鐵路直流線纜放電實時測量中擾動信號的抑制

李建華

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鐵路直流線纜放電實時測量中擾動信號的抑制

李建華

針對鐵路直流線纜接線的特殊性，對其放電實時測量時的擾動信號進行分析，并提出相應(yīng)抗擾動信號的方法，可提高鐵路直流線纜放電實時測量的精度。

直流線纜；放電測量；抑制擾動；實時測量

0 引言

牽引變電所的直流反饋線纜是鐵路供電設(shè)施的重要組成部分，其絕緣性能與鐵路運營安全密切相關(guān)。對鐵路直流反饋線纜的絕緣狀況進行實時測量是保障鐵路運營安全的一項重要措施。

局部放電測量是評估供電線纜絕緣性能的一種方式[1～5]，而在局部放電測量中如何識別、抑制甚至消除擾動是一個需要研究的問題。本文將對鐵路直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及直流線纜放電的特點進行分析，對實時測量鐵路直流線纜放電時可能存在的擾動信號進行實驗?zāi)M和現(xiàn)場測量，并利用擾動信號在時間分布和頻率分布上的特點提出相應(yīng)的抗擾動方法。

1 鐵路直流供電系統(tǒng)

牽引變電所向牽引系統(tǒng)供電，其接線情況如圖1所示。牽引變電所通過110 kV/33 kV變壓電路與供電網(wǎng)絡(luò)連接。33 kV端使用單個主線結(jié)構(gòu)，裝有4臺斷路器。1.5 kV隔離開關(guān)、整流機與整流/變壓器組成2套整流機組。牽引變電所至接觸網(wǎng)供電采用直流反饋線纜。柔性線纜采用橡膠進行絕緣，未設(shè)防水帶和鎧裝，線纜直接埋設(shè)于地下，并且多根并聯(lián)。線纜的電壓隨負荷變化，其峰值最高可達 3.0 kV，明顯高于正常工作時電壓1.8 kV，且電壓中包含高階諧波[6～9]。

圖1 牽引變電所接線示意圖

2 1.5 kV直流線纜放電的特點

雖然1.5 kV直流線纜工作電壓相對較低，產(chǎn)生局部放電的幾率較小，但當(dāng)線纜的橡膠層出現(xiàn)細微破損時，線纜將發(fā)生對地放電。在橡膠層破裂的初始階段，線纜放電的重復(fù)頻率較高，放電可對橡膠層造成持續(xù)的破壞，且放電重復(fù)頻率會逐漸降低，放電電壓信號在頻域上的分布較寬。

圖2所示為實驗?zāi)M線纜橡膠層出現(xiàn)細微破損時放電電壓信號及其頻域分布。實驗所得信號與現(xiàn)有直流局部放電理論并不十分相符。該類線纜工作電壓相對較低，在橡膠層出現(xiàn)細微破損帶來絕緣性能減弱出現(xiàn)放電時，線纜仍能繼續(xù)工作，仍可實時地測量有無放電電壓信號，以評價線纜的絕緣狀況。

圖2 1.5 kV直流線纜放電信號波形及其頻率分布

3 擾動信號的特點

鐵路直流線纜的接線具有一定特殊性，使得放電測量時的擾動信號復(fù)雜多樣。鐵路直流線纜放電測量時可能出現(xiàn)的擾動來源主要包括：整流設(shè)備的脈沖、列車制動/啟動的脈沖、隨機擾動脈沖、其他設(shè)備的周期窄頻帶擾動、直流端其他設(shè)備的局部放電脈沖、交流端設(shè)備的局部放電脈沖、白噪聲等。本文主要討論前4種擾動信號的特點。

在實驗?zāi)M中發(fā)現(xiàn)，交流端出現(xiàn)局部放電時，所有被測直流線纜均可測量到極性相同的局部放電信號。多根線纜并聯(lián)時，若其中一根發(fā)生局部放電，其他線纜上均可測得與放電源極性相反的擾動放電信號脈沖。

3.1 整流設(shè)備的脈沖擾動

整流設(shè)備關(guān)斷及打開時將會產(chǎn)生整流擾動脈沖[10～12]，其幅度與負荷電流有關(guān)，2個脈沖之間的時間間隔與整流設(shè)備的運行模式有關(guān)，單個整流脈沖的脈寬相對較大（＞4 μs）。

現(xiàn)場實測的整流脈沖擾動信號如圖3所示，在20 ms內(nèi)出現(xiàn)了12個脈沖，整流脈沖頻譜中，3 MHz附近的功率較多，并聯(lián)線纜上可同時測得幅度相近的整流信號脈沖。

