動(dòng)車組高壓電氣回路智能監(jiān)控系統(tǒng)研究

郭旭剛

（1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京 100081；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 高速鐵路與城軌交通系統(tǒng)技術(shù)國(guó)家工程研究中心，北京 100081）

高壓系統(tǒng)是動(dòng)車組整個(gè)電傳動(dòng)系統(tǒng)的重要保障，其安全、智能化的程度直接關(guān)系整個(gè)電傳動(dòng)系統(tǒng)裝備的安全及使用壽命。近年來(lái)國(guó)內(nèi)動(dòng)車組及電力機(jī)車在日常運(yùn)營(yíng)中陸續(xù)發(fā)生了一些較為典型的高壓事故。比如高次諧波諧振引起的過(guò)電壓事故，造成多列動(dòng)車組車頂避雷器爆炸或燒損、相應(yīng)供電區(qū)段變電所跳閘等，最終導(dǎo)致動(dòng)車組停運(yùn)［1-2］。比如繁忙線路樞紐地區(qū)出現(xiàn)網(wǎng)壓外包絡(luò)線頻繁低頻波動(dòng)導(dǎo)致動(dòng)車組或電力機(jī)車變流器封鎖現(xiàn)象等，再加之全國(guó)大范圍的低溫大霧天氣嚴(yán)重影響到動(dòng)車組車頂高壓外絕緣，發(fā)生了多起車頂絕緣閃絡(luò)、高壓互感器炸裂、牽引變壓器高壓進(jìn)線套管或高壓電纜T型頭炸裂、斷路器真空滅弧室絕緣失效等事故，甚至由于高壓絕緣事故引發(fā)了接觸網(wǎng)斷線，嚴(yán)重影響行車安全。

雖然國(guó)內(nèi)外動(dòng)車組上有部分高壓保護(hù)功能，但是動(dòng)車組高壓電氣系統(tǒng)智能化水平及安全監(jiān)控檢測(cè)保障能力還不夠完善，發(fā)生事故后并沒(méi)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)作為分析事故的技術(shù)依據(jù)，也不能在第一時(shí)間對(duì)故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位。保護(hù)簡(jiǎn)單，智能化程度低。

文中通過(guò)對(duì)影響動(dòng)車組高壓電氣回路各項(xiàng)指標(biāo)特性進(jìn)行研究，提出了動(dòng)車組高壓電氣回路智能監(jiān)控系統(tǒng)方案，并研發(fā)試制了一套動(dòng)車組高壓電氣系統(tǒng)智能型保護(hù)平臺(tái)，其功能有：過(guò)壓保護(hù)、失壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、速斷保護(hù)、PT故障保護(hù)、過(guò)流時(shí)間、波形記錄、斷路器動(dòng)作變位記錄、車頂高壓電纜區(qū)段故障定位、變壓器與電纜回路故障區(qū)分、錄波功能、諧波分析等，為高壓電氣回路故障類型、事故原因分析提供技術(shù)依據(jù)。

1 動(dòng)車組高壓電氣回路系統(tǒng)

動(dòng)車組高壓電氣回路原理如圖1所示。3車和6車各設(shè)置1個(gè)基本高壓?jiǎn)卧?，每個(gè)高壓?jiǎn)卧脑O(shè)置相同，圖1給出了1個(gè)基本高壓?jiǎn)卧脑韴D。真空斷路器可對(duì)基本高壓?jiǎn)卧M(jìn)行切換。當(dāng)3車受電弓升起，3車主斷路器閉合，3車電壓互感器工作，6車電壓互感器無(wú)輸出。

圖1 動(dòng)車組高壓電氣回路原理圖

動(dòng)車組高壓電氣回路系統(tǒng)由受電弓、支撐絕緣子、真空斷路器、高壓隔離開(kāi)關(guān)、高壓互感器、保護(hù)接地開(kāi)關(guān)、避雷器、高壓電纜及電纜連接器等組成。

