汪志成， 周書民， 吳仲郎， 鮑廷義

(東華理工大學機械與電子工程學院，江西 南昌 330013)

開路和接地是高速鐵路牽引網(wǎng)供電線路的常見故障形式，對鐵路系統(tǒng)的安全可靠運營造成了較大的危害(官衍圣等，2008;盧繼平等，2007;Mokhlis et al.，2011)。尤其是發(fā)生接地故障后，盲目重合閘操作會在牽引網(wǎng)供電線路上產(chǎn)生大電流，損壞機車、沿線設備，甚至危及沿線人員人身安全(Li et al.，2011;陳健鑫，2008;Eisa et al.，2010)。因此，準確判斷故障性質(zhì)并采取相應的保護措施對于保障鐵道系統(tǒng)安全可靠運營具有重要意義。本文基于C 型行波測距法，重點分析故障性質(zhì)對行波波形的影響，為高速鐵路牽引網(wǎng)故障性質(zhì)的準確判斷提供依據(jù)。

1 C 型行波測距法基本原理

C 型行波法主動發(fā)出脈沖信號，根據(jù)反射行波與初始行波到達時刻差進行測距(鄔林勇，2009)。其基本原理如圖1 所示。當線路發(fā)生故障時，測距裝置啟動，向線路發(fā)出高壓脈沖信號，高壓脈沖信號(速度接近光速)沿線路傳播。到達故障點時，由于波阻抗發(fā)生變化，產(chǎn)生反射行波，反射行波信號返回測距裝置，通過檢測發(fā)射的脈沖信號到達檢測點的時刻和故障點反射行波到達檢測點的時刻計算故障點距離。故障點的計算公式為:

式中，Δt 為從開始發(fā)射脈沖波到反射波返回到裝置的時間。

2 C 型行波測距法實驗裝置的建立

行波測距裝置主要包括三個部分:高壓脈沖信號源裝置(黃鄉(xiāng)生等，2009)、高頻行波傳感器和高速采集模塊。高壓脈沖信號源裝置對故障線路發(fā)出高壓脈沖信號，經(jīng)高頻行波傳感器采集到模擬行波電壓信號，然后傳輸給高速采集模塊對故障行波信號進行記錄、存取，最后通過算法軟件對數(shù)據(jù)進行處理以判定故障性質(zhì)和故障點位置(龔珺等，2011)。

3 模擬實驗研究

利用C 型法行波測距裝置搭建高速鐵路牽引網(wǎng)故障檢測模擬實驗線路，在不同電壓下測試線路開路和接地情況下的行波信號。

3.1 接地條件下行波信號頻譜的分析

圖1 C 型行波測距法基本原理圖Fig.1 The principle of C-type traveling wave method

在模擬實驗線路末端接地的情況下，對不同放電電壓值下的行波信號頻譜進行分析。本文以3 kV，5 kV 和10 kV 放電電壓下的行波波形和頻譜分析結(jié)果為例進行說明，行波測試信號頻譜分析結(jié)果如圖2 所示。從圖2 可知，在3 kV，5 kV，10 kV放電電壓等級下，最大幅值點對應的頻率均為14.663 kHz，未發(fā)生變化。

3.2 開路狀態(tài)下行波信號頻譜的分析

在模擬實驗線路末端開路的情況下，對8 kV，7.6 kV，7 kV 和5.6 kV 放電電壓下的行波波形和頻譜分析結(jié)果為例進行說明，行波測試信號波形頻譜分析結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可知，在8 kV，7.6 kV，7 kV 和5.7 kV 電壓放電時，行波信號頻譜圖中最大幅值點對應頻率分別為366 kHz，307 kHz，322 kHz 和359 kHz。

3.3 實驗結(jié)果分析

對照上述頻譜分析結(jié)果可以看出，在接地故障情況下，放電電壓在3 ～10 kV 范圍內(nèi)變化時，頻譜圖中最大幅值點對應的頻率值基本沒有變化，維持在14.663 kHz;在開路故障情況下，放電電壓在5.7～8 kV 范圍內(nèi)改變時，最大幅值點對應的頻率值發(fā)生了較明顯的變化，但基本維持在300 kHz 以上。形成這一結(jié)果的原因可能是，開路狀態(tài)下高頻信號成分衰減較少，在初始信號成分一樣的情況下，反射行波中更多的高頻成分得到了保留，但是由于線路末端開路時，對空氣放電的影響，每次放電過程不太一樣，造成了高頻成分的不同損失，因此開路狀態(tài)下的峰值點對應信號頻率有所變化。

4 結(jié)束語

本文基于C 型行波法原理，搭建了模擬實驗線路，分別獲取了不同電壓等級下開路和接地故障時的行波信號。通過對行波信號的頻譜分析可看出，線路開路和接地故障形式下，行波信號頻譜差別較大;其中在接地故障時，最大幅值點對應的頻率值相對較低，且基本沒有變化，在開路故障時，最大幅值點對應的頻率值相對較高，且有明顯變化。造成這一現(xiàn)象的原因初步分析為:開路故障時，線路末端發(fā)生放電，造成一定程度的能量損失，相對于接地而言，能量損失較少，所以高頻部分的能量較大，但由于對空氣放電過程的不可控制，造成了每次放電時不同頻率成分的能量損失不一樣，體現(xiàn)在頻譜分析結(jié)果上的能量峰值點對應信號頻率有所變化。

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圖2 接地故障時不同放電電壓值下行波信號頻譜分析Fig.2 Frequency spectrogram of traveling wave signal under different discharge potential level for earth fault