接觸網避雷器性能在線監測系統的研究與設計

趙玉明，張向豐

0 引言

在高速鐵路發達的歐洲中部地區，每100 km接觸網在1年內可能遭受1 次雷擊。基于這樣的雷擊概率數據，德國采用的方法是在雷電較多的地段安裝避雷器，而在其他雷電較少的區段，一般不考慮安裝避雷器等防雷裝置。而與德國相比，日本的地理環境、氣象環境完全不同，因此對電氣化接觸網的保護措施也截然不同。日本根據雷擊頻度及線路重要程度，將防雷等級劃分為A、B、C 三級區域。A 級區域雷害嚴重且線路重要，全線接觸網均架設避雷線，同時在牽引變電所出口、接觸網隔離開關、電纜接頭連接處、架空避雷線接地線終端等重要部位設置避雷器；B 級區域雷害較重且線路重要，對部分特別地段的接觸網架設避雷線，同時在與A 級區域相同的重要位置安裝避雷器；對于C級區域，一般只在一些重要位置安置避雷器。

從雷電的形成來分析，我國很多地區（比如西南地區、東南沿海地區）有類似于日本的地理和氣象環境，但鐵路接觸網的防雷保護卻沒有吸取日本高鐵的經驗，反而機械地學習了德國經驗，所以在高速鐵路剛發展的幾年內，不可避免的由于雷電影 響而造成多起事故，給人們的生產、生活帶來了深刻的負面影響。

避雷器性能優劣檢測原理與監測方法仍然沿用電力系統中的常用的研究方法。但鐵路牽引系統與電力系統相比具有負荷移動、方式多變等特點，加之接觸網與電網不同的拓撲結構，導致對接觸網用避雷器進行狀態性能檢測的時候面臨諧波電流復雜、頻繁操作過電壓等諸多新的問題。

1 鐵路接觸網特性分析

本文針對避雷器運行的背景環境是牽引供電系統，它是指三相電力系統接受電能向單相交流電氣化鐵道行駛的列車輸送電能的電氣網絡，主要構成部分如圖1所示。牽引變電所控制及變換電能，轉換接觸網與電力系統之間的電壓，接觸網則負責向列車供給電能，國內干線電氣化鐵道的供電制式是工頻單相交流制，接觸網的額定電壓是 25 kV。

圖1 牽引供電系統結構圖

負荷的特殊性決定了接觸網的特征不同于一般三相輸配電網絡，主要原因有以下幾點：

（1）電力機車是大功率單相負荷。

（2）電力機車是移動性負荷，由于電氣化鐵道線路的條件多變，機車在行進過程中阻力也不斷的變化，頻繁地在起動、加速、惰行、制動等工況之間轉換，機車負荷的劇烈波動容易使接觸網電壓異常波動，產生操作過電壓。

（3）電力機車是非線性負荷，國內大量采用的交直流型電力機車，主電路一般都為相控整流電路，網側電流含有較大諧波成分，且含所有奇數次諧波，包括3 次及3 的倍數次。

本文主要針對接觸網用避雷器的工作條件及背景環境，其他的有關牽引供電系統及接觸網的內容不作為研究的對象，而能夠給避雷器性能狀態帶來危害的諧波電流和電壓波動也是本文分析的重點之一。

1.1 接觸網諧波特性分析

在避雷器性能檢測過程中，阻性電流值因其能夠很好地反映避雷器的狀態性能而常被用作判斷避雷器性能優劣的重要依據。但是在諧波污染嚴重的情況下，阻性電流中含有較大分量的諧波含量，嚴重影響了性能分析的精確性。而在電氣化鐵路系統中，電力機車多采用PWM 控制電路，容易給接觸網帶來嚴重的諧波污染，諧波在接觸網傳播的過程中，當接觸網參數與機車匹配時會發生諧振和嚴重的諧波放大。根據CRH2 動車組的模型仿真分析，當機車在運行工況之間切換時，對應的輸出功率會發生變化，由于基波與各諧波電流的變化不同步，導致不同輸出功率下諧波電流含量的變化較大。由諧振引起的電壓畸變會進一步使機車諧波電流增大，形成一個類似于正反饋的相互激勵過程，導致接觸網形成諧振過電壓，燒損避雷器等設備。

