弓網受流電壓實時檢測系統

■ 王婧

目前，弓網受流電壓的測量技術已非常成熟，并在電分相位置的檢測、接觸網電壓的可靠性判斷及綜合檢測的輔助判斷中廣泛運用。而牽引供電系統是一種特殊的、移動的高壓電器，電網電壓波動較大，發生操作過電壓的概率高，隨機性強。因此，針對接觸網瞬時過電壓的檢測研究，對分析接觸網供電質量、列車受流質量具有重要意義。結合傳統弓網受流電壓測量，對新研制的弓網受流電壓實時檢測系統及其檢測方法進行介紹。

1 系統設計概述

接觸網持續工作的額定電壓有效值為27.5 kV，現有檢測系統多采用電壓互感器進行二次側電壓獲取，經電纜送入采集卡進行數據采集，系統框圖見圖1。該測量系統結構簡單，成本較低，具有接觸網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）內有較好的頻率響應特性，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。

為捕捉弓網受流電壓的實時變化，研制出新型弓網受流電壓實時檢測系統。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，但在工頻下的磁導率卻很低，不能反映電網常態下的電壓值，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，應特制合適頻帶的分壓器以滿足測量要求，系統框圖見圖2。

圖1 傳統接觸網電壓測量系統框圖

圖2 弓網受流電壓實時檢測系統框圖

被測電壓由分壓器分壓后，經屏蔽電纜送到調理電路輸入端，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。經過電壓隔離傳感器調理后，電壓信號被二次分壓，降低到數據采集單元可采集的范圍內，先由高速數據采集單元對其進行模擬濾波、A/D轉換，再由數據處理計算機進行數字濾波、公里標疊加、數據轉發等處理，然后由分析軟件對所存儲的有效數據進行波形顯示，實現歷史數據查詢等功能。

2 系統詳細設計

2.1 傳感器設計

分壓器是整個電壓測量系統的關鍵，直接影響測量系統的頻率特性和精確度。電阻式分壓器結構簡單、線性度好、穩定性高。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，易對測量結果造成不確定的影響。安全性方面，電阻分壓器結構簡單，填充物可為固體，電容分壓器介質多為油質或氣體，在振動環境下可能存在漏油爆炸的隱患。可見，選用電阻式分壓器既可保證過電壓的傳輸精度，又能實現工頻電壓的正常提取。因為環氧樹脂比空氣和變壓器油具有更高的絕緣強度，澆鑄成型后其機械強度高，且具有優越的防潮、防塵性能，且環氧樹脂的介電常數對溫度的依賴性（－40～70 ℃溫度范圍內）僅為1%，可以有效補償溫度對雜散電容的影響，所以該系統選用環氧樹脂澆鑄電阻式分壓器。分壓器原理見圖3。

根據《TB/ T 3076—2003鐵路應用機車車輛電氣隱患防護的規定》、《TB/ T 3077—2003電力機車車頂絕緣子技術條件》及《300～350 km/h電氣化鐵路接觸網裝備暫行技術條件》等標準的要求，該分壓器的具體技術參數見表1。

2.2 信號采集

為確保車頂傳感器與數據采集器在惡劣電磁環境下正常工作，系統采集設備均置于車頂屏蔽盒內。被測電壓經分壓器分壓后，通過屏蔽電纜輸送入屏蔽盒中的調理電路輸入端。由于過電壓信號頻率較高，且經過二次分壓后信號幅值較小，因此選用高速、高精度、大容量的數據采集器。該系統采用的數據采集器可實現高達1 M的采集速率。采集數據經鎧裝屏蔽千兆以太網電纜傳入車內電壓檢測數據處理計算機進行處理。傳感器及數據處理單元見圖4。

2.3 軟件設計

電壓采集軟件的基本功能是：實時獲得瞬變的電壓信號、有效濾除干擾、完整保存原始數據。為了能實時觀察過電壓，軟件需具備電壓波形顯示及速度里程信息顯示功能，并可根據需要調整采集頻率。同時，軟件需計算電壓有效值，轉發給弓網檢測系統數據集成處理軟件，與其他檢測項目進行同步顯示及存儲。軟件系統見圖5。

圖3 分壓器原理圖

表1 分壓器具體技術參數

圖4 傳感器及數據處理單元實物

電壓采集軟件的技術關鍵在于如何實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成噪聲濾除，不能完全采用傅里葉濾波方式，應采用傅里葉變換與小波變換相結合的濾波方式，先采用傅里葉濾波濾除高頻干擾，再采用小波變換去噪。軟件界面及實時波形見圖6。

圖5 軟件系統框圖

圖6 電壓采集軟件界面及實時波形

3 結束語

弓網受流電壓實時檢測系統采用電阻分壓器及高速數據處理單元實現對弓網受流電壓的實時測量，通過研究瞬時過電壓，對分析接觸網供電質量、列車受流質量具有重要意義。同時，了解過電壓特性，可及時采取有效預防措施限制高壓側的過電壓幅值，降低車頂高壓絕緣子的閃絡概率，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 鐵路應用機車車輛電氣隱患防護的規定[S]

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