軌道交通供電系統(tǒng)電纜故障在線定位技術(shù)研究

馬一博，石 勇

(1.西安市軌道交通集團(tuán)有限公司，西安 710016；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106)

0 引言

軌道交通是指在軌道上行駛的、服務(wù)于人們?nèi)粘Ｉ?、工作的交通[1-2]。對于軌道交通而言，其最重要的就是車輛的供電系統(tǒng)，它是整個車輛的動力源泉。一旦出現(xiàn)供電系統(tǒng)問題，將會直接導(dǎo)致車輛停滯，嚴(yán)重的可能會發(fā)展為車輛故障，威脅人員安全以及財(cái)產(chǎn)安全。通過多次研究可知，軌道交通供電系統(tǒng)故障主要起因?yàn)殡娎|的故障[3]。因此，大部分的專家學(xué)者針對此現(xiàn)象提出了軌道交通供電系統(tǒng)電纜故障在線定位技術(shù)。但在長期的使用中可以發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的軌道交通供電系統(tǒng)電纜故障在線定位技術(shù)時(shí)常會出現(xiàn)誤報(bào)的問題[4]，因而，在此次研究中，將就此問題設(shè)計(jì)新型的軌道交通供電系統(tǒng)電纜故障在線定位技術(shù)。

采用行波計(jì)算技術(shù)，對傳統(tǒng)的軌道交通供電系統(tǒng)電纜故障在線定位技術(shù)展開優(yōu)化。在設(shè)計(jì)后，將設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用測試環(huán)節(jié)，采用文中設(shè)計(jì)技術(shù)、原有技術(shù)以及文獻(xiàn)[5]中提出的采用基于時(shí)域反射法的航空電纜故障定位技術(shù)進(jìn)行對比?；跁r(shí)域反射法的航空電纜故障定位技術(shù)根據(jù)空運(yùn)電纜裝機(jī)后故障定位困難的特點(diǎn)，研究了基于TDR技術(shù)的電纜故障定位方法，分析了典型故障波形，搭建了測試平臺，進(jìn)行了電纜短路、斷路故障測試。以此證實(shí)文化總設(shè)計(jì)技術(shù)的可行性與科學(xué)性。

1 軌道交通供電系統(tǒng)電纜故障在線定位技術(shù)設(shè)計(jì)

針對原有軌道交通供電系統(tǒng)電纜故障在線定位技術(shù)在使用中出現(xiàn)的問題，在此設(shè)計(jì)中將針對誤報(bào)率過高的問題，進(jìn)行針對性優(yōu)化設(shè)計(jì)。此次研究中設(shè)計(jì)的技術(shù)，將以原有定位技術(shù)作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，沿用原有技術(shù)中的部分設(shè)計(jì)，構(gòu)建新的故障定位技術(shù)。為保證此次定位技術(shù)設(shè)計(jì)中的有序性，將軌道交通供電系統(tǒng)電纜故障在線定位技術(shù)分為四部分，完成供電系統(tǒng)電纜故障的高精度定位。在此次設(shè)計(jì)中，涉及部分故障定位設(shè)備的使用。技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺設(shè)計(jì)過程中，將對設(shè)備的型號進(jìn)行設(shè)定。

1.1 供電系統(tǒng)電壓脈沖采集

在此次設(shè)計(jì)中，首先對供電系統(tǒng)中的電壓脈沖進(jìn)行獲取。通過對電壓脈沖的研究，可實(shí)現(xiàn)對供電系統(tǒng)電纜故障的判定，并采用適用于此故障的定位方式，實(shí)現(xiàn)對故障的定位。

在脈沖采集的過程中，主要考慮脈沖的形狀、脈沖的寬度以及脈沖的幅度[6]。電壓脈沖采樣的過程中，采樣頻率直接影響了電壓脈沖的采集結(jié)果。由于軌道交通的距離較大，在對其進(jìn)行電壓脈沖采用時(shí)，選用高頻率的采集間隔，將電壓脈沖寬度變窄，提升對電纜分辨的精度。設(shè)定電纜中的連續(xù)脈沖為f(a)，抽樣序列為g(a)，對該脈沖進(jìn)行采樣，設(shè)定抽樣信號為ft(a)。則有：

ft(a)=f(a)g(a)

(1)

