李建華

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鐵路直流線纜放電實(shí)時(shí)測(cè)量中擾動(dòng)信號(hào)的抑制

李建華

針對(duì)鐵路直流線纜接線的特殊性，對(duì)其放電實(shí)時(shí)測(cè)量時(shí)的擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)抗擾動(dòng)信號(hào)的方法，可提高鐵路直流線纜放電實(shí)時(shí)測(cè)量的精度。

直流線纜；放電測(cè)量；抑制擾動(dòng)；實(shí)時(shí)測(cè)量

0 引言

牽引變電所的直流反饋線纜是鐵路供電設(shè)施的重要組成部分，其絕緣性能與鐵路運(yùn)營(yíng)安全密切相關(guān)。對(duì)鐵路直流反饋線纜的絕緣狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量是保障鐵路運(yùn)營(yíng)安全的一項(xiàng)重要措施。

局部放電測(cè)量是評(píng)估供電線纜絕緣性能的一種方式[1～5]，而在局部放電測(cè)量中如何識(shí)別、抑制甚至消除擾動(dòng)是一個(gè)需要研究的問(wèn)題。本文將對(duì)鐵路直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及直流線纜放電的特點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)量鐵路直流線纜放電時(shí)可能存在的擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，并利用擾動(dòng)信號(hào)在時(shí)間分布和頻率分布上的特點(diǎn)提出相應(yīng)的抗擾動(dòng)方法。

1 鐵路直流供電系統(tǒng)

牽引變電所向牽引系統(tǒng)供電，其接線情況如圖1所示。牽引變電所通過(guò)110 kV/33 kV變壓電路與供電網(wǎng)絡(luò)連接。33 kV端使用單個(gè)主線結(jié)構(gòu)，裝有4臺(tái)斷路器。1.5 kV隔離開(kāi)關(guān)、整流機(jī)與整流/變壓器組成2套整流機(jī)組。牽引變電所至接觸網(wǎng)供電采用直流反饋線纜。柔性線纜采用橡膠進(jìn)行絕緣，未設(shè)防水帶和鎧裝，線纜直接埋設(shè)于地下，并且多根并聯(lián)。線纜的電壓隨負(fù)荷變化，其峰值最高可達(dá) 3.0 kV，明顯高于正常工作時(shí)電壓1.8 kV，且電壓中包含高階諧波[6～9]。

圖1 牽引變電所接線示意圖

2 1.5 kV直流線纜放電的特點(diǎn)

雖然1.5 kV直流線纜工作電壓相對(duì)較低，產(chǎn)生局部放電的幾率較小，但當(dāng)線纜的橡膠層出現(xiàn)細(xì)微破損時(shí)，線纜將發(fā)生對(duì)地放電。在橡膠層破裂的初始階段，線纜放電的重復(fù)頻率較高，放電可對(duì)橡膠層造成持續(xù)的破壞，且放電重復(fù)頻率會(huì)逐漸降低，放電電壓信號(hào)在頻域上的分布較寬。

圖2所示為實(shí)驗(yàn)?zāi)M線纜橡膠層出現(xiàn)細(xì)微破損時(shí)放電電壓信號(hào)及其頻域分布。實(shí)驗(yàn)所得信號(hào)與現(xiàn)有直流局部放電理論并不十分相符。該類線纜工作電壓相對(duì)較低，在橡膠層出現(xiàn)細(xì)微破損帶來(lái)絕緣性能減弱出現(xiàn)放電時(shí)，線纜仍能繼續(xù)工作，仍可實(shí)時(shí)地測(cè)量有無(wú)放電電壓信號(hào)，以評(píng)價(jià)線纜的絕緣狀況。

圖2 1.5 kV直流線纜放電信號(hào)波形及其頻率分布

3 擾動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)

