侯文凱

（柳州供電段，高級(jí)工程師，廣西 柳州 545007）

鐵路牽引供電接觸網(wǎng)斷線(xiàn)屬于C類(lèi)鐵路行車(chē)事故，搶修不及時(shí)將引發(fā)更加嚴(yán)重的后果，對(duì)鐵路運(yùn)輸安全有很大的影響。為此有必要對(duì)鐵路牽引供電接觸網(wǎng)斷線(xiàn)的主要原因進(jìn)行分析，并在此基礎(chǔ)上研究防止接觸網(wǎng)斷線(xiàn)的措施，以避免事故的發(fā)生。

1 接觸網(wǎng)斷線(xiàn)的主要原因

根據(jù)全路近年接觸網(wǎng)斷線(xiàn)事故統(tǒng)計(jì)，接觸網(wǎng)斷線(xiàn)主要原因有：

1）接觸網(wǎng)或受電弓尺寸超差，接觸網(wǎng)被機(jī)械拉斷。

2）機(jī)車(chē)車(chē)頂絕緣擊穿，受電弓重復(fù)升弓拉弧燒斷接觸線(xiàn)。

3）機(jī)車(chē)帶電過(guò)分相拉弧燒斷接觸線(xiàn)。

4）機(jī)車(chē)受電弓與接觸線(xiàn)接觸不良，拉弧燒斷接觸線(xiàn)。

5）線(xiàn)間距離不足，拉弧燒斷接觸網(wǎng)。

6）非導(dǎo)體與接觸網(wǎng)接觸拉弧燒斷接觸網(wǎng)。

根據(jù)南寧鐵路局近年接觸網(wǎng)斷線(xiàn)事故統(tǒng)計(jì)，大部分?jǐn)嗑€(xiàn)的情況是電流拉弧造成承力索或接觸線(xiàn)斷。如2012年9月28日和2013年1月16日，盜竊者在南昆線(xiàn)側(cè)亨隧道口和黔桂線(xiàn)太陽(yáng)村站跨線(xiàn)上，將剝離的電纜絕緣皮扔在承力索上致使承力索放電拉弧，過(guò)熱軟化被拉斷。

可見(jiàn)拉弧對(duì)接觸網(wǎng)危害極大，其特征是接觸網(wǎng)持續(xù)的拉弧，而拉弧電流未達(dá)到變電所保護(hù)電流整定值進(jìn)行保護(hù)跳閘。目前接觸網(wǎng)故障保護(hù)主要是針對(duì)過(guò)載、短路、接地故障產(chǎn)生的過(guò)流。但對(duì)于小電流造成的接觸網(wǎng)兩相間、對(duì)地間、機(jī)車(chē)受電弓與接觸線(xiàn)間的拉弧無(wú)法保護(hù)。因此接觸網(wǎng)拉弧是接觸網(wǎng)故障的一個(gè)重要信息，及時(shí)撲捉故障信息、識(shí)別、判斷、處理故障對(duì)牽引供電設(shè)備安全可靠運(yùn)行有很大的意義。

2 電流速斷保護(hù)及拉弧斷線(xiàn)過(guò)程

接觸網(wǎng)放電拉弧是造成斷線(xiàn)的主要原因之一，要防止接觸網(wǎng)拉弧首先要明確防止拉弧的電流速斷保護(hù)的有關(guān)規(guī)定和電弧的特點(diǎn)及拉弧斷線(xiàn)過(guò)程。

2.1 電流速斷保護(hù)的有關(guān)規(guī)定 《鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10009-2005）的4.7.16規(guī)定：“變電所、開(kāi)閉所、分區(qū)所的保護(hù)應(yīng)與電力機(jī)車(chē)內(nèi)部保護(hù)相配合，其速斷保護(hù)應(yīng)有適當(dāng)?shù)难訒r(shí)，此延時(shí)宜為0.1 s”。遵循這一原則，我國(guó)電氣化鐵路接觸網(wǎng)電流速斷保護(hù)動(dòng)作時(shí)限一般均整定為0.1 s。該規(guī)范作了條文說(shuō)明：考慮到電力機(jī)車(chē)的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間一般為0.05 s，因此規(guī)定饋電線(xiàn)速斷保護(hù)的延時(shí)以0.1 s為宜?！峨姎饣F道電力牽引與牽引供電系統(tǒng)繼電保護(hù)及自動(dòng)裝置配合的技術(shù)要求》（TB/T2808-1997）有更明確的規(guī)定：“電力機(jī)車(chē)25 kV側(cè)電流速斷保護(hù)裝置應(yīng)能區(qū)分正常工況和故障，包括斷路器全斷開(kāi)時(shí)間在內(nèi)的整組動(dòng)作時(shí)間不應(yīng)大于60ms，牽引網(wǎng)電流速斷和距離保護(hù)1段動(dòng)作時(shí)間宜為100ms。饋線(xiàn)保護(hù)跳閘時(shí)電流最大可達(dá)2 000多A，根據(jù)焦耳熱Q=I2RT，在這樣短的時(shí)間，導(dǎo)線(xiàn)發(fā)熱量不足以軟化材質(zhì)被拉斷。

