歐志新

?

接觸網(wǎng)電氣閃絡(luò)與故障檢測數(shù)據(jù)庫案例的研究

歐志新

在綜合分析接觸網(wǎng)供電故障特點的基礎(chǔ)上，建立數(shù)據(jù)庫實時檢測查詢系統(tǒng)和案例分析庫，通過參數(shù)對比與歸類，能夠迅速準確分辨故障前后發(fā)生的問題，最大程度減小電氣故障對接觸網(wǎng)的影響，保證供電系統(tǒng)安全可靠運行。

接觸網(wǎng)；電氣閃絡(luò)；數(shù)據(jù)庫實時監(jiān)控；故障檢測；Matlab仿真

0 引言

隨著我國高速電氣化鐵路的快速發(fā)展，“八橫八縱”高鐵網(wǎng)絡(luò)已日趨完善，為區(qū)域經(jīng)濟聯(lián)動發(fā)展帶來巨大機遇[1]。為了保證鐵路供電系統(tǒng)和列車安全可靠運行，需要在輸變配電、節(jié)能環(huán)保以及事故預(yù)防等方面采取相應(yīng)的保障措施。

接觸網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)的重要輸電設(shè)備，處于露天環(huán)境，受大氣污染影響較大，尤其是粉塵污染，其濃度逐漸增加加快了接觸網(wǎng)絕緣子的積污速度，一旦達到污閃條件，極易出現(xiàn)電氣閃絡(luò)現(xiàn)象，造成沿線帶電設(shè)備跳閘，甚至設(shè)備故障和反復(fù)自動重合閘現(xiàn)象[2]，嚴重影響列車的穩(wěn)定運行，干擾鐵路運營秩序。

1 接觸網(wǎng)電氣閃絡(luò)

接觸網(wǎng)系統(tǒng)受外部環(huán)境干擾波動影響較大，如雷擊，瞬間產(chǎn)生的電流電壓會導(dǎo)致絕緣損壞和電氣設(shè)備運行中斷與誤動作。在列車高速運行時，接觸網(wǎng)與帶電設(shè)備之間的絕緣和間距都需保持一定安全值，一旦遭到破壞，將導(dǎo)致整個區(qū)段供電或線路設(shè)備損壞，嚴重影響供電的穩(wěn)定。電氣閃絡(luò)持續(xù)的時間短，事件多不可預(yù)測[3]，做好監(jiān)測和防范措施是接觸網(wǎng)安全運營需要關(guān)注的重點。

本文在綜合分析接觸網(wǎng)故障特點的基礎(chǔ)上，通過建立數(shù)據(jù)庫監(jiān)控與查詢系統(tǒng)，有效預(yù)防及快速診斷電氣閃絡(luò)造成的故障，將采集的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)中進行分類與歸納，找出共性并制訂檢測方案應(yīng)用于實踐中，為進一步保障接觸網(wǎng)安全輸送電能提供可追溯數(shù)據(jù)體系。

2 接觸網(wǎng)故障檢測方案

2.1 接觸網(wǎng)故障檢測方法與原理

接觸網(wǎng)故障檢測方法主要包括暫態(tài)電流法和暫態(tài)阻抗法[4]?；驹硎抢孟到y(tǒng)發(fā)生故障后的部分電流濾波信號進行數(shù)據(jù)擬合，預(yù)測之后的電流變化情況，并與實際電流相比較求出起弧時間點，而開斷完成的時間點則可視為故障支路電流過零熄弧點。該電流值分析方法側(cè)重于電氣設(shè)備控制電路的運行，而接觸網(wǎng)本身是一種輸電線路，并不參與電流與電壓的控制過程，僅需確保能量損耗少和負荷側(cè)補償效果，即可實現(xiàn)輸送電能的功能。

因此，接觸網(wǎng)故障檢測的重點在電氣設(shè)備，只需準確測量和存儲電氣閃絡(luò)發(fā)生時的電流與電壓數(shù)據(jù)，就可根據(jù)暫態(tài)電流法原理建立準確的數(shù)據(jù)庫進行檢測與儲存數(shù)據(jù)（圖1）。

