楊志鵬，孫 剛，張文軒，付浩月，盛 良

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接觸網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)特征研究

楊志鵬，孫 剛，張文軒，付浩月，盛 良

基于接觸網(wǎng)檢測(cè)車的電壓測(cè)量方式，分析典型的接觸網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)現(xiàn)象，采用信號(hào)變換、數(shù)理統(tǒng)計(jì)和小波分析等方法對(duì)大量檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)接觸網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)的幅值、頻率、波動(dòng)動(dòng)態(tài)過程等特征，為接觸網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)故障診斷提供參考。

接觸網(wǎng)電壓；低頻波動(dòng)；小波

0 引言

接觸網(wǎng)檢測(cè)車是安裝有弓網(wǎng)綜合檢測(cè)裝置的專用軌道車輛，運(yùn)用方式為連掛客車車體或自走行，通過測(cè)量接觸網(wǎng)幾何狀態(tài)、弓網(wǎng)動(dòng)態(tài)作用關(guān)系、接觸網(wǎng)電氣性能等參數(shù)，評(píng)價(jià)弓網(wǎng)受流性能，指導(dǎo)接觸網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)工作。

《GB/T 1402-2010 軌道交通牽引供電系統(tǒng)電壓》[1]定義接觸網(wǎng)電壓：受電弓取流處或非取流處接觸網(wǎng)與回流回路間的電位差，電壓值是指交流電壓基波的方均根值。同時(shí)，IEC62313、EN50388、UIC796等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)均提出了“平均有效電壓”的概念，用于反映牽引供電系統(tǒng)與機(jī)車車輛運(yùn)行匹配關(guān)系。因此，研究和分析接觸網(wǎng)電壓特征具有重要意義。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著我國(guó)新型交直交傳動(dòng)的CRH系列動(dòng)車組和SS、HXD等系列電力機(jī)車的廣泛應(yīng)用，牽引網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)引發(fā)振蕩時(shí)有發(fā)生。牽引網(wǎng)電壓的低頻波動(dòng)問題越來越受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注，文獻(xiàn)[2]分析總結(jié)了近年來我國(guó)出現(xiàn)的多起由網(wǎng)壓振蕩引起的車網(wǎng)電氣匹配問題，提出了從車、網(wǎng)2方面著手調(diào)整電氣參數(shù)治理該問題的技術(shù)對(duì)策；文獻(xiàn)[3]針對(duì)徐州樞紐地區(qū)的接觸網(wǎng)電壓波動(dòng)現(xiàn)象，通過采集機(jī)車及所亭不同位置的電流和電壓數(shù)據(jù)，結(jié)合理論仿真計(jì)算，提出了擴(kuò)容供電系統(tǒng)和改進(jìn)機(jī)車控制策略的整治措施；文獻(xiàn)[4]對(duì)國(guó)內(nèi)外的電氣化鐵路低頻振蕩研究進(jìn)行了系統(tǒng)的綜述，總結(jié)了2種類型的低頻振蕩特征，歸納了相關(guān)分析方法，并從車網(wǎng)匹配角度提出了抑制方法；文獻(xiàn)[5～8]從不同角度分析研究了接觸網(wǎng)電壓低頻振蕩產(chǎn)生的機(jī)理及抑制措施；文獻(xiàn)[9，10]分析了瑞典等國(guó)外接觸網(wǎng)電壓低頻振蕩特征，并進(jìn)行了理論分析。

上述研究分析局限于某一具體位置的時(shí)域原始數(shù)據(jù)，缺少對(duì)多條線路動(dòng)態(tài)運(yùn)行情況下接觸網(wǎng)電壓有效值的分析，本文結(jié)合接觸網(wǎng)檢測(cè)車動(dòng)態(tài)檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)接觸網(wǎng)低頻波動(dòng)特征進(jìn)行研究。

2 接觸網(wǎng)檢測(cè)車電壓測(cè)量方法

普速接觸網(wǎng)檢測(cè)車是在改進(jìn)的25T型客車上安裝專用的檢測(cè)受電弓，受電弓升起后與接觸網(wǎng)接觸形成等電位，但該受電弓不受流。在受電弓附近安裝電壓互感器，電壓互感器的一次側(cè)頂端與受電弓底座相連形成等電位，二次側(cè)接入信號(hào)處理、數(shù)據(jù)采集單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)接觸網(wǎng)電壓的測(cè)量。高速綜合檢測(cè)列車的檢測(cè)受電弓同時(shí)也是取流受電弓，電壓互感器及傳感器的安裝方案與普速接觸網(wǎng)檢測(cè)車一致，測(cè)量的電壓為動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)的實(shí)時(shí)接觸網(wǎng)電壓。設(shè)備安裝布置如圖1所示。