2.2 電弧特點(diǎn)及拉弧斷線(xiàn)過(guò)程 電孤是一種氣體放電現(xiàn)象，它的特點(diǎn)：一是電弧中有大量的電子、離子，因而是持續(xù)導(dǎo)電的；二是電弧的溫度很高，弧心溫度達(dá)4 000～5 000℃以上，接觸網(wǎng)拉弧電流與斷線(xiàn)速度成正比。其機(jī)理是絕緣體在一定的電壓下產(chǎn)生放電，隨著絕緣的破壞，放電電流密度就不斷增大，絕緣電阻就越來(lái)越小，在電場(chǎng)作用下金屬表面電子不斷從金屬表面飛逸出來(lái)，成為自由電子絕緣電阻間運(yùn)動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為場(chǎng)致發(fā)射。熱電子發(fā)射、場(chǎng)致發(fā)射產(chǎn)生的自由電子在電場(chǎng)力作用下加速飛向陽(yáng)極，途中不斷碰撞中性質(zhì)點(diǎn)，將中性質(zhì)點(diǎn)中的電子又碰撞出來(lái)，這種現(xiàn)象稱(chēng)作碰撞游離。由于碰撞游離的連鎖反應(yīng)，自由電子成倍地增加，大量的電子奔向陽(yáng)極，大量的正離子向負(fù)極運(yùn)動(dòng)，絕緣體便成了電流的通道維持持續(xù)的電弧。由于電弧溫度很高，在高溫的作用下，接觸網(wǎng)承力索或接觸線(xiàn)材質(zhì)被軟化，最終被自生的預(yù)拉力拉斷。

3 電路故障電弧識(shí)別過(guò)程

當(dāng)接觸網(wǎng)拉弧時(shí)電弧電流具有一定的特征波形成分，通過(guò)分析變電所饋線(xiàn)電流電弧的特有波形，識(shí)別電路是否存在拉弧，分析拉弧的性質(zhì)采取相應(yīng)措施，如警示和跳閘保護(hù)。目前有關(guān)單位已進(jìn)行了電路電弧故障識(shí)別研究，主要是基于電流高頻分量時(shí)頻特征的電弧故障檢測(cè)方法，通過(guò)檢測(cè)被保護(hù)回路電流的高頻分量，進(jìn)行FFT和數(shù)學(xué)形態(tài)濾波處理，提取出信號(hào)頻譜的輪廓特征構(gòu)造特征向量作為識(shí)別故障電弧的特征參數(shù)，確定產(chǎn)生電弧故障。

電路故障電弧識(shí)別過(guò)程包括以下步驟：

1）將被保護(hù)回路導(dǎo)線(xiàn)穿過(guò)電弧采集線(xiàn)圈，導(dǎo)線(xiàn)中電流通過(guò)耦合在電弧采集線(xiàn)圈的磁場(chǎng)產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流經(jīng)取樣電阻轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再經(jīng)過(guò)高頻信號(hào)調(diào)理電路，轉(zhuǎn)化為輸入A/D轉(zhuǎn)換電路和觸發(fā)檢測(cè)電路的模擬信號(hào)；由觸發(fā)檢測(cè)電路產(chǎn)生的預(yù)觸發(fā)信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集控制電路；在數(shù)據(jù)采集控制電路的控制下，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路將調(diào)理后的信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中，同時(shí)被保護(hù)回路導(dǎo)線(xiàn)穿過(guò)工頻電流傳感器，工頻電流傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)工頻信號(hào)調(diào)理電路，轉(zhuǎn)化為輸入過(guò)零比較電路的工頻模擬信號(hào)，再經(jīng)過(guò)過(guò)零比較電路處理后，生成工頻電流過(guò)零信號(hào)，并以邊沿觸發(fā)信號(hào)數(shù)據(jù)處理模塊內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，當(dāng)檢測(cè)到數(shù)據(jù)采集控制電路發(fā)出的內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)時(shí)，以中斷方式啟動(dòng)高頻電流出現(xiàn)時(shí)工頻電流相位和高頻電流頻譜特征分析的計(jì)算任務(wù)；