假設(shè)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，系統(tǒng)中的暫態(tài)電流包含衰減性非周期分量及小于次諧波的各種整次倍頻諧波分量，則有如下表達式：

也可以近似地線性化表示為

式中，I0為直流分量在t = 0時的值；In為第n次諧波分量的幅值；l為直流分量的衰減時間常數(shù)t的倒數(shù)，即l = 1 / t；fn為第n次諧波分量的幅角；w1為基波角頻率。

假設(shè)某一相電流在故障發(fā)生后的某一時間段內(nèi)有個采樣數(shù)據(jù)，則可使用最小二乘法對這個數(shù)據(jù)進行擬合。

式中，為表達式的極值；為抽樣時間，取值為1，2，…，；()為電流實際值；()為電流擬合表達式。

根據(jù)式（2）、式（3）確定出系數(shù)0、、Isin、Icos后，可以將該時間段以后的個預(yù)測值求解出來。然后，將預(yù)測值與實際值相減并求其絕對值，可求出個畸變量值：

接觸網(wǎng)故障發(fā)生瞬間，由于高壓開關(guān)接通電路，過電流導(dǎo)致閘刀產(chǎn)生電弧現(xiàn)象，曲線擬合過程就是修正誤差或者減少電流畸變值的過程，閾值代表接觸網(wǎng)燃弧零界點值。

如圖1所示，點（始分點）為該相起弧時間點，點（畸變臨界點）為該相熄弧時間點。當(dāng)三相同時開斷時，首先起弧的時間點為燃弧時間起始點，最后熄弧的時間點定為燃弧時間的終點，二者之間的時間差即為燃弧時間。

其中=-，為閘刀電弧從產(chǎn)生到熄滅的控制時間（正常時間0.15 s）[5]。其取值條件決定故障恢復(fù)后刀閘重合閘速度和狀態(tài)，確保線路重新投入運行。

接觸網(wǎng)產(chǎn)生瞬時故障前，采集的數(shù)據(jù)主要針對高壓開關(guān)與測量控制對象，如電流和電壓、功率等。在曲線擬合過程中由于測量數(shù)據(jù)中存在誤差，根據(jù)這些測量數(shù)據(jù)所得到的估計值也存在估計誤差，如果估計誤差是隨機量，則需要減少電流變化的時間，否則會燒毀電路和高壓設(shè)備。

實際應(yīng)用中，進行擬合的濾波數(shù)據(jù)可根據(jù)不同的微機保護固定動作時間和不同型號斷路器的額定開斷時間而取不同的范圍。一般情況下，以故障發(fā)生為起點，取故障后的第2個周波數(shù)據(jù)即可。

在Matlab仿真軟件中，定義數(shù)據(jù)參量，橫坐標取范圍1～10，縱坐標分二次取值比較誤差大小與修正結(jié)構(gòu)，編寫仿真程序并繪制仿真圖，得到圖2和圖3。

圖2 采集故障電流優(yōu)化誤差結(jié)果對比

圖3 接觸網(wǎng)10組監(jiān)測點誤差控制效果

圖2和圖3表示接觸網(wǎng)在故障監(jiān)測點的取值控制在誤差檢測和真實值范圍限定的區(qū)域內(nèi)，因為接觸網(wǎng)故障倒閘和開關(guān)過電流時間越短，電弧熄滅越快，接觸網(wǎng)恢復(fù)供電時間與開關(guān)設(shè)備和電路損失大小有關(guān)。因此，圖1用暫時電流分析電路與接觸網(wǎng)發(fā)生故障的瞬態(tài)值帶有一定的誤差可控性和修正便利，在實際中也有理論依據(jù)。采集數(shù)據(jù)具有可變和穩(wěn)定性不高的特點，隨著環(huán)境和溫度的變化，真實數(shù)據(jù)與額定值之間誤差超過上下限，即認定為無效采集值。篩選數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)庫中保存與分析，這也是檢測人為干預(yù)和控制的結(jié)果，對具有相似特性的數(shù)據(jù)庫案例歸類具有指導(dǎo)意義。