鐵路直流線纜的接線具有一定特殊性，使得放電測(cè)量時(shí)的擾動(dòng)信號(hào)復(fù)雜多樣。鐵路直流線纜放電測(cè)量時(shí)可能出現(xiàn)的擾動(dòng)來(lái)源主要包括：整流設(shè)備的脈沖、列車(chē)制動(dòng)/啟動(dòng)的脈沖、隨機(jī)擾動(dòng)脈沖、其他設(shè)備的周期窄頻帶擾動(dòng)、直流端其他設(shè)備的局部放電脈沖、交流端設(shè)備的局部放電脈沖、白噪聲等。本文主要討論前4種擾動(dòng)信號(hào)的特點(diǎn)。

在實(shí)驗(yàn)?zāi)M中發(fā)現(xiàn)，交流端出現(xiàn)局部放電時(shí)，所有被測(cè)直流線纜均可測(cè)量到極性相同的局部放電信號(hào)。多根線纜并聯(lián)時(shí)，若其中一根發(fā)生局部放電，其他線纜上均可測(cè)得與放電源極性相反的擾動(dòng)放電信號(hào)脈沖。

3.1 整流設(shè)備的脈沖擾動(dòng)

整流設(shè)備關(guān)斷及打開(kāi)時(shí)將會(huì)產(chǎn)生整流擾動(dòng)脈沖[10～12]，其幅度與負(fù)荷電流有關(guān)，2個(gè)脈沖之間的時(shí)間間隔與整流設(shè)備的運(yùn)行模式有關(guān)，單個(gè)整流脈沖的脈寬相對(duì)較大（＞4 μs）。

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的整流脈沖擾動(dòng)信號(hào)如圖3所示，在20 ms內(nèi)出現(xiàn)了12個(gè)脈沖，整流脈沖頻譜中，3 MHz附近的功率較多，并聯(lián)線纜上可同時(shí)測(cè)得幅度相近的整流信號(hào)脈沖。

圖3 整流信號(hào)脈沖及其頻率分布

3.2 列車(chē)制動(dòng)/啟動(dòng)脈沖擾動(dòng)

在列車(chē)制動(dòng)和啟動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電流脈沖，圖4為現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的列車(chē)制動(dòng)電流脈沖波形。可以看出，列車(chē)制動(dòng)時(shí)的電流信號(hào)脈沖脈寬約為0.1 ms，頻率分布較窄，頻譜上小于2 MHz的低頻成分較多。并聯(lián)線纜上可同時(shí)測(cè)得列車(chē)制動(dòng)信號(hào)脈沖。

3.3 牽引設(shè)備的周期窄頻帶擾動(dòng)脈沖

牽引設(shè)備產(chǎn)生的窄頻帶周期性擾動(dòng)波形及頻率分布如圖5所示?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)得窄頻帶擾動(dòng)信號(hào)大多分布在500 kHz～1 MHz之間。

圖4 列車(chē)制動(dòng)時(shí)的信號(hào)電流脈沖及其頻率分布

圖5 窄頻帶周期性擾動(dòng)及其頻率分布

3.4 隨機(jī)擾動(dòng)脈沖

圖6為現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的隨機(jī)擾動(dòng)脈沖信號(hào)波形及頻率分布，該擾動(dòng)信號(hào)隨機(jī)出現(xiàn)，頻譜較寬。

圖6 隨機(jī)擾動(dòng)脈沖及其頻率分布

4 抗擾動(dòng)的方法

直流線纜放電信號(hào)的頻率分布寬，而窄頻帶周期性擾動(dòng)和列車(chē)反饋電流擾動(dòng)頻率較低，因此可以選用具有合適響應(yīng)頻率范圍的傳感器、具有濾波功能的電路硬件與數(shù)字化頻域處理來(lái)抑制甚至消除這2類擾動(dòng)。整流擾動(dòng)脈沖具有明顯的規(guī)律性和周期性，并且會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在并聯(lián)的多個(gè)線纜上，因此可采用同步測(cè)量和差動(dòng)平衡結(jié)合時(shí)域窗方法消除[13～16]。隨機(jī)擾動(dòng)脈沖的重頻與線纜放電的重頻數(shù)量級(jí)有差別，可采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)進(jìn)行判斷。目前，針對(duì)減小白噪聲的研究較多[17，18]，其中小波分析比較常用[19，20]?？箶_動(dòng)算法流程如圖7所示。