圖3 整流信號脈沖及其頻率分布

3.2 列車制動/啟動脈沖擾動

在列車制動和啟動時會產(chǎn)生電流脈沖，圖4為現(xiàn)場測得的列車制動電流脈沖波形。可以看出，列車制動時的電流信號脈沖脈寬約為0.1 ms，頻率分布較窄，頻譜上小于2 MHz的低頻成分較多。并聯(lián)線纜上可同時測得列車制動信號脈沖。

3.3 牽引設(shè)備的周期窄頻帶擾動脈沖

牽引設(shè)備產(chǎn)生的窄頻帶周期性擾動波形及頻率分布如圖5所示。現(xiàn)場測得窄頻帶擾動信號大多分布在500 kHz～1 MHz之間。

圖4 列車制動時的信號電流脈沖及其頻率分布

圖5 窄頻帶周期性擾動及其頻率分布

3.4 隨機擾動脈沖

圖6為現(xiàn)場實測的隨機擾動脈沖信號波形及頻率分布，該擾動信號隨機出現(xiàn)，頻譜較寬。

圖6 隨機擾動脈沖及其頻率分布

4 抗擾動的方法

直流線纜放電信號的頻率分布寬，而窄頻帶周期性擾動和列車反饋電流擾動頻率較低，因此可以選用具有合適響應(yīng)頻率范圍的傳感器、具有濾波功能的電路硬件與數(shù)字化頻域處理來抑制甚至消除這2類擾動。整流擾動脈沖具有明顯的規(guī)律性和周期性，并且會同時出現(xiàn)在并聯(lián)的多個線纜上，因此可采用同步測量和差動平衡結(jié)合時域窗方法消除[13～16]。隨機擾動脈沖的重頻與線纜放電的重頻數(shù)量級有差別，可采用數(shù)理統(tǒng)計進行判斷。目前，針對減小白噪聲的研究較多[17，18]，其中小波分析比較常用[19，20]。抗擾動算法流程如圖7所示。

DFT（離散的傅里葉變換）定義為

式中，為采樣點個數(shù)，為采樣點序號，x為第個采樣點幅值，為頻率序號，X為第個頻率的幅值。

DFT可實現(xiàn)從時序信號到頻域信號的轉(zhuǎn)換，但直接采用DFT的運算量相對較大，運算速度也較慢。在DFT的基礎(chǔ)上利用奇數(shù)、偶數(shù)、虛部、實部的對稱特征進行改進的FFT（快速傅里葉變換）可減小運算量，提高運算速度。

圖7 抗擾動算法流程

Cooley算法是目前常用的一種FFT算法，遞歸地將DFT過程分解為更小的DFT過程。首先計算下標(biāo)為偶數(shù)的點的DFT和下標(biāo)為奇數(shù)的點的DFT，然后結(jié)合2個DFT的結(jié)果。該過程可以遞歸地進行，將2個DFT過程進一步分割。

通過FFT可提取信號的頻域分布，然后去除頻域中的尖峰，可有效抑制鐵路牽引設(shè)備產(chǎn)生的窄頻帶周期性干擾。

在局部傅里葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的小波分析，可識別出被伸縮和平移的信號波形，從而識別出一些特征。例如()為平方可積函數(shù)，對應(yīng)的經(jīng)伸縮和平移的子小波為

小波變換的積分過程為

式中，為時間，為伸縮因子，為平移因子；,b()為經(jīng)伸縮和平移的函數(shù)，(a,b)為伸縮倍平移的函數(shù)的相對比例。

通過小波變換的積分過程識別出經(jīng)過伸縮和平移的波形，可抑制白噪聲。

隨機擾動脈沖信號頻譜較寬，不易通過頻域中的處理去除，可采用數(shù)理統(tǒng)計進行判斷，然后采用時域窗函數(shù)在時域中去除擾動脈沖從而進行抑制。

圖8為抗擾動處理前后的波形對比。可以看出，結(jié)合多種抗擾動算法可大幅抑制擾動信號，有利于更好地識別線纜放電信號。

圖8 抗擾動處理前后的波形對比

5 結(jié)語

本文研究了在1.5 kV直流線纜放電實時測量中存在的整流脈沖、隨機脈沖、電流脈沖等干擾信號的特點。結(jié)果表明，1.5 kV鐵路直流線纜放電的實時測量中存在較多擾動，利用擾動信號在時間分布和頻率分布上的特點，提出相應(yīng)的抗擾動方法，可提高線纜實時測量的精度，及時掌握線纜的運行狀態(tài)。

[1] 宮黛，孫靜，孔德武，等. 110 kV XLPE電纜局部放電在線監(jiān)測的方向耦合器技術(shù)實驗研究[J]. 高壓電器，2014（11）：51-56.