假設(shè)脈沖序列g(shù)(a)的脈沖獲取時(shí)間間隔為t，則αt=2π/tg，其中，αt為脈沖序列獲取周期。將此公式展開傅里葉變換，則有：

Y(α)=2π∑Ynβ(α-nαt)

(2)

公式(2)中，Yn為g(a)的傅里葉系數(shù)[7-8]，根據(jù)傅里葉變換公式可知：

(3)

公式(3)中，e-jnαtt為變換周期，d為電纜間隔距離。將ft(a)的傅里葉變換設(shè)定為F(a)，根據(jù)頻域卷積公式[9]得出變后的公式為：

Ft(a)=F(a)G(a)=

(4)

公式(4)中，ft(a)為Ft(a)中的一個周期性函數(shù)，通過上述公式，得出供電系統(tǒng)電壓脈沖的數(shù)據(jù)變化圖像，對圖像的波動與寬度進(jìn)行分析，獲取供電系統(tǒng)電纜運(yùn)行狀態(tài)圖像與數(shù)據(jù)。通過對供電系統(tǒng)中的電纜電壓脈沖進(jìn)行采集，獲取供電系統(tǒng)中的初始電纜狀態(tài)數(shù)據(jù)，提出脈沖波動較大的部分，做出特殊標(biāo)記加以記錄，作為接來下分析與定位中的數(shù)據(jù)來源。

1.2 電纜故障類別判定

采用采集到的電壓脈沖結(jié)果，確定供電系統(tǒng)中的電壓異常部分，對于線纜端子和中間端子進(jìn)行詳細(xì)檢查，如線纜端子和中間端子有燒傷變色痕跡，可判斷為線纜故障異常部分。并通過此數(shù)據(jù)作為電纜故障類別判定的基礎(chǔ)。供電系統(tǒng)電纜故障從形式上來看，大致可以分為兩部分，首先是并聯(lián)故障，其次是串聯(lián)故障[10-11]。并聯(lián)故障是由導(dǎo)體絕緣下降造成的故障；串聯(lián)故障是由于一個或是多個導(dǎo)體故障導(dǎo)致的電纜故障。通過圖像可將供電系統(tǒng)電纜故障顯示如圖1所示。

圖1 供電系統(tǒng)電纜故障簡圖

如圖1所示，H為供電系統(tǒng)中的局部電容，p為電壓中間的縫隙，R為絕緣電阻。通過電壓脈沖采集結(jié)果可知，當(dāng)故障不同時(shí)，H、p、R的設(shè)計(jì)變化也不相同。為對電纜故障進(jìn)行合理的分類，通過電壓脈沖采集結(jié)果以及R的數(shù)值變化，將供電系統(tǒng)電纜故障種類劃分如表1所示。

表1 供電系統(tǒng)電纜故障種類劃分結(jié)果

通過上述表1中的內(nèi)容對供電系統(tǒng)中的電纜故障進(jìn)行分類，并采用行波計(jì)算對故障位置進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)電纜故障的精準(zhǔn)定位。

1.3 行波計(jì)算

采用上述設(shè)計(jì)內(nèi)容，完成對供電系統(tǒng)電纜故障的基礎(chǔ)研究。在此部分中，將采用行波計(jì)算的方式，對故障的位置進(jìn)行確定[12-13]。設(shè)定在供電電源的作用下，電流行波與電壓行波在電纜的兩端移動，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，行波發(fā)生反射，在行波傳輸至故障點(diǎn)，發(fā)生二次反射。這種行波狀態(tài)呈周期狀，在電纜進(jìn)入故障后穩(wěn)態(tài)[14-15]。設(shè)定供電系統(tǒng)電纜兩端為C、D,故障行波達(dá)到端點(diǎn)的時(shí)間分別為TC、TD，故障點(diǎn)到達(dá)C端點(diǎn)的距離為XC,到達(dá)D端點(diǎn)的距離為XD，電磁波在電纜中的傳播速度為x，供電電纜的總長度為K，則有：

(6)

(7)

通過上述公式實(shí)現(xiàn)對故障位置的精準(zhǔn)定位，由于電纜的材料較多，為保證行波計(jì)算的精準(zhǔn)度，對電纜材料進(jìn)行研究[16-17]，并設(shè)定相應(yīng)的計(jì)算值如表2所示。