受電弓通過(guò)升弓從接觸網(wǎng)受流，且受電弓通過(guò)控制，保證自身的動(dòng)態(tài)跟隨性，從而保證動(dòng)車組受流的穩(wěn)定性。真空斷路器根據(jù)車輛側(cè)的信號(hào)保證過(guò)分相時(shí)高壓回路開(kāi)斷的跟隨性。

電壓互感器通過(guò)對(duì)接觸網(wǎng)電壓的檢測(cè)，把網(wǎng)壓信號(hào)輸入到車輛采集系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)采集系統(tǒng)輸入的檢測(cè)信號(hào)輸出控制信號(hào)，對(duì)牽引系統(tǒng)及真空斷路器進(jìn)行控制，達(dá)到過(guò)電壓保護(hù)的目的。

電流互感器通過(guò)對(duì)電流信號(hào)的檢測(cè)，輸入到車輛采集系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)根據(jù)采集系統(tǒng)輸入的檢測(cè)信號(hào)輸出控制信號(hào)，其值直接傳送到檢測(cè)電路，用于車輛的過(guò)流及接地保護(hù)。

避雷器保護(hù)從接觸網(wǎng)發(fā)生的雷電沖擊或電路開(kāi)閉引起的過(guò)電壓對(duì)車輛變壓器等設(shè)備絕緣的影響，且具有自動(dòng)恢復(fù)功能。

2 動(dòng)車組高壓電氣回路智能監(jiān)控系統(tǒng)

動(dòng)車組高壓電氣回路智能監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控保護(hù)單元和故障定位2部分組成。其中監(jiān)控保護(hù)單元安裝于車內(nèi)配電柜，故障定位安裝于車廂外部高壓電纜和相關(guān)設(shè)備電氣節(jié)點(diǎn)處。

運(yùn)行監(jiān)控方式依賴的關(guān)鍵設(shè)備是故障指示器，故障指示器安裝在動(dòng)車組主電纜上或相關(guān)設(shè)備電氣節(jié)點(diǎn)處，如圖2所示，通過(guò)檢測(cè)故障電流指示故障所在的出線、分支和區(qū)段。動(dòng)車組高壓電氣回路任一支路發(fā)生故障后，故障指示器可實(shí)現(xiàn)故障信號(hào)的無(wú)線遠(yuǎn)傳和故障自動(dòng)定位。

圖2 動(dòng)車組高壓電氣系統(tǒng)故障指示器動(dòng)作示意圖

當(dāng)動(dòng)車組上某一個(gè)設(shè)備發(fā)生短路或接地故障后，故障支路上從受電弓出口到故障點(diǎn)方向的所有故障指示器均動(dòng)作，如圖2中紅色虛線支路；而非故障分支的故障指示器不動(dòng)作，這樣系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)故障指示器的動(dòng)作時(shí)序，可找到故障發(fā)生區(qū)間，從而迅速確定故障區(qū)段、故障分支及故障點(diǎn)并顯示故障區(qū)段，為尋找故障位置節(jié)約了大量的時(shí)間。

通過(guò)在車頂高壓電纜（HVL）或跨接電纜（AHVL）處安裝小型故障指示器，可以實(shí)現(xiàn)電纜區(qū)段及各電氣設(shè)備的故障定位，如圖2所示。高壓線路電源由P2受電弓供給，當(dāng)在F點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，P2下方的斷路器速斷跳閘，切斷故障線路，同時(shí)，故障點(diǎn)前的故障指示器FI4、FI5能夠檢測(cè)到故障電流，故障信息可傳遞到兩側(cè)的保護(hù)裝置，由保護(hù)裝置分析定位出故障區(qū)段在FI3、FI4之間，實(shí)現(xiàn)故障的快速精確定位。定位信息可在保護(hù)裝置上顯示或通過(guò)通信遠(yuǎn)傳。故障指示器的通信方式可根據(jù)實(shí)際需求選擇無(wú)線通信或有線通信，定位時(shí)間在30 s以內(nèi)。

保護(hù)單元與故障指示器通過(guò)采集電纜及相關(guān)電氣設(shè)備故障電流信息。保護(hù)單元通過(guò)分析多個(gè)故障指示器的故障信息實(shí)現(xiàn)高壓電纜區(qū)段故障定位功能。