圖1 高速綜合檢測(cè)車電壓測(cè)量裝置布置

高速綜合檢測(cè)列車主要在高速鐵路和既有提速干線進(jìn)行周期性檢測(cè)，部分樞紐車站同時(shí)會(huì)接入電力機(jī)車和動(dòng)車組，其牽引負(fù)荷類型較為復(fù)雜。

普速接觸網(wǎng)檢測(cè)車普遍采用在旅客列車尾部掛運(yùn)的運(yùn)用方式。目前，我國(guó)旅客列車在電氣化區(qū)段通常采用SS、HXD等電力機(jī)車牽引，即在接觸網(wǎng)檢測(cè)過程中，電力機(jī)車升弓取流牽引，而接觸網(wǎng)檢測(cè)車升弓不取流檢測(cè)。檢測(cè)運(yùn)用過程中應(yīng)注意兩受電弓距離滿足過電分相的要求。此時(shí)，接觸網(wǎng)檢測(cè)車所測(cè)得的接觸網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)為電力機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)下實(shí)時(shí)測(cè)量的數(shù)據(jù)，具有良好的實(shí)時(shí)性和動(dòng)態(tài)特征。圖2為普速接觸網(wǎng)檢測(cè)車運(yùn)用示意圖。

《TB10621-2014 高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》、《TB10623-2014 城際鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》、《TB 10009-2016鐵路電力牽引供電設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了規(guī)范，規(guī)定電力機(jī)車、動(dòng)車組受電弓及接觸網(wǎng)的標(biāo)稱電壓為25 kV，短時(shí)（5 min）最高電壓為29 kV；高速鐵路、城際鐵路接觸網(wǎng)最低工作電壓為20 kV，其他鐵路接觸網(wǎng)最低工作電壓為19 kV。

《TG/GD 124-2015 高速鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)行維修規(guī)則》、《TG/GD 116-2017普速鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)行維修規(guī)則》對(duì)運(yùn)營(yíng)線路的接觸網(wǎng)電壓進(jìn)行門限閾值管理，規(guī)定其最高值不大于29 kV，最低值不小于19 kV，以公里為基本評(píng)價(jià)單元，超過門限閾值設(shè)為一級(jí)缺陷，扣5分，并納入接觸網(wǎng)動(dòng)態(tài)檢測(cè)評(píng)價(jià)及供電專業(yè)管理評(píng)價(jià)，有效保證了牽引供電系統(tǒng)的供電能力。

3 接觸網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)現(xiàn)象

3.1 高速鐵路車站樞紐接觸網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)

某高速綜合檢測(cè)列車在某條客運(yùn)專線進(jìn)行檢測(cè)時(shí)網(wǎng)壓發(fā)生低頻波動(dòng)現(xiàn)象（在該區(qū)段下行、上行均存在網(wǎng)壓低頻波動(dòng)現(xiàn)象），以上行檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，低頻波動(dòng)過程如圖3所示。列車自樞紐車站（該樞紐承接普速列車與動(dòng)車組）駛出，在第1個(gè)供電臂內(nèi)，接觸網(wǎng)電壓、受電弓電流低頻波動(dòng)嚴(yán)重，電壓振蕩幅值為0.1～0.5 kV，通過采樣距離和列車速度計(jì)算將信號(hào)還原成時(shí)域信號(hào)，分析得出低頻波動(dòng)頻率分別為0.1～0.3 Hz，4～5 Hz，受低頻波動(dòng)影響，列車提速緩慢，時(shí)域轉(zhuǎn)換后的局部數(shù)據(jù)如圖4所示；經(jīng)過第1個(gè)分相后進(jìn)入第2個(gè)供電臂，列車逐漸提速，但低頻波動(dòng)現(xiàn)象仍未消失；列車經(jīng)過第2個(gè)分相后進(jìn)入第3個(gè)供電臂，接觸網(wǎng)電壓、受電弓電流低頻波動(dòng)現(xiàn)象消失。

3.2 普速鐵路接觸網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)