表2 電纜材料行波速度取值范圍

通過上述電纜材料行波速度取值范圍結(jié)合行波計(jì)算公式，完成對供電系統(tǒng)電纜的故障在線定位。

1.4 實(shí)現(xiàn)電纜故障在線定位

采用行波計(jì)算方式，完成了電纜故障的在線定位。為保證定位的精準(zhǔn)度，在此部分中，將對定位結(jié)果進(jìn)行判定，并對定位技術(shù)的使用環(huán)境與平臺展開設(shè)定。

設(shè)定由于時(shí)間帶來的定位誤差為χ1，由于脈沖采集帶來的誤差為χ2，定位允許的最大定位誤差為χmax，則有：

χ1=xt1/2

(8)

χ2=xt2/2

(9)

χmax=χ1+χ2=(ε1+ε2)x/2

(10)

式中，x為電磁波的傳輸數(shù)據(jù)[18-19]，ε1、ε2分別為時(shí)間誤差與周期誤差，通過計(jì)算可知，在供電系統(tǒng)電纜故障中，允許的最大定位誤差為4.5。為保證計(jì)算部分可正常使用，設(shè)定電纜故障在線定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺如圖2所示。

圖2 電纜故障在線定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺

采用圖2平臺設(shè)計(jì)構(gòu)架圖，選取相應(yīng)的設(shè)備與芯片，作為文中設(shè)計(jì)定位技術(shù)的實(shí)現(xiàn)平臺。在此部分中，主要以采集部分使用的設(shè)備作為主要平臺設(shè)備選取對象，此設(shè)備選取的結(jié)果直接影響著故障定位的精度。因而，采用DPS芯片對其進(jìn)行控制，通過此設(shè)定提升采集設(shè)備在數(shù)據(jù)獲取中的有效性[20-21]。

將上述計(jì)算部分與技術(shù)實(shí)現(xiàn)平臺相結(jié)合，并將其安裝至軌道交通供電系統(tǒng)中，通過此平臺，實(shí)現(xiàn)對電纜故障的定位與處理[22-23]。至此，軌道交通供電系統(tǒng)電纜故障在線定位技術(shù)設(shè)計(jì)完成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了檢測本文中設(shè)計(jì)的軌道交通供電系統(tǒng)電纜故障在線定位技術(shù)的可行性與有效性，分別的仿真實(shí)驗(yàn)室內(nèi)與現(xiàn)場對此方法展開相應(yīng)的測試。

2.1 測試環(huán)境

在實(shí)驗(yàn)內(nèi)采用下圖中的測試電路對文中設(shè)計(jì)技術(shù)、原有技術(shù)以及引用其他方式設(shè)計(jì)的定位技術(shù)展開測試。在此次測試中，將測試環(huán)境設(shè)定為三種不同的供電系統(tǒng)電纜運(yùn)行狀態(tài)，首先是具有絕緣故障，其次是電壓波動故障，最后是局部放電故障，如圖3所示。

圖3 測試電路

在測試中，首先選取一根完整的電纜，而后使用壁紙刀沿電纜的水平方向切割，破壞電纜絕緣層，并漏出電纜導(dǎo)體芯。將采用絕緣破損的電纜引入到上述測試電路中，施加DC 1000 V，以此完成對絕緣破損的電纜故障的仿真。電壓波動故障仿真中，采用變壓器控制供電系統(tǒng)兩端的電壓，造成供電系統(tǒng)的電壓變化。局部放電仿真中，通過控制供電系統(tǒng)的放電位置，造成電纜間歇性故障。通過上述設(shè)定，檢測文中方法與其他兩種方法的定位誤報(bào)率。

2.2 測試指標(biāo)

此次測試中，設(shè)定測試指標(biāo)為在線定位技術(shù)的定位誤報(bào)率，誤報(bào)率的計(jì)算公式如下所示：

(11)

式中，C表示測試指標(biāo)總集；A表示正常電纜電壓波動故障集合；B為誤認(rèn)為是異常項(xiàng)目電纜電壓波動故障集合。

通過此指標(biāo)可直觀地展示文中設(shè)計(jì)技術(shù)、原有技術(shù)以及采用其他方式設(shè)計(jì)技術(shù)的使用效果。且采用數(shù)值對比的方式，降低了此次技術(shù)應(yīng)用測試的難度。