保護(hù)單元核心功能包括高壓保護(hù)、錄波、諧波分析、測(cè)控等。動(dòng)車組高壓電氣回路智能監(jiān)控系統(tǒng)具體功能包括：過(guò)壓欠壓保護(hù)、過(guò)流速斷保護(hù)（三段定時(shí)限過(guò)流保護(hù)、涌流保護(hù)）、PT故障保護(hù)、錄波功能（事件錄波、連續(xù)錄波）、諧波分析、事件記錄、高壓電纜區(qū)段故障定位、變壓器與電纜回路故障區(qū)分等。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證及數(shù)據(jù)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證該平臺(tái)及系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性，在滿足型式試驗(yàn)要求后進(jìn)行了裝車試驗(yàn)，在不同線路條件下穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行2年，驗(yàn)證了在不同線路參數(shù)匹配條件下，該平臺(tái)的安全性和穩(wěn)定性。裝車試驗(yàn)記錄了動(dòng)車組在不同工況條件下的大量運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)，并選取典型的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 分相無(wú)電區(qū)監(jiān)控

高速動(dòng)車組每25~30 km就通過(guò)一個(gè)電分相，動(dòng)車組根據(jù)磁感應(yīng)器控制方式自動(dòng)過(guò)分相。如圖3所示。在動(dòng)車組過(guò)分相過(guò)程中因車載斷路器的頻繁開(kāi)合，會(huì)給系統(tǒng)引入過(guò)電壓、過(guò)電流，若車載高壓系統(tǒng)參數(shù)與線路參數(shù)匹配不當(dāng)，可引發(fā)無(wú)電分相區(qū)產(chǎn)生1/3次（16.7 Hz）的諧振過(guò)電壓，其峰值可達(dá)59 kV［3］，對(duì)高壓系統(tǒng)設(shè)備絕緣造成危害，燒損電壓互感器等高壓設(shè)備。

圖3 動(dòng)車組通過(guò)分相發(fā)生振蕩時(shí)原理圖

正常高速動(dòng)車組通過(guò)安裝于地面右側(cè)的磁感應(yīng)器預(yù)告信號(hào)點(diǎn)后開(kāi)始啟動(dòng)車載斷路器分閘命令，直至左側(cè)的磁感應(yīng)器強(qiáng)迫信號(hào)點(diǎn)前必須完全斷開(kāi)車載斷路器，此時(shí)動(dòng)車組與接觸網(wǎng)電氣徹底分離。但是系統(tǒng)參數(shù)匹配不當(dāng)時(shí)，動(dòng)車組高壓供電電纜、中性區(qū)兩側(cè)接觸網(wǎng)形成的電容、動(dòng)車組電壓互感器構(gòu)成了L、C耦合振蕩回路，振蕩頻率一般為工頻的分?jǐn)?shù)次。

動(dòng)車組高壓電氣回路智能監(jiān)控平臺(tái)監(jiān)測(cè)到該動(dòng)車組斷電過(guò)分相過(guò)渡過(guò)程波形如圖4所示，從整個(gè)過(guò)渡過(guò)程可知，此動(dòng)車組通過(guò)無(wú)電分相時(shí)未發(fā)生分?jǐn)?shù)次振蕩現(xiàn)象，中性無(wú)電區(qū)監(jiān)測(cè)到電壓殘壓最大峰值約為29 kV。

圖4中T1時(shí)刻為變流器封鎖牽引時(shí)刻，T2時(shí)刻為車載斷路器合閘時(shí)刻，車載變壓器空載合閘情況下產(chǎn)生明顯偏于時(shí)間負(fù)半軸的激磁涌流。動(dòng)車組通過(guò)電分相有明顯的瞬間操作過(guò)電壓過(guò)渡過(guò)程，如圖5所示?？梢?jiàn)文中研究的動(dòng)車組高壓電氣回路智能監(jiān)控平臺(tái)可有效智能地對(duì)動(dòng)車組分相無(wú)電區(qū)全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控與分析。