2.2 數(shù)據(jù)采集通道

依據(jù)變電所模型接線圖，定義輸入與輸出參數(shù)變量（表1），利用上位機King View監(jiān)控仿真設(shè)計主接線，變量為上位機設(shè)置和現(xiàn)場采集的（內(nèi)存和I/O變量）電流、電壓和有功功率。定義線路和設(shè)備的運行狀態(tài)，采集的數(shù)據(jù)依據(jù)電流電壓互感器，負荷側(cè)功率利用三相功率表，設(shè)置故障線路點和高壓開關(guān)故障參數(shù)（正常運行時三相電壓值，三相電流值，功率共10組數(shù)據(jù)，故障時10組數(shù)據(jù)）。

表1 數(shù)據(jù)庫采集檢測變量設(shè)置

3 實時數(shù)據(jù)庫查詢與存儲

檢測接觸網(wǎng)因電氣閃絡(luò)發(fā)生故障的重點在于采用可視化的數(shù)據(jù)交換與通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，在規(guī)定范圍和時間內(nèi)將采集的電流值和電壓值導(dǎo)入上位機進行對比，同時保存在數(shù)據(jù)庫中，與原始設(shè)定值進行誤差綜合計算并進行歸類（表2）。

歸類數(shù)據(jù)庫內(nèi)容包括故障發(fā)生的時間、狀態(tài)、參數(shù)類型和數(shù)值、線路或設(shè)備作用、參考值與誤差值等[6]。這些數(shù)據(jù)都為之后建立仿真體系和驗證結(jié)果提供參考依據(jù)。

報警數(shù)據(jù)庫的設(shè)置和數(shù)據(jù)導(dǎo)入導(dǎo)出是在人為設(shè)置合理參數(shù)的基礎(chǔ)上，對線路中重要的設(shè)備運行參數(shù)進行監(jiān)視和測量的一種手段[7]，確保發(fā)生故障或設(shè)備異常時，掌握故障具體參數(shù)值和故障位置，便于維修人員迅速準確判斷并及時進行處理。

表2 電氣閃絡(luò)故障采集點理論值與仿真值對比

4 Matlab仿真與結(jié)論

為了驗證接觸網(wǎng)電氣閃絡(luò)造成的故障對供電系統(tǒng)的影響，本文從噪聲干擾與誤差控制2個方面進行模擬，分別對上述模型在失真和匹配2種情形下進行結(jié)果對比。

（1）模型失真時，存在干擾與誤差。

采用3組互不相關(guān)的零均值白噪聲數(shù)據(jù)模擬3個傳感器的觀測誤差[8]，取真值為= 1，先取3組白噪聲的方差分別為0.05、0.10、0.30，將真值與白噪聲數(shù)據(jù)依次相加，即可模擬出3組傳感器的測量數(shù)據(jù)，再用表2中10組原始數(shù)據(jù)進行誤差控制加以驗證（圖4）。

圖4 采集3組原始參數(shù)干擾的權(quán)值分布曲線

從圖4可以看出，故障傳感器的測量值權(quán)值很小，接近于0，對估計結(jié)果影響很小。當(dāng)傳感器發(fā)生故障時（原始參數(shù)狀態(tài)不明或者采集誤差過大），采用傳統(tǒng)的平均值估算法得出的結(jié)果有很大的震蕩，很難準確估算出測量值[9]。本文采用電流瞬態(tài)分析特性采集接觸網(wǎng)故障診斷數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)庫中尋找歸類的誤差大于真值的參數(shù)，利用優(yōu)化與控制策略，具有很強的容錯特性。

