故障性質(zhì)對(duì)高速鐵路牽引網(wǎng)行波測(cè)距的影響

汪志成， 周書(shū)民， 吳仲郎， 鮑廷義

(東華理工大學(xué)機(jī)械與電子工程學(xué)院，江西 南昌 330013)

開(kāi)路和接地是高速鐵路牽引網(wǎng)供電線路的常見(jiàn)故障形式，對(duì)鐵路系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)營(yíng)造成了較大的危害(官衍圣等，2008;盧繼平等，2007;Mokhlis et al.，2011)。尤其是發(fā)生接地故障后，盲目重合閘操作會(huì)在牽引網(wǎng)供電線路上產(chǎn)生大電流，損壞機(jī)車(chē)、沿線設(shè)備，甚至危及沿線人員人身安全(Li et al.，2011;陳健鑫，2008;Eisa et al.，2010)。因此，準(zhǔn)確判斷故障性質(zhì)并采取相應(yīng)的保護(hù)措施對(duì)于保障鐵道系統(tǒng)安全可靠運(yùn)營(yíng)具有重要意義。本文基于C 型行波測(cè)距法，重點(diǎn)分析故障性質(zhì)對(duì)行波波形的影響，為高速鐵路牽引網(wǎng)故障性質(zhì)的準(zhǔn)確判斷提供依據(jù)。

1 C 型行波測(cè)距法基本原理

C 型行波法主動(dòng)發(fā)出脈沖信號(hào)，根據(jù)反射行波與初始行波到達(dá)時(shí)刻差進(jìn)行測(cè)距(鄔林勇，2009)。其基本原理如圖1 所示。當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，測(cè)距裝置啟動(dòng)，向線路發(fā)出高壓脈沖信號(hào)，高壓脈沖信號(hào)(速度接近光速)沿線路傳播。到達(dá)故障點(diǎn)時(shí)，由于波阻抗發(fā)生變化，產(chǎn)生反射行波，反射行波信號(hào)返回測(cè)距裝置，通過(guò)檢測(cè)發(fā)射的脈沖信號(hào)到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻和故障點(diǎn)反射行波到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)的時(shí)刻計(jì)算故障點(diǎn)距離。故障點(diǎn)的計(jì)算公式為:

式中，Δt 為從開(kāi)始發(fā)射脈沖波到反射波返回到裝置的時(shí)間。

2 C 型行波測(cè)距法實(shí)驗(yàn)裝置的建立

行波測(cè)距裝置主要包括三個(gè)部分:高壓脈沖信號(hào)源裝置(黃鄉(xiāng)生等，2009)、高頻行波傳感器和高速采集模塊。高壓脈沖信號(hào)源裝置對(duì)故障線路發(fā)出高壓脈沖信號(hào)，經(jīng)高頻行波傳感器采集到模擬行波電壓信號(hào)，然后傳輸給高速采集模塊對(duì)故障行波信號(hào)進(jìn)行記錄、存取，最后通過(guò)算法軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理以判定故障性質(zhì)和故障點(diǎn)位置(龔珺等，2011)。

3 模擬實(shí)驗(yàn)研究

利用C 型法行波測(cè)距裝置搭建高速鐵路牽引網(wǎng)故障檢測(cè)模擬實(shí)驗(yàn)線路，在不同電壓下測(cè)試線路開(kāi)路和接地情況下的行波信號(hào)。

3.1 接地條件下行波信號(hào)頻譜的分析

圖1 C 型行波測(cè)距法基本原理圖Fig.1 The principle of C-type traveling wave method

在模擬實(shí)驗(yàn)線路末端接地的情況下，對(duì)不同放電電壓值下的行波信號(hào)頻譜進(jìn)行分析。本文以3 kV，5 kV 和10 kV 放電電壓下的行波波形和頻譜分析結(jié)果為例進(jìn)行說(shuō)明，行波測(cè)試信號(hào)頻譜分析結(jié)果如圖2 所示。從圖2 可知，在3 kV，5 kV，10 kV放電電壓等級(jí)下，最大幅值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率均為14.663 kHz，未發(fā)生變化。

3.2 開(kāi)路狀態(tài)下行波信號(hào)頻譜的分析

在模擬實(shí)驗(yàn)線路末端開(kāi)路的情況下，對(duì)8 kV，7.6 kV，7 kV 和5.6 kV 放電電壓下的行波波形和頻譜分析結(jié)果為例進(jìn)行說(shuō)明，行波測(cè)試信號(hào)波形頻譜分析結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可知，在8 kV，7.6 kV，7 kV 和5.7 kV 電壓放電時(shí)，行波信號(hào)頻譜圖中最大幅值點(diǎn)對(duì)應(yīng)頻率分別為366 kHz，307 kHz，322 kHz 和359 kHz。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)照上述頻譜分析結(jié)果可以看出，在接地故障情況下，放電電壓在3 ～10 kV 范圍內(nèi)變化時(shí)，頻譜圖中最大幅值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率值基本沒(méi)有變化，維持在14.663 kHz;在開(kāi)路故障情況下，放電電壓在5.7～8 kV 范圍內(nèi)改變時(shí)，最大幅值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率值發(fā)生了較明顯的變化，但基本維持在300 kHz 以上。形成這一結(jié)果的原因可能是，開(kāi)路狀態(tài)下高頻信號(hào)成分衰減較少，在初始信號(hào)成分一樣的情況下，反射行波中更多的高頻成分得到了保留，但是由于線路末端開(kāi)路時(shí)，對(duì)空氣放電的影響，每次放電過(guò)程不太一樣，造成了高頻成分的不同損失，因此開(kāi)路狀態(tài)下的峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)信號(hào)頻率有所變化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于C 型行波法原理，搭建了模擬實(shí)驗(yàn)線路，分別獲取了不同電壓等級(jí)下開(kāi)路和接地故障時(shí)的行波信號(hào)。通過(guò)對(duì)行波信號(hào)的頻譜分析可看出，線路開(kāi)路和接地故障形式下，行波信號(hào)頻譜差別較大;其中在接地故障時(shí)，最大幅值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率值相對(duì)較低，且基本沒(méi)有變化，在開(kāi)路故障時(shí)，最大幅值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率值相對(duì)較高，且有明顯變化。造成這一現(xiàn)象的原因初步分析為:開(kāi)路故障時(shí)，線路末端發(fā)生放電，造成一定程度的能量損失，相對(duì)于接地而言，能量損失較少，所以高頻部分的能量較大，但由于對(duì)空氣放電過(guò)程的不可控制，造成了每次放電時(shí)不同頻率成分的能量損失不一樣，體現(xiàn)在頻譜分析結(jié)果上的能量峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)信號(hào)頻率有所變化。

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圖2 接地故障時(shí)不同放電電壓值下行波信號(hào)頻譜分析Fig.2 Frequency spectrogram of traveling wave signal under different discharge potential level for earth fault