芻議高速鐵路牽引供電系統管理及故障

顧鴻遠

【摘?要】本文根據作者多年工作經驗就高速鐵路牽引供電系統管理及故障進行了簡單的闡述。

【關鍵詞】高速鐵路;牽引供電;系統管理;故障

一、監測技術及問題

1）局部放電的監測。局部放電可以導致電介質的局部損壞，若長期存在，在一定條件下會導致絕緣劣化甚至擊穿。局部放電的特性一般可與絕緣的缺陷相互很好地印證，因此運用局部放電監測發現設備的異常征兆評定絕緣的老化程度，在電力系統是一種常用方法。

2）振動的監測。設備的振動信號中包含豐富的機械狀態信息，借助振動信號對設備狀態進行監測是一種有效方法。目前，變壓器振動監測主要用于判斷變壓器繞組和鐵心的狀態、有載調壓開關的狀態，除此以外還用于斷路器狀態的監測。

3）溫度的監測。電力設備故障往往會伴有電氣量的變化，電氣量的改變經常會導致某部分溫度的改變，因而對于很多設備的故障，可以通過監測溫度反映出來。該方法主要應用于電纜、開關柜、觸頭溫度的監測。

4）絕緣性能的監測。電氣設備的故障往往是絕緣性能的損傷累積引起的，對于設備絕緣參量的監測，主要有油中溶解氣體的分析DGA、介質損耗因數的測量等。DGA多用于變壓器狀態的監測，介質損耗因數多用于容性設備如高壓電容式套管、電流互感器、電容式電壓互感器、耦合電容器以及氧化鋅避雷器的監測。

5）泄露電流的監測。設備的表面污穢受潮后會產生泄露電流，表面絕緣能力下降越多，泄露電流越大，因而通過監測泄露電流可以反映絕緣設備表面絕緣能力。該方法目前主要用于絕緣子狀態的監測上。

當前對電力設備健康監測和預警方面存在著以下問題：1）設備健康評價所依據的監測信息單一;2）沒有考慮故障相互之間的耦合關系，可能造成對設備健康狀態的誤判;3）大多只利用了設備當前的運行值，沒有考慮設備本身特性（如出廠試驗值）、歷史監測數據等對設備/系統健康狀態有較大關聯的歷史信息，缺乏對設備/系統健康狀態的全面把握。4）設備的健康評價只有正常和故障兩種狀態，只能根據監測數據對設備是否發生故障進行判斷，不能準確把握設備/系統健康狀態發展的趨勢，無法實現對運行趨勢惡化的判斷、識別，對即將發生的故障進行預警，對運行、維修起不到多大指導作用。

二、智能化牽引供電系統健康管理及故障預警系統框架及研究內容

1）多元數據處理技術。重點研究牽引供電系統中牽引變電所綜合自動化系統、數據采集與監視控制系統、故障錄波裝置、接觸網檢測車等監測數據的精度、正確率以及各系統監測數據相互之間的關聯性;研究新增監測量如饋線電纜溫度、斷路器觸頭溫度、牽引變壓器局放、互感器介質損耗的獲取辦法;歸納總結多種數據來源的信息特征，包括時間標識、空間（位置）標識、事件標識、連續或離散性質、傳輸特性、不確定性等性質;研究利用這些連續與離散、時間與空間結合的數據分層原則，建立統一的多層故障預警和故障診斷數據模型。

2）健康狀態的綜合評價技術。對高速鐵路供電系統的健康診斷進行定義，并分析其結構、特征、功能和運行機制，研究其健康的內部機理，建立符合高速鐵路供電系統運行特性的健康診斷理論體系的概念框架，并制定相應標準。建立包括各項數據指標的重要度和時效性的動態評估指標、設備的重要度評估指標、元件及網絡的健康程度指標等一系列指標體系，依此對高速鐵路供電系統的健康狀態進行全面評估。

牽引供電系統是由眾多設備組成的一個完整系統，為了既能掌握單臺設備的健康狀態以便于采取對應的維修對策，又能掌握整個系統的健康狀態以便于安排調度，采用基于灰色聚類和模糊綜合評判的2級健康狀態評估模型。在供電設備級采用灰色聚類的方法評估單個設備的健康狀態，將得到的單個設備健康狀態的聚類系數向量作為模糊綜合評判的隸屬度向量，利用模糊綜合評判技術來評估牽引供電系統的整體健康狀態。為使評估結果更接近實際，可利用多傳感器的信息融合技術，進行決策層信息融合，可得到更為可信的系統健康狀態評估結果。