2）數(shù)據(jù)處理模塊中，依據(jù)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器的當(dāng)?shù)男问椒謩e輸入到數(shù)據(jù)采集控制電路和數(shù)據(jù)處理模塊；

3）數(shù)據(jù)采集控制電路接收到工頻電流過(guò)零信號(hào)后，啟動(dòng)內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器；數(shù)據(jù)采集控制電路啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果連續(xù)地記錄在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊的緩沖區(qū)中；當(dāng)數(shù)據(jù)緩沖區(qū)滿(mǎn)時(shí)，數(shù)據(jù)采集控制電路停止A/D轉(zhuǎn)換和內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器，并向數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)出內(nèi)部觸發(fā)信號(hào)；

4）數(shù)據(jù)處理模塊檢測(cè)到過(guò)零比較電路輸出的觸發(fā)信號(hào)時(shí)，啟動(dòng)前計(jì)數(shù)值和工作頻率計(jì)算高頻電流出現(xiàn)時(shí)的工頻電流相位，將求取的高頻電流出現(xiàn)的時(shí)刻值與上個(gè)工頻電流半波周期的計(jì)算結(jié)果比較，若相位誤差大于π/50弧度或時(shí)間誤差大于0.2ms，則復(fù)位電弧故障計(jì)數(shù)器；存儲(chǔ)當(dāng)前的相位計(jì)算結(jié)果，作為后續(xù)比較的參考值；

5）數(shù)據(jù)處理模塊中，利用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中記錄的波形數(shù)據(jù)計(jì)算高頻電流的特征頻率值序列以及其與參考值序列的平均相對(duì)誤差，若高頻電流特征頻率值與參考值的平均相對(duì)誤差大于5%，則復(fù)位電弧故障計(jì)數(shù)器；存儲(chǔ)當(dāng)前高頻電流的特征頻率值序列作為后續(xù)比較的參考值，并關(guān)閉內(nèi)部的定時(shí)/計(jì)數(shù)器；

6）重復(fù)上述步驟2～5，計(jì)算下個(gè)工頻電流半波周期內(nèi)，高頻電流出現(xiàn)的工頻電流相位、高頻電流特征頻率等參數(shù)，并將其與上次結(jié)果作比較，若在設(shè)定誤差范圍內(nèi)即按照電弧故障處理。

4 接觸網(wǎng)故障電弧識(shí)別研究

鐵路牽引供電系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生一些正常電弧，如機(jī)車(chē)主斷路器投切產(chǎn)生電弧，機(jī)車(chē)升降弓和運(yùn)行中瞬間離線(xiàn)產(chǎn)生電弧，變電所斷路器其動(dòng)作產(chǎn)生電弧，這些電弧的特征是時(shí)間短?？梢砸噪娀〕掷m(xù)時(shí)間來(lái)區(qū)分正常電弧和非正常電弧。因此通過(guò)建立接觸網(wǎng)電弧電流模型來(lái)開(kāi)辟新的故障診斷技術(shù)領(lǐng)域。

4.1 故障模型研究 模擬鐵路牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生的正常電弧和故障電弧進(jìn)行采集，分析各種電弧電流的高頻分量和其他特征，進(jìn)行FFT和數(shù)學(xué)形態(tài)濾波處理，提取出各種不同情況下電弧信號(hào)頻譜的輪廓特征、構(gòu)造特征向量作為各種情況下產(chǎn)生電弧的模型。研究采用共振解調(diào)技術(shù)將故障電弧信號(hào)提取出來(lái)。

4.2 故障處理的研究 界定需要立即跳閘和可不立即跳閘而僅進(jìn)行報(bào)警的研究，建立報(bào)警故障模型和立即跳閘故障模型，如非導(dǎo)體接觸接觸網(wǎng)產(chǎn)生拉弧，電弧電流有時(shí)間長(zhǎng)，持續(xù)增加并的特點(diǎn)需要立即跳閘，。絕緣子污閃電弧電流小，電流較穩(wěn)定的特征，可以不跳閘處理，提示進(jìn)行檢查。

5 結(jié)束語(yǔ)

鐵路牽引供電設(shè)備運(yùn)行中的故障診斷是保障其穩(wěn)定運(yùn)行的必要手段，對(duì)牽引供系統(tǒng)電流波形的研究分析，將開(kāi)辟新的故障診斷技術(shù)領(lǐng)域，極大地推動(dòng)牽引供電系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)，對(duì)降低牽引供電系統(tǒng)故障有很大的意義。