由于此次測試對象為供電系統(tǒng)電纜，因而，在指標(biāo)設(shè)計(jì)的過程中，對傳統(tǒng)的誤報(bào)率進(jìn)行部分改進(jìn)。傳統(tǒng)的誤報(bào)率是指上報(bào)錯誤信息在上報(bào)全部信息中的比重。在此次測試中，設(shè)定誤報(bào)率為故障點(diǎn)定位與預(yù)定故障點(diǎn)之間的誤差距離。通過此設(shè)定，提升測試結(jié)果的有效性。

2.3 測試平臺

為保證此次測試的可控性，對實(shí)驗(yàn)室中使用的部分設(shè)備儀器進(jìn)行設(shè)定，具體設(shè)定結(jié)果如圖4所示。

圖4 使用的部分測試設(shè)備圖

采用圖4中設(shè)備與電纜，實(shí)現(xiàn)對電纜故障定位技術(shù)的測試。在此次測試中，共設(shè)定30個故障點(diǎn)，采用文中設(shè)計(jì)技術(shù)與其他兩種技術(shù)對供電系統(tǒng)中的故障點(diǎn)進(jìn)行定位，并及時(shí)記錄每種方法的定位數(shù)據(jù)，將其與預(yù)設(shè)位置數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，并得出相應(yīng)的誤報(bào)率。通過對誤報(bào)率數(shù)據(jù)變化的分析，完成對文中設(shè)計(jì)定位技術(shù)以及其他兩種定位技術(shù)使用差別的研究。

2.4 測試結(jié)果

通過表3實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)供電系統(tǒng)電纜故障為絕緣故障時(shí)，文中設(shè)計(jì)技術(shù)的定位誤報(bào)率較低，原有定位技術(shù)的誤報(bào)率最高。隨著測試點(diǎn)距離的不斷增加，原有定位技術(shù)的誤報(bào)率波動逐步加大，文中設(shè)計(jì)技術(shù)的誤報(bào)率較為穩(wěn)定，并沒有因?yàn)殡娎|距離的變化而發(fā)生變化。采用其他方式設(shè)計(jì)的定位技術(shù)，相較于文中設(shè)計(jì)技術(shù)誤報(bào)率較大，但明顯優(yōu)于原有定位技術(shù)。

表3 電纜絕緣故障定位測試結(jié)果

通過表4實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)供電系統(tǒng)電纜故障為電壓波動故障時(shí)，三種故障定位技術(shù)的誤報(bào)率明顯上升。但文中設(shè)計(jì)技術(shù)的誤報(bào)率較為穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)大部分的激增，在日常使用中，不會造成定位異常。原有定位技術(shù)與采用其他方式設(shè)計(jì)的技術(shù)誤報(bào)率上升幅度較高，綜上可知，當(dāng)電纜故障為電壓波動故障時(shí)，文中設(shè)計(jì)技術(shù)使用效果最佳。

在表5實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，電纜出現(xiàn)局部放電時(shí)，原有定位技術(shù)對于此故障的定位效果最差，文中設(shè)計(jì)技術(shù)對于此故障的定位效果最佳。綜合電纜電壓波動故障定位測試結(jié)果以及電纜絕緣故障定位測試結(jié)果可知，文中設(shè)計(jì)故障定位技術(shù)，在常見的供電系統(tǒng)電纜故障定位使用中，效果最佳。

3 結(jié)束語

軌道交通是目前人們出行的重要交通工具之一，其故障定位效果直接影響到人們的正常出行與人身安全。一般來說，常見的軌道交通包括輕型軌道、高架鐵路以及地下鐵路等方式。在此次研究中，對軌道交通供電系統(tǒng)電纜故障定位技術(shù)展開優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過測試結(jié)果證明此次研究中設(shè)計(jì)的技術(shù)使用效果優(yōu)于原有的定位技術(shù)。由此可知，采用行波計(jì)算可有效改善離線故障定位技術(shù)誤差高的問題。采用在線定位技術(shù)不但可以提升故障的定位精度，還可以降低由于離線定位造成的車輛供電系統(tǒng)損傷問題的發(fā)生。在日后的軌道交通故障定位過程中，可增加文中設(shè)計(jì)定位技術(shù)的使用范圍，以此保證故障定位的有效性。

表4 電纜電壓波動故障定位測試結(jié)果

表5 電纜局部放電故障定位測試結(jié)果