因此，在避雷器性能監測分析中，諧波含量的檢測對避雷器工作狀態的分析具有重要作用。本系統也將基于場強法的諧波檢測方法運用其中。

1.2 接觸網電壓波動分析

電氣化鐵路牽引負荷表現為移動且運行工況切換頻繁的特點，是一種十分典型的日波動負荷，符合短時沖擊的特點。接觸網的電壓波動與線路條件、機車類型、運行工況、機車速度、牽引重量等因素有關，且這些影響因素具有隨機的特點。根據數據統計，接觸網電壓波動范圍最大可達30%，同時電壓峰值最高達到460 V，波峰系數達到1.92，電壓峰值的大范圍變化對設備的安全構成了較大的隱患，這其中也包含避雷器。因此在對避雷器性能在線監測的過程中，頻繁的操作過電壓將是一個值得深究的問題。

為此，在本系統中額外添加了避雷器運行過電壓監測功能，設定運行過電壓的閾值，并記錄下運行過電壓的時間和次數，有助于對避雷器性能狀態和故障原因進行分析研究。

2 氧化鋅避雷器在線監測系統的結構設計

氧化鋅避雷器在線監測系統主要由傳感器、監測點裝置、數據采集節點及上位機數據管理平臺組成，其結構設計如圖2所示，分別利用感應式電壓傳感器和電流互感器采集避雷器運行的電壓信號和電流信號，每只避雷器有其固定的監測點裝置，采集處理監測到的狀態數據；一只數據采集節點可以處理多個監測點裝置的監測數據，利用RS485實現多個數據采集節點與上位機之間的數據通信。

主控PC 向下位機數據采集節點發出索要數據的控制指令后，節點根據接收的指令要求向監測點裝置索要當前的監測數據，該裝置在收到指令后就按要求將監測數據回傳給數據采集節點，節點確定收到監測數據之后，再將這些數據有次序地回傳給主控PC，上下位機之間采用ModBus 通信協議，并通過CRC 校驗，以保證數據傳輸的準確性。

圖2 避雷器在線監測系統的結構設計圖

2.1 監測點電路結構設計

避雷器性能在線監測點主要完成避雷器運行電壓及泄漏電流的采集、計算及其信號處理和組網通信等功能。整體結構由電流采集模塊、電壓采集模塊、90E36 信號處理模塊，單片機控制模塊、電源模塊、RS485 通信模塊、雷擊計數模塊及LCD顯示模塊組成，其結構設計框圖如圖3所示。

圖3 監測點電路結構設計框圖

2.2 RS485 串行組網通信結構設計

在數據通信、計算機網絡應用中，RS485 是一種常用的串口通信標準，它是在RS232 標準基礎上發展起來的一種平衡傳輸標準，能夠克服RS232通信距離短，速度低等缺點，其最高傳輸速率達到10 Mbit/s，最遠傳輸距離可達1 200 m；具備多點、雙向通信功能，即可允許同一條總線上連接多達32 個數據節點，而且節點驅動能力強、沖突保護特性好。由于RS485 標準對接口要求的特殊性，用戶亦可建立自己需要的通信協議。因此，該系統采用RS485 標準組網通信，如圖4所示，其中N≤32。

圖4 RS485 組網通信框圖

3 結語

在高速鐵路剛發展的幾年內，曾因雷電影響造成多起列車停車晚點事故，給人們的生產、生活帶來了深刻的負面影響，鐵路系統的防雷避雷研究已經成為一個研究的熱點課題。傳統的避雷器故障監測研究只針對于電力系統的應用背景，鐵路牽引系統具有負荷移動、運行方式多變而造成的諧波電流復雜、頻繁操作過電壓等特點，而諧波電流和操作過電壓都會嚴重影響避雷器性能狀態。因此針對接觸網系統的特殊性，本文提出了氧化鋅避雷器性能在線監測的實現方法，并設計了在線監測點的硬件裝置、數據采集節點及主控PC 數據管理平臺。經測試，本監測系統具備對避雷器阻性泄漏電流和相位差值進行精確檢測，數據傳輸流暢，同時具有實時數據圖形化顯示，歷史數據查詢等功能。系統運行試驗驗證了理論分析和設計的正確性，為其他電氣設備實時監測研究提供了重要的理論基礎和實際的指導意義。

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