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电力机车主变压器监控系统的分析

发表时间：2021/4/12 来源：《基层建设》2020年第32期作者：周峰

[导读] 摘要：主变压器是电力机车的关键设备，它的主要功能是划分电力机车牵引系统的电压等级和分配能量。

        中国铁路呼和浩特局集团有限公司包头西机务段内蒙古包头 014000
        摘要：主变压器是电力机车的关键设备，它的主要功能是划分电力机车牵引系统的电压等级和分配能量。它是电力机车所有设备中最昂贵、最重要的设备，是保证列车运行可靠性和效率的基础。目前，电力机车故障诊断的检测方法还相对缺乏，大部分故障只能在其动态运行中发现。因此，需要实时监测电力机车主变压器的运行参数，为故障定位和主变压器的后续维护提供指导和参考。
        关键词：电力机车；主变压器；监控系统
        1电力机车主变压器概述
        电力机车主变压器的主要功能是根据电力机车不同功能的需要，将受电弓连接的25kV电压转换成不同的电压等级。因此，电力机车主变压器的负荷就是电力机车的总负荷，相应机车的运行状态是动态变化的。电力机车的主变压器是其主电路的重要组成部分，除电网侧电路、主变流器、牵引电机等外。
        主变压器将25kV交流转换为直流，在牵引电流的作用下将直流电压传递给牵引电机，最后通过转向架将直流电流转换为机械能，供电力机车牵引电机使用。
        一般来说，电力机车的主变压器包括一个集成的多绕组变压器，如轴向分裂、心形卧式铺设和下挂安装，具有高阻抗和小质量的特点。本文研究的主变压器具体型号为JQFP-10160/25，由高压绕组、牵引绕组、辅助绕组和供电绕组组成。其中高压绕组的额定容量为9233KVA；牵引卷绕的额定容量为1244.5 KVA，共6台;辅助绕组的额定容量为303KVA，包括两个；供电绕组的额定容量为580KVA，共两种。该型号主变压器采用下悬式安装，其结构为心式卧放结构，冷却方式为强制导向油循环风冷。根据其运行工况要求，主变压器可实现对原边电压、瞬时电压、油温、油流以及压力的保护。
        实践表明，在实际应用中，电力机车主变压器的主要故障形式是短路事故，它会引起主变压器绕组严重发热和变形。此外，放电也是变压器的主要常见故障之一，包括局部放电、火花放电和电弧放电类型。
        2主变压器监控系统的设计
        据统计，在实际应用中，由主变压器故障引起的电力机车故障占30%以上。为了确保主变压器的安全可靠运行,需要动态地监控信号参数如油温、电压和电流的电力机车在操作期间,并存储和分析收集到的数据来扭转电力机车的运行状态。
        2.1主变压器监控系统的硬件设计
        根据电力机车和主变压器的运行特点，为电力机车配置的监控系统应满足以下要求:首先，监测系统可以对主变压器的油温、电压和电流进行动态监测。其次，监控系统可以实时显示主变压器的运行状态并存储。第三，监测系统本身具有抗电磁干扰的能力，即其运行的稳定性不会受到周围电子设备的干扰；四是主变压器监控系统可方便放置于空间狭小的电机机车控制室内。根据上述要求，设计主变压器监控系统的原理框图如图1所示：

        图1主变压器原理框图
        如图1所示，将主变压器的监控系统放置于一体化机箱内处于全封闭的状态，根据功能要求监控系统具备电压、电流、温度等采集分系统、数据存储与A/D转换处理分系统以及开关电源灯分系统。其中，主变压器监控系统以PSD333D单片机为核心，对油温、油压等数据参数进行处理，包括有数据处理的CPU模块和A/D转换模块（AD7327）、数据存储模块（SDV6.0）。此外，为保证主变压器监控系统具有良好抗电磁干扰功能，还要为其设计对应的电磁干扰滤波电路。
        2.2主变压器监控系统的软件设计
        根据主变压器监控系统的功能要求，以Windows为基础的PSDsoftExpress开发软件完成对主变压器监控系统的软件设计，并着重对PSD3334D的CPU模块、AD7327的A/D转换模块以及SDV6.0的数据存储模块的软件进行设计。主变压器监控系统的运行主要经历了初始化阶段、自检阶段、数据采集阶段以及数据处理与存储阶段等。其中，初始化阶段是将监控系统中上电和复位后通电的设备参数进行重新设置，包括有定时计数器、AD7327A/D转换模块和数据存储模块SDV6.0；自检阶段是系统对内部存储器以及外围电路等工作状态进行自检，校核其运算结构是否正确；数据采集阶段在是程序的指引下对主变压器油温、电压以及电流等运行参数进行采集；数据存储模块是将采集阶段所获取的参数信息通过UARE通信方式将其上传于SDV6.0的存储卡上。本文着重对主变压器监控系统中的数据处理分系统的软件进行设计。
        由于主变压器监控系统所采集到的电压、电流以及油温等参数为瞬时值，无法很直观地将各个参数的幅值及动态变化趋势呈现于用户面前。因此，需对所采集到的参数信息进行预处理，便于对油温、电压以及电流等参数直观显示，并对变化趋势进行保存和打印。主变压器监控系统的数据处理分系统的软件总体框架设计如图2所示：

        图2主变压器监控系统数据处理分系统结构框图
        针对主变压器监控系统所采集到的数据信息，需采用数字滤波对数据信息中的高次谐波进行处理，并对处理后数据的处理部分的电气量幅值进行再次处理。其中，对数据再次处理所依据的算法为全波傅里叶算法，并依据如图3所示的流程将主变压器油温、电压以及电流等主要参数通过波形变化的形式呈现于用户。

        图3主变压器运行参数波形显示流程图
        结束语
        电力机车是我国交通运输系统的重要组成部分，其运行的安全性和可靠性引起了人们的广泛关注。主变压器是电力机车的重要组成部分，承担着根据需求将25kV电压改变到不同电压等级的任务，主变压器的故障占电力机车所有故障类型的30%。因此，有必要对电力机车主变压器的运行参数进行实时监测，为主变压器故障的提前预测、精确定位和故障的高效维护提供指导。
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