圖4 動(dòng)車組自動(dòng)過(guò)分相全過(guò)程波形

圖5 動(dòng)車組自動(dòng)過(guò)分相中性區(qū)全過(guò)程波形

3.2 動(dòng)車組電能品質(zhì)監(jiān)控

高速動(dòng)車組作為一個(gè)移動(dòng)多變負(fù)荷和一個(gè)移動(dòng)變化的電流諧波源，根據(jù)目標(biāo)速度要求在牽引和制動(dòng)工況下不斷切換，不同工況條件下的諧波電流含量有所區(qū)別，特定次諧波含量較高且和牽引供電系統(tǒng)線路匹配不當(dāng)時(shí)會(huì)影響接觸網(wǎng)電能質(zhì)量，污染電磁環(huán)境，嚴(yán)重時(shí)引起諧振過(guò)電壓，影響行車安全，破壞高壓設(shè)備絕緣，降低設(shè)備使用壽命［1］，所以“車網(wǎng)”之間的參數(shù)匹配極為重要，需從諧波源頭加強(qiáng)實(shí)時(shí)有效監(jiān)測(cè)并預(yù)防諧振發(fā)生。

文中研究的動(dòng)車組高壓電氣回路智能監(jiān)控系統(tǒng)可以對(duì)動(dòng)車組全過(guò)程、全天候、任意工況下動(dòng)車組電能品質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控分析，若動(dòng)車組運(yùn)行區(qū)段發(fā)生過(guò)電壓、過(guò)電流等現(xiàn)象時(shí)，系統(tǒng)可發(fā)出預(yù)警并告知。

動(dòng)車組合閘涌流譜波分析及監(jiān)測(cè)波形如圖6所示。圖4、圖6為動(dòng)車組進(jìn)入分相前后全過(guò)程波形，同時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)分析處理動(dòng)車組運(yùn)行全過(guò)程的電壓電流基波有效值、直流分量、視在功率、有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、等效干擾電流、諧波含量分布等電氣參數(shù)。

圖6 動(dòng)車組合閘涌流諧波分析及監(jiān)測(cè)波形

3.3 保護(hù)功能實(shí)現(xiàn)

文中研究的動(dòng)車組高壓電氣回路智能監(jiān)控系統(tǒng)的保護(hù)功能驗(yàn)證如圖7所示，圖中測(cè)得網(wǎng)壓波峰190.6 V，波谷-188.7 V，有效值133 V（一次值33250 V），設(shè)定動(dòng)作值為120 V（一次值30 000 V）。此波形為過(guò)壓事件記錄的典型的諧振電壓波形，31次諧波含量較高。

圖7 過(guò)壓事件典型諧振電壓波形

動(dòng)車組運(yùn)行過(guò)程中進(jìn)行的功能性裝車試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)記錄事件，驗(yàn)證了過(guò)壓、欠壓及過(guò)流事件錄波功能的有效性。設(shè)定的動(dòng)作值較正常整定值都偏小，以更好地驗(yàn)證在過(guò)壓、欠壓及過(guò)流時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)保護(hù)動(dòng)作的有效性和正確率。

4 結(jié)論

文中提出了一種動(dòng)車組高壓電氣回路智能監(jiān)控方案，試制了一套動(dòng)車組高壓電氣系統(tǒng)智能型監(jiān)控保護(hù)平臺(tái)，并進(jìn)行了實(shí)際裝車試驗(yàn)。通過(guò)實(shí)測(cè)記錄數(shù)據(jù)波形及事件可以看出，動(dòng)車組高壓電氣回路智能型監(jiān)控平臺(tái)各系統(tǒng)功能穩(wěn)定、準(zhǔn)確、可靠，驗(yàn)證了此平臺(tái)的可行性，該動(dòng)車組高壓電氣回路智能監(jiān)控系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用為日后動(dòng)車組高壓系統(tǒng)維護(hù)、故障位置快速查找及高壓事故溯源分析提供重要的技術(shù)依據(jù)，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

該系統(tǒng)已獲得國(guó)家發(fā)明專利，授權(quán)證書(shū)號(hào)：3603085，專利號(hào)：ZL 2017 1 0521171.2。