3）故障預警技術。設備或系統故障的發生，是眾多因素隨時間累計的結果，其產生、發展必然經歷一個時間過程，有時看似偶然的故障，也必然有其內在的規律性，即使是突發性故障也存在孕育、發展的時期。同樣，對于牽引供電系統，在破壞性故障發生之前，系統中的某個設備或系統就已經進入病態運行，并且損傷的發生具有趨勢性和累積效應，若能在損傷累積形成故障之前識別出該設備或子系統的異常，提早對其進行檢修或更換，就能避免故障的發生，減小牽引供電系統事故發生的概率。

牽引供電系統故障預警技術重點研究兩種情況：①潛隱故障的預警;②早期故障的預警。潛隱故障是指已經發生卻未直接表現出來（或未被發現）的故障，由于其具有隨機性和隱蔽性，平時存在這些隱患的設備可以正常運轉，但在特定時間、特定環境中可能會表現出來，影響整個系統的正常運行，如電流互感器/電壓互感器、斷路器和保護裝置等都存在潛隱故障的可能。而早期故障主要是指設備狀態開始惡化的初期，此時設備性能還未有明顯的下降。對潛隱故障的識別，可借助于系統中各設備相互之間關聯所形成的制約關系，如對電流互感器/電壓互感器以及微機保護數據采集系統潛隱故障的識別可采用基于基爾霍夫電壓定律和基爾霍夫電流定律所形成的各互感器數據之間的制約關系來判斷。對于保護的潛隱故障，可利用相鄰線路間電氣量的關聯及保護動作之間的配合來加以判斷。

4）維修策略的制定和優化研究。維修保養是提高牽引供電設備性能、延長使用壽命、提高牽引供電系統可靠性的一個重要途徑，通過實行狀態檢修，在設備需要的時候才進行維修，可有效降低維修成本，但降低維修成本和提高系統的可靠性之間存在著一定的沖突，如何合理確定狀態檢修的條件，優化狀態維修的策略，實現系統可靠性和維修成本的協調統一，是高速鐵路牽引供電健康管理系統需重點研究的內容之一。

在考慮維修經濟性和系統安全性因素時，結合牽引供電系統故障后果所造成的損失，考慮不同維修策略下的維護費用，用定量方法尋找不同線路等級的牽引供電系統維護費用和故障后果損失費用之間的最優關系，進行維修策略優化，力求以較少的維修成本實現較好的生產效益。

三、需進一步研究的內容

1）網絡化監控系統的研究。設計融重要設備制造企業、牽引變電所、供電段、鐵路局調度中心、專業院所之間互動的牽引供電健康管理系統。對于重要設備，建立從設計制造、運輸、安裝調試到使用的全過程檔案，通過遠程診斷服務平臺由設備制造商、專業院所專家提供針對復雜情況的解決方案。

2）宏觀和微觀相結合的牽引供電設備狀態評估方法研究。當前設備狀態的評價多建立在宏觀狀態量監測的基礎上，若能從微觀的角度研究設備損傷累積到故障發生的演變規律，將更能有助于對早期故障的預警。

3）健康診斷的CBR推理技術的研究。為滿足大量不斷累積的數據的處理需求，研究具有工程化智能推理能力的案例推理方法，實現針對典型故障的推理功能。

4）基于統計的牽引供電系統薄弱環節和脆弱點研究。對系統的網絡拓撲進行統計分析，找出系統的薄弱環節和脆弱點，為以后系統設計提供指導。

5）統一數據接口的研究。為保障系統各單元的集成，需要研究異步、異構數據庫集成技術，實現牽引供電系統相關監測和控制系統信息的有機組織和共享。

四、結束語

1）通過設備健康狀態的感知，實現對設備和系統故障狀態的提早預測，提早維修，從而避免故障發生產生的影響，減小高鐵牽引供電系統故障引起的風險，提高牽引供電系統的可靠性，為高鐵安全正點運行提供保證。

2）通過對設備狀態的準確判斷，利用狀態檢修代替周期檢修，減少維修，特別是計劃外維修次數，縮短維修時間，提高設備完好率和利用率，減少牽引供電系統的停電時間。

3）通過設備的狀態檢修，減輕對現場檢修人員的工作壓力，減少對備件、保障設備、維修人力等保障資源的需求，降低維修保障費用，提高牽引供電系統運行的經濟性。

（作者單位：上海鐵路局供電檢測所）