/電流互感器、智能儀表、專用測試設備聯結到工控機的串口總線，從而進入工控機中處理和儲存，這樣就將變壓器所有試驗操作和數據集成到一個中央平臺上，大大提高了試驗效率，使數據分析更加直觀。

4．通用性和可擴展性強

本系統能實現多種車型變壓器的試驗，如SS7C、SS4G、SS6B、SS3B等。實際測試時，不需改變測試系統的硬件結構，只要改變工控機軟件即可適應新型號機車主變壓器的測試。也可以對最新的交流傳動機車主變壓器進行測試。

三、軟件系統

（一）軟件基本結構

自動測試系統基于Windows操作平臺，采用微軟的Visual Basic 6.0開發，并通過ActiveX和COM技術，結合微軟的Access數據庫以及Word文檔處理軟件，組成方便靈活的試驗數據管理、查詢、報表打印系統，非常便于電力機車牽引變壓器的各項輕大修試驗和出廠型式試驗，可以自動控制，采集、計算與判定，使數據采集、試驗控制，報表打印以及試驗查詢集成在一起，真正實現了智能化的試驗操作與管理。

圖4軟件系統結構圖

變壓器試驗一共有12類測試，近三百個參數需要測定，其試驗過程復雜。工控機操作界面的設計既要考慮試驗項目的需要，又要方便操作，同時美觀、實用。為此，設計了多級操作界面。

為保證試驗的科學性和嚴肅性，所有控制參數和與試驗項目有關的數據都不允許修改。在主界面上不僅有電力機車車型選擇，還根據現場試驗的實際情況，設置了“查詢未完成試驗”、“繼續上次試驗”和查詢試驗結果功能，使界面的設計更加人性化。在系統工作過程中，所有試驗數據都實時顯示在界面的棒形圖上，直觀、清晰，方便操作人員觀測試驗進展情況，同時在界面的右方提示本項試驗的標準，方便了試驗操作目的人員和工程技術人員清楚地了解試驗的目的和結論；在操作界面的左下角的“提示信息”包含了試驗電源的工作狀態信息和故障狀態信息，通過觀察這些信息，操作人員可以實時掌控系統的工作狀態，出現故障時也可以通過故障信息迅速地對系統進行維修和調試。

圖5主程序操作流程

（二）試驗流程

變壓器試驗流程如圖6所示，外觀檢查及密封性檢查是變壓器進入試驗站之前需要完成的兩項測試，在試驗軟件中采用工人輸入試驗結果的方式記錄試驗參數，然后進行的直流電阻測試和變比極性測試是由兩臺專用測試儀器通過串口與工控機進行交互，從而完成變壓器的這兩項試驗，這兩項試驗不分先后，可由工作人員視情況靈活調整，在完成工頻耐壓試驗后，需要先進行一次空載試驗，在空載試驗完成后才能進行感應高壓試驗，此后還需要再進行一次空載試驗，以免被測變壓器在感應高壓試驗過程中受到損害無法被察覺，最后進行負載試驗和冷卻系統試驗。整個試驗過程中，變壓器油的試驗是通過將變壓器油采集一部分出來，放置于專用測試儀器中進行測試，所以變壓器油的兩項試驗可以與任一試驗同時進行，以提高試驗效率。

圖6變壓器試驗流程

（三）軟件設計的技術特點

ADO是數據庫訪問的一個對象模型，是DAO/RDO的后繼產物。ADO擴展了DAO和RDO所使用的對象模型，它包含較少的對象、更多的屬性、方法（和參數）以及事件。通過ADO對象，直接利用編碼的方式實現對數據庫的操作，會使數據庫處理更靈活，功能更強大，并且綜合性更強。所以本軟件數據管理方面通過ADO對象將主程序與數據庫連接起來，得到很好的實時性和效率。

在數據報表方面，由于廠方嚴格定制了報表格式，所以本軟件通過采用OLE技術，直接對廠方提供的報表模版進行操作。Word對象的可視界面可以通過OLE容器的鏈接和嵌入應用程序，從而使與Word對象相關聯的全部數據都被復制和納入到OLE容器控件中，切斷了對象與其他應用程序的鏈接，確保實驗數據不被其他的應用程序修改。在本程序中，采用了Create Embed方法在運行時動態嵌入Word對象，程序運行效率和可靠性以及試驗數據的真實性得到保障。

由于車間電氣環境惡劣，干擾十分嚴重，為了保證控制的絕對穩定，對于各種智能儀器和儀表傳回的數據沒有采取傳統的中斷方式進行立即的提取，而是將系統一段時間內所有收到的信號全部接收并保存在緩存中，通過對其進行分析和處理得出準確結果，同時，為保證數據交換的實時性，分析處理程序總是在緩存中尋找最新收到的正確信息。

此外，與PLC的通訊引入了回測機制和錯誤校驗，對于發給PLC的所有命令，都加入了校驗位，并且只有在收到PLC執行完成的信息后，系統才能進行下一步操作，保證了操作人員、實驗設備和被試變壓器的絕對安全。

四、試驗結果和總結

下圖為部分試驗數據：

圖7部分試驗結果報表

采用工控機的電力機車變壓器自動測試系統具有以下的特點：

（1）設計合理，操作方便，精度和可靠性高、界面友善、測試過程自動完成。

（2）系統可以完成電力機車主變壓器、平波電抗器、功率因數補償器、高壓電流互感器的全部12大類，近三百個測試數據測試，綜合性能優越。通用性和可擴展性強，能實現多種車型變壓器試驗，如SS7C、SS4G、SS6B、SS3B等。也可以對交流傳動機車主變壓器進行測試。

（3）工控機系統保護測試結果免受測試人員人為修改，精度高、測試結果準確、客觀、公正。檢測系統可以完成測試結果的綜合分析、參數超限報警等功能。

（4）本系統采用變壓器和調壓器為被試變壓器提供試驗環境。噪音體積小。

（5）本系統在被測電抗器的輸入端和測試信號輸入端都加入了濾波電路來進行改善，諧波影響大大減小，結果更佳真實準確。

采用工控機控制的電力機車主變壓器綜合測試系統在測試功能、測量精度、試驗安全性等各項指標上都遠遠超過了傳統的試驗方法，大大提升了電力機車變壓器試驗的水平。該系統經過適當調整動力設備和電源設備的容量，根據需要改變測試軟件，可以用于其他電網的變壓器測試，特別是電氣化鐵路牽引供電系統變壓器的測試。

參考文獻：

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[2]TB/T1680-1997，牽引變壓器和電抗器[S].

[3]GB/T16927.1-2---1997，高電壓試驗技術[S].

[4]JB/T501-91，電力變壓器試驗導則[S].

[5]PAUL LOMAX.VBVBA IN A NUTSBELL:THE LANGUAGE[M].USA:O’Reilly Meida，1998.

[6]SIEMENS.S7-200 Programmable Controller System Manual [EB/OL].Germany:Siemens Ltd.http://www.ad.siemens.com.cn/download/Soft/00001/04_the_end.pdf，2002.

[7]SIEMENS. Micormaster 440通用變頻器使用大全[EB/OL].西門子有限公司自動化與驅動集團.http://www.ad.siemens.com.cn/download/Info/00004/128.PDF，2003.

[作者簡介]陳保新（1970.02-），男，工程師，研究方向：電力機車及故障診斷。

[基金項目]本項目得到國家863項目資助項目（項目編號：2006AA11Z230）；本項目得到國家自然科學基金資助項目（項目編號：60674003）。