接觸網(wǎng)檢測(cè)車連掛在電力機(jī)車牽引的普速旅客列車尾部，檢測(cè)過程中出現(xiàn)網(wǎng)壓低頻波動(dòng)現(xiàn)象較為普遍。以下選取一典型區(qū)段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，該區(qū)段位于列車駛?cè)脒^分相前端，通過將空間采樣輸出數(shù)據(jù)還原為時(shí)域采樣數(shù)據(jù)，利用小波分析法分析其時(shí)頻特征，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，隨列車運(yùn)行網(wǎng)壓低頻波動(dòng)并非在一個(gè)穩(wěn)定的頻率上波動(dòng)，而是在一定的范圍內(nèi)波動(dòng)，大部分低于10 Hz。在該區(qū)段數(shù)據(jù)中，0～ 30 s區(qū)段低頻波動(dòng)頻率小于1 Hz，30～70 s區(qū)段低頻波動(dòng)頻率為2～5 Hz，77～100 s區(qū)段列車過分相，電力機(jī)車主斷路器斷開，惰性駛?cè)敕窒鄥^(qū)，低頻波動(dòng)消失。

圖3 某客運(yùn)專線接觸網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)過程

圖4 低頻波動(dòng)時(shí)域接觸網(wǎng)電壓、受電弓電流局部圖

圖5 網(wǎng)壓低頻波動(dòng)時(shí)域局部圖

4 接觸網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)特征

通過對(duì)接觸網(wǎng)檢測(cè)車檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，接觸網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，其中高速鐵路較少（偶發(fā)的區(qū)域多為承接普速機(jī)車和動(dòng)車組的樞紐地區(qū)），普速鐵路較為普遍。以下選取典型普速鐵路發(fā)生接觸網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)區(qū)段，涉及累計(jì)里程 4 500余公里的數(shù)據(jù)檢測(cè)，對(duì)接觸網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)特征進(jìn)行分析。

4.1 低頻波動(dòng)幅值

對(duì)低頻波動(dòng)幅值進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，低頻波動(dòng)幅值大部分小于2 kV，均值為0.55 kV，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.18 kV，其中波動(dòng)峰值大于5 kV的現(xiàn)象占比1.25%，低頻波動(dòng)幅值數(shù)據(jù)分布如圖6所示。

圖6 接觸網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)幅值分布

4.2 低頻波動(dòng)頻率

接觸網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)由交直交機(jī)車與牽引供電系統(tǒng)匹配問題引起，低頻波動(dòng)頻率隨著牽引傳動(dòng)系統(tǒng)控制過程而變化。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，低頻波動(dòng)頻率分布主要集中在10 Hz以下，其中0.22，0.55，1.1，2 Hz附近出現(xiàn)峰值，幅值主要集中在0.55 kV附近。低頻波動(dòng)頻率分布如圖7所示。

圖7 接觸網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)頻率分布

4.3 低頻波動(dòng)動(dòng)態(tài)過程

通過對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，接觸網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)存在典型過渡過程：振蕩過程中頻率實(shí)時(shí)變化，呈現(xiàn)頻率從低到高再消失而后重新發(fā)生的趨勢(shì)；振蕩幅值存在衰減過程。該現(xiàn)象與相關(guān)參考文獻(xiàn)中仿真計(jì)算得出的穩(wěn)態(tài)振蕩不同，表明電力機(jī)車-接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)是一個(gè)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。圖8所示為2組典型的接觸網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)頻率分布。

圖8 接觸網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)頻率分布

5 結(jié)語

本文通過對(duì)接觸網(wǎng)檢測(cè)車的大量電壓檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總結(jié)了接觸網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)的幅值、頻率及動(dòng)態(tài)過程變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，接觸網(wǎng)電壓低頻波動(dòng)現(xiàn)象為電力機(jī)車-接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)匹配的動(dòng)態(tài)過程，為接觸網(wǎng)電壓波動(dòng)的有效治理提供依據(jù)，以提高牽引供電質(zhì)量。

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On the basis of the voltage measurement mode adopted by OCS inspection car, the phenomenon of typical OCS voltage low frequency fluctuation is analyzed, and large quantity of inspection data has been analyzed by methods of signal conversion, mathematical statistics and wavelet analysis so as for summarizing the characteristics of amplitude, frequency and dynamic process of OCS voltage low frequency fluctuation, these will provide the references for diagnosis of fault of OCS voltage low frequency fluctuation.

OCS voltage; low frequency fluctuation; wavelet

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.009

U225.3

B

1007-936X(2018)05-0033-04

2018-03-05

楊志鵬，盛 良.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，助理研究員；

孫 剛.中國(guó)鐵路沈陽局集團(tuán)有限公司供電處，高級(jí)工程師；

張文軒.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基礎(chǔ)設(shè)施檢測(cè)研究所，副研究員；

付皓月.中國(guó)鐵路沈陽局集團(tuán)有限公司供電處，工程師。

本研究受中國(guó)鐵道科學(xué)研究院科研課題（2016YJ138）資助。