DFT（離散的傅里葉變換）定義為

式中，為采樣點(diǎn)個(gè)數(shù)，為采樣點(diǎn)序號(hào)，x為第個(gè)采樣點(diǎn)幅值，為頻率序號(hào)，X為第個(gè)頻率的幅值。

DFT可實(shí)現(xiàn)從時(shí)序信號(hào)到頻域信號(hào)的轉(zhuǎn)換，但直接采用DFT的運(yùn)算量相對(duì)較大，運(yùn)算速度也較慢。在DFT的基礎(chǔ)上利用奇數(shù)、偶數(shù)、虛部、實(shí)部的對(duì)稱特征進(jìn)行改進(jìn)的FFT（快速傅里葉變換）可減小運(yùn)算量，提高運(yùn)算速度。

圖7 抗擾動(dòng)算法流程

Cooley算法是目前常用的一種FFT算法，遞歸地將DFT過(guò)程分解為更小的DFT過(guò)程。首先計(jì)算下標(biāo)為偶數(shù)的點(diǎn)的DFT和下標(biāo)為奇數(shù)的點(diǎn)的DFT，然后結(jié)合2個(gè)DFT的結(jié)果。該過(guò)程可以遞歸地進(jìn)行，將2個(gè)DFT過(guò)程進(jìn)一步分割。

通過(guò)FFT可提取信號(hào)的頻域分布，然后去除頻域中的尖峰，可有效抑制鐵路牽引設(shè)備產(chǎn)生的窄頻帶周期性干擾。

在局部傅里葉變換的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的小波分析，可識(shí)別出被伸縮和平移的信號(hào)波形，從而識(shí)別出一些特征。例如()為平方可積函數(shù)，對(duì)應(yīng)的經(jīng)伸縮和平移的子小波為

小波變換的積分過(guò)程為

式中，為時(shí)間，為伸縮因子，為平移因子；,b()為經(jīng)伸縮和平移的函數(shù)，(a,b)為伸縮倍平移的函數(shù)的相對(duì)比例。

通過(guò)小波變換的積分過(guò)程識(shí)別出經(jīng)過(guò)伸縮和平移的波形，可抑制白噪聲。

隨機(jī)擾動(dòng)脈沖信號(hào)頻譜較寬，不易通過(guò)頻域中的處理去除，可采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)進(jìn)行判斷，然后采用時(shí)域窗函數(shù)在時(shí)域中去除擾動(dòng)脈沖從而進(jìn)行抑制。

圖8為抗擾動(dòng)處理前后的波形對(duì)比?？梢钥闯?，結(jié)合多種抗擾動(dòng)算法可大幅抑制擾動(dòng)信號(hào)，有利于更好地識(shí)別線纜放電信號(hào)。

圖8 抗擾動(dòng)處理前后的波形對(duì)比

5 結(jié)語(yǔ)

本文研究了在1.5 kV直流線纜放電實(shí)時(shí)測(cè)量中存在的整流脈沖、隨機(jī)脈沖、電流脈沖等干擾信號(hào)的特點(diǎn)。結(jié)果表明，1.5 kV鐵路直流線纜放電的實(shí)時(shí)測(cè)量中存在較多擾動(dòng)，利用擾動(dòng)信號(hào)在時(shí)間分布和頻率分布上的特點(diǎn)，提出相應(yīng)的抗擾動(dòng)方法，可提高線纜實(shí)時(shí)測(cè)量的精度，及時(shí)掌握線纜的運(yùn)行狀態(tài)。

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With regard to the special characteristics of connection of DC cables for railways, the analysis is made for interfering signals during real time measurement of discharge of cables, and the methods are put forward for suppression of interfering signals, they are able to improve the accuracy of real time measurement of discharge of DC cables for railways.

DC cables; discharge measurement; suppression of interference; real time measurement

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.010

U226.5

B

1007-936X(2018)06-0041-05

2018-05-07

李建華.中鐵十二局集團(tuán)電氣化工程有限公司，工程師。