弓網(wǎng)受流電壓實(shí)時檢測系統(tǒng)

■ 王婧

目前，弓網(wǎng)受流電壓的測量技術(shù)已非常成熟，并在電分相位置的檢測、接觸網(wǎng)電壓的可靠性判斷及綜合檢測的輔助判斷中廣泛運(yùn)用。而牽引供電系統(tǒng)是一種特殊的、移動的高壓電器，電網(wǎng)電壓波動較大，發(fā)生操作過電壓的概率高，隨機(jī)性強(qiáng)。因此，針對接觸網(wǎng)瞬時過電壓的檢測研究，對分析接觸網(wǎng)供電質(zhì)量、列車受流質(zhì)量具有重要意義。結(jié)合傳統(tǒng)弓網(wǎng)受流電壓測量，對新研制的弓網(wǎng)受流電壓實(shí)時檢測系統(tǒng)及其檢測方法進(jìn)行介紹。

1 系統(tǒng)設(shè)計概述

接觸網(wǎng)持續(xù)工作的額定電壓有效值為27.5 kV，現(xiàn)有檢測系統(tǒng)多采用電壓互感器進(jìn)行二次側(cè)電壓獲取，經(jīng)電纜送入采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)框圖見圖1。該測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，具有接觸網(wǎng)電壓測量的基本功能。但由于電壓互感器鐵芯多采用鐵磁材料，其工作頻率不高，在低頻范圍（50~1 500 Hz）內(nèi)有較好的頻率響應(yīng)特性，對高頻過電壓信號卻很難捕捉到。同時，由于電壓模擬信號傳輸路徑較長，不可避免地會帶來一定程度的線損，難以保證電壓測量精度。

為捕捉弓網(wǎng)受流電壓的實(shí)時變化，研制出新型弓網(wǎng)受流電壓實(shí)時檢測系統(tǒng)。從過電壓的理論仿真計算值可知，除雷電過電壓外，其幅值最大為115 kV，頻率最大約為14 kHz。相比于鐵磁材料的電壓互感器，軟磁鐵氧體雖然工作頻率很高、鐵損也小，但在工頻下的磁導(dǎo)率卻很低，不能反映電網(wǎng)常態(tài)下的電壓值，加上漏感、分布電容、磁飽和等因素的影響，也很難保證頻率分量豐富的過電壓信號不失真，因此通過電壓互感器獲取信號不適合過電壓信號的獲取。要獲得瞬時過電壓，應(yīng)特制合適頻帶的分壓器以滿足測量要求，系統(tǒng)框圖見圖2。

圖1 傳統(tǒng)接觸網(wǎng)電壓測量系統(tǒng)框圖

圖2 弓網(wǎng)受流電壓實(shí)時檢測系統(tǒng)框圖

被測電壓由分壓器分壓后，經(jīng)屏蔽電纜送到調(diào)理電路輸入端，由于傳輸電纜較短，因此能有效減少模擬信號的傳輸路徑，避免信號傳輸帶來的損失及干擾。經(jīng)過電壓隔離傳感器調(diào)理后，電壓信號被二次分壓，降低到數(shù)據(jù)采集單元可采集的范圍內(nèi)，先由高速數(shù)據(jù)采集單元對其進(jìn)行模擬濾波、A/D轉(zhuǎn)換，再由數(shù)據(jù)處理計算機(jī)進(jìn)行數(shù)字濾波、公里標(biāo)疊加、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等處理，然后由分析軟件對所存儲的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行波形顯示，實(shí)現(xiàn)歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

2 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計

2.1 傳感器設(shè)計

分壓器是整個電壓測量系統(tǒng)的關(guān)鍵，直接影響測量系統(tǒng)的頻率特性和精確度。電阻式分壓器結(jié)構(gòu)簡單、線性度好、穩(wěn)定性高。相比而言，電容卻有一些固有問題，如漏電、精度不高、線性度較差、有電容初始電荷等，易對測量結(jié)果造成不確定的影響。安全性方面，電阻分壓器結(jié)構(gòu)簡單，填充物可為固體，電容分壓器介質(zhì)多為油質(zhì)或氣體，在振動環(huán)境下可能存在漏油爆炸的隱患?？梢?，選用電阻式分壓器既可保證過電壓的傳輸精度，又能實(shí)現(xiàn)工頻電壓的正常提取。因?yàn)榄h(huán)氧樹脂比空氣和變壓器油具有更高的絕緣強(qiáng)度，澆鑄成型后其機(jī)械強(qiáng)度高，且具有優(yōu)越的防潮、防塵性能，且環(huán)氧樹脂的介電常數(shù)對溫度的依賴性（－40～70 ℃溫度范圍內(nèi)）僅為1%，可以有效補(bǔ)償溫度對雜散電容的影響，所以該系統(tǒng)選用環(huán)氧樹脂澆鑄電阻式分壓器。分壓器原理見圖3。