（2）模型匹配時，誤差控制與數(shù)據(jù)庫真值。

圖5為電流瞬態(tài)逐步優(yōu)化誤差的過程圖。

圖5 電流瞬態(tài)逐步優(yōu)化誤差過程

從圖5可以看出，算法對3個傳感器測量的數(shù)據(jù)的估計結(jié)果越來越優(yōu)化，且隨著測量次數(shù)的增多，結(jié)果越來越接近真值，即均方差越來越小[10]。每次測量的誤差控制效果均可以實現(xiàn)遞減，直至誤差接近于0。當(dāng)變電所采集/輸入原始數(shù)據(jù)受到外部干擾造成供電不穩(wěn)定時，對出現(xiàn)的電壓畸變或噪聲干擾均具有很好的補償效果，不會造成濾波現(xiàn)象影響供電可靠性和安全性。

5 結(jié)語

接觸網(wǎng)作為鐵路運輸?shù)妮旊娋€路，具有匯集和傳送電能等功能。而電能傳輸在受到外部惡劣的自然環(huán)境，如雷擊、風(fēng)雨影響都易造成電壓閃變及噪聲干擾波動。一旦發(fā)生電氣閃絡(luò)會對鐵路沿線設(shè)備和線路構(gòu)成威脅，造成供電中斷或設(shè)備自動重合閘，故障的檢測和排除將影響鐵路的正常運營。本文在綜合分析接觸網(wǎng)供電故障特點的基礎(chǔ)上，建立數(shù)據(jù)庫實時檢測查詢系統(tǒng)和案例分析庫，通過參數(shù)對比與歸類，能夠迅速準確分辨故障前后發(fā)生的問題，最大程度減小電氣故障對接觸網(wǎng)的影響，保證供電系統(tǒng)安全可靠運行。

[1] 任志超，吳廣寧，周利軍，等. 大秦線大同地區(qū)接觸網(wǎng)外絕緣污閃因素調(diào)查與污穢測試的研究[J]. 機車電傳動，2010（5）：47-50.

[2] 金智杰，馬艷，高鑫. 對接觸網(wǎng)絕緣部件污閃原因及解決辦法的研究[J]. 中國科技博覽，2014（14）：50-51.

[3] 劉建萍. 接觸網(wǎng)絕緣污穢評估及防污方案研究[J]. 科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2011（11）：190-193.

[4] 王強. 高原地區(qū)電氣化鐵路接觸網(wǎng)外絕緣設(shè)計探討[J].鐵道標準設(shè)計，2010（s1）：147-149.

[5] 景小兵，陳唐龍，白杰，等. 接觸網(wǎng)絕緣子泄漏電流在線監(jiān)測裝置設(shè)計[J]. 傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（5）：87-90.

[6] 龍赤宇. 城市軌道交通接觸網(wǎng)絕緣子的老化與防護[J].環(huán)境技術(shù)，2012（5）：22-25.

[7] Gordon W. Method of maximum like hood applied to the analysis of tlashover data.IEEE transactions on power apparatus and systems. 196988(12):1823-1830.

[8] Dhahbi-Megriche N. Evaluation of polluted insulators flashover voltage for different waveforms using an equivalent electrical network model. IEE Conference Publication v 4 n 467 1999 p377-380.

[9] 蔣淵博. 電氣化鐵路27.5 kV絕緣子污穢狀態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)研究[J]. 高速鐵路技術(shù)，2015（1）：74-76.

[10] 方鳴. 電氣化鐵道牽引系統(tǒng)的絕緣、過電壓保護和絕緣配合[J]. 中國鐵道科學(xué)，2001，22（6）：27-32.

With comprehensive analysis of characteristics of OCS power supply faults, by establishing of database real-time inspection & inquiry system and analyzing base of cases, and on the basis of the parameter comparison and classification, it is able to find out timely the problems existed before and after the occurrence of faults, minimize the influences to the OCS caused by the electrical faults in maximum degree, and guarantee the safe and reliable operation of traction power supply system.

OCS; electrical flashover; database real-time monitoring; fault inspection; Matlab simulation

U226.5

A

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.008

1007-936X(2018)01-0035-04

2017-05-04

歐志新.安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，講師，研究方向為電氣化鐵道供電、自動控制等。

2017年安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院校內(nèi)教學(xué)研究課題。