[2] 彭發(fā)東，劉斌，龐小峰，等. 阻尼振蕩波下檢測XLPE電纜局部放電和耐壓與工頻的等效性綜述[J]. 高壓電器，2013（7）：116-121.

[3] 李洪濤，吳曉文. 基于小波變換和數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)的局部放電信號降噪算法的研究[J]. 陜西電力，2013，41（6）：1-5.

[4] A novel technique for partial discharge and breakdown investigation based on current pulse waveform analysis. Okubo, Hitoshi, Hayakawa, Naoki. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2005.

[5] Development of GIS fault location system using pressure wave sensors. Sakakibara, T., Nakajima, T., Maruyama, S., Wakabayashi, S., Nagaoka, S. IEEE Transactions on Power Delivery. 1999.

[6] 鈕耀斌，王中偉. 基于橢圓函數(shù)諧波平衡法的二元機翼非線性顫振[J]. 工程力學(xué)，2013，30（4）：461-465.

[7] 李厚儒，南敬昌. 擬牛頓粒子群算法在非線性電路諧波平衡方程中的應(yīng)用[J]. 計算機應(yīng)用與軟件，2013，30（2）：103-105.

[8] 王本利，張相盟，衛(wèi)洪濤. 基于諧波平衡法的含Iwan模型干摩擦振子非線性振動[J]. 航空動力學(xué)報，2013，28（1）：1-9.

[9] 徐道臨，呂永建，周加喜，等. 非線性隔振系統(tǒng)動力學(xué)特性分析的FFT多諧波平衡法[J]. 振動與沖擊，2012，31（22）：39-44.

[10] Nutrient digestibility, nitrogen metabolism and hepatic function of sheep fed diets containing solvent or expeller castorseed meal treated with calcium hydroxide[J]. A.S. de Oliveira, J.M.S. Campos, M.R.C. Oliveira, A.F. Brito, S.C. Valadares Filho, E. Detmann, R.F.D. Valadares, S.M. de Souza, O.L.T. Machado. Animal Feed Science and Technology. 2010(1).

[11] Effect of Replacing Alfalfa Silage with High Moisture Corn on Nutrient Utilization and Milk Production 1[J]. S.C. Valadares Filho,G.A. Broderick,R.F.D. Valadares,M.K. Clayton. Journal of Dairy Science. 2000(1).

[12] Intake, apparent digestibility, and nutrient requirements for growing Nellore heifers and steers fed two levels of calcium and phosphorus[J]. L.F. Costa e Silva,T.E. Engle,S.C. Valadares Filho,P.P. Rotta,R.F.D. Valadares,B.C. Silva,M.V.C. Pacheco. Livestock Science.

[13] 馬仁政，陳明凱. 減少頻譜泄漏的一種自適應(yīng)采樣算法[J]. 電力系統(tǒng)自動化，2002，26（7）：55-58.

[14] 江道灼，馬進，章鑫杰. 鎖相環(huán)在電力系統(tǒng)現(xiàn)場測控裝置中的應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)保護與控制，2000，28（8）：43-45.

[15] 高厚磊，江世芳，賀家李. 數(shù)字電流差動保護中幾種采樣同步方法[J]. 電力系統(tǒng)自動化，1996（9）：46-49.

[16] Analysis and Simulation of Errors in Software Synchronous Sampling in Periodic-signal Measurement. Ma Hongzhong, Hu Qiansheng. Journal of Southeast University (English Edition), 2000.

[17] 楊默涵，陳萬忠，李明陽. 基于總體經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的多類特征的運動想象腦電識別方法研究[J]. 自動化學(xué)報，2017，43（5）：743-752.

[18] 孫國強，樊新海，張傳清. 基于短時處理和經(jīng)驗?zāi)B(tài)分解的地面戰(zhàn)場目標(biāo)被動聲識別[J]. 測試技術(shù)學(xué)報，2017，31（5）：434-437.

[19] 鄭州，呂艷萍，王杰，等. 基于小波變換的雙端行波測距新方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（1）：203-207.

[20] 李廷偉，姬廣展，王鷹，等. 一種改進的輸電線路雙端行波故障測距系統(tǒng)[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2008（s1）：95-97.

With regard to the special characteristics of connection of DC cables for railways, the analysis is made for interfering signals during real time measurement of discharge of cables, and the methods are put forward for suppression of interfering signals, they are able to improve the accuracy of real time measurement of discharge of DC cables for railways.

DC cables; discharge measurement; suppression of interference; real time measurement

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.010

U226.5

B

1007-936X(2018)06-0041-05

2018-05-07

李建華.中鐵十二局集團電氣化工程有限公司，工程師。