根據(jù)《TB/ T 3076—2003鐵路應(yīng)用機(jī)車車輛電氣隱患防護(hù)的規(guī)定》、《TB/ T 3077—2003電力機(jī)車車頂絕緣子技術(shù)條件》及《300～350 km/h電氣化鐵路接觸網(wǎng)裝備暫行技術(shù)條件》等標(biāo)準(zhǔn)的要求，該分壓器的具體技術(shù)參數(shù)見表1。

2.2 信號采集

為確保車頂傳感器與數(shù)據(jù)采集器在惡劣電磁環(huán)境下正常工作，系統(tǒng)采集設(shè)備均置于車頂屏蔽盒內(nèi)。被測電壓經(jīng)分壓器分壓后，通過屏蔽電纜輸送入屏蔽盒中的調(diào)理電路輸入端。由于過電壓信號頻率較高，且經(jīng)過二次分壓后信號幅值較小，因此選用高速、高精度、大容量的數(shù)據(jù)采集器。該系統(tǒng)采用的數(shù)據(jù)采集器可實(shí)現(xiàn)高達(dá)1 M的采集速率。采集數(shù)據(jù)經(jīng)鎧裝屏蔽千兆以太網(wǎng)電纜傳入車內(nèi)電壓檢測數(shù)據(jù)處理計算機(jī)進(jìn)行處理。傳感器及數(shù)據(jù)處理單元見圖4。

2.3 軟件設(shè)計

電壓采集軟件的基本功能是：實(shí)時獲得瞬變的電壓信號、有效濾除干擾、完整保存原始數(shù)據(jù)。為了能實(shí)時觀察過電壓，軟件需具備電壓波形顯示及速度里程信息顯示功能，并可根據(jù)需要調(diào)整采集頻率。同時，軟件需計算電壓有效值，轉(zhuǎn)發(fā)給弓網(wǎng)檢測系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成處理軟件，與其他檢測項(xiàng)目進(jìn)行同步顯示及存儲。軟件系統(tǒng)見圖5。

圖3 分壓器原理圖

表1 分壓器具體技術(shù)參數(shù)

圖4 傳感器及數(shù)據(jù)處理單元實(shí)物

電壓采集軟件的技術(shù)關(guān)鍵在于如何實(shí)時獲得瞬變的電壓信號，并能有效濾除干擾，最大限度保留有用信號。由于過電壓頻率較高，為使信號突變不被當(dāng)成噪聲濾除，不能完全采用傅里葉濾波方式，應(yīng)采用傅里葉變換與小波變換相結(jié)合的濾波方式，先采用傅里葉濾波濾除高頻干擾，再采用小波變換去噪。軟件界面及實(shí)時波形見圖6。

圖5 軟件系統(tǒng)框圖

圖6 電壓采集軟件界面及實(shí)時波形

3 結(jié)束語

弓網(wǎng)受流電壓實(shí)時檢測系統(tǒng)采用電阻分壓器及高速數(shù)據(jù)處理單元實(shí)現(xiàn)對弓網(wǎng)受流電壓的實(shí)時測量，通過研究瞬時過電壓，對分析接觸網(wǎng)供電質(zhì)量、列車受流質(zhì)量具有重要意義。同時，了解過電壓特性，可及時采取有效預(yù)防措施限制高壓側(cè)的過電壓幅值，降低車頂高壓絕緣子的閃絡(luò)概率，并對牽引繞組變流器功率元件電壓等級的選取有重要作用。

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[4] 中華人民共和國鐵道部. TB/ T 3076—2003 鐵路應(yīng)用機(jī)車車輛電氣隱患防護(hù)的規(guī)定[S]

[5] 中華人民共和國鐵道部. TB/ T 3077—2003 電力機(jī)車車頂絕緣子技術(shù)條件[S]