于 勇

(中國鐵路沈陽局集團有限公司 長春車輛監(jiān)造項目部，吉林 長春 130062)

動車組高壓電氣設(shè)備擔負著從接觸網(wǎng)取電，為全車提供電能的重要任務，其自身的運行狀態(tài)直接影響到高速動車組能否安全、穩(wěn)定的運行。但是，在高速動車組日常運行維護中，高壓電氣設(shè)備處于運維的盲區(qū)，其自身運行狀態(tài)處于未知狀態(tài)，直到發(fā)生事故后才引起大家的關(guān)注。

從歐盟Shift2Rail項目的研發(fā)進展可以看出，國際上最前沿的軌道交通裝備研發(fā)企業(yè)也正在研究動車組高壓電氣設(shè)備的監(jiān)測技術(shù)，但進展較慢，目前尚無相關(guān)應用案例報道。

在中國國家鐵路集團有限公司提出建設(shè)“智慧鐵路、智能高鐵”的目標中，對設(shè)備在線安全監(jiān)測提出了明確的要求。但是，作為智能高速動車組電氣系統(tǒng)重要組成部分的高壓電氣設(shè)備，其智能化還處于起步階段。因此，建立一套高速動車組高壓設(shè)備智能監(jiān)測系統(tǒng)是非常迫切的。

1 實施意義

高速動車組高壓設(shè)備智能監(jiān)測系統(tǒng)可實時監(jiān)測電氣設(shè)備運行參數(shù)、感知高壓電氣設(shè)備的運行狀態(tài)，實現(xiàn)安全監(jiān)測、故障預警；系統(tǒng)經(jīng)過長期運行，可積累大量的運行狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過大數(shù)據(jù)分析，建立完整的高壓電氣設(shè)備狀態(tài)評估模型，最終實現(xiàn)狀態(tài)診斷、風險預警、智能運維的目的。

高速動車組高壓設(shè)備智能監(jiān)測系統(tǒng)的應用，可解決當前面臨的幾大難題：

(1) 可實現(xiàn)對高壓電氣設(shè)備關(guān)鍵參量的實時監(jiān)測，運行人員可根據(jù)預警信息提前干預、采取措施，防止高壓電氣設(shè)備發(fā)生重大事故而造成停車或其他安全問題。

(2) 可自動實時記錄監(jiān)測數(shù)據(jù)，錄入避雷器動作時暫態(tài)過電壓、沖擊電流波形。事故分析時，系統(tǒng)可再現(xiàn)事故時的暫態(tài)過程，為事故分析提供技術(shù)支撐[1]。

(3) 可提供運行狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)，建立設(shè)備運行壽命數(shù)據(jù)庫，在確保設(shè)備可靠運行前提下延長設(shè)備使用壽命。

2 監(jiān)測對象

高速動車組高壓設(shè)備智能監(jiān)測系統(tǒng)主要對高壓箱中的避雷器、電壓互感器、主斷路器、電流互感器的狀態(tài)進行監(jiān)測，并對受電弓側(cè)的電流異常(例如過流預警、諧波分析等)進行判斷。

3 系統(tǒng)功能

(1) 監(jiān)測功能。對避雷器、電壓互感器、主斷路器運行狀態(tài)的關(guān)鍵參量進行實時監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，可查詢、比對。

(2) 趨勢分析。通過對監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行橫向和縱向比較，分析設(shè)備運行狀態(tài)的變化趨勢。

(3) 風險預警。參照國家電網(wǎng)標準Q/GDW 454—2010《金屬氧化物避雷器狀態(tài)評價導則》的規(guī)定，根據(jù)監(jiān)測量越限的程度，系統(tǒng)將給出不同的警示。

(4) 事故追溯。系統(tǒng)中的監(jiān)測裝置具有動作錄波功能，可再現(xiàn)高壓設(shè)備動作時的暫態(tài)變化過程，為事故分析提供依據(jù)。

(5) 大數(shù)據(jù)積累。系統(tǒng)可長期保存監(jiān)測數(shù)據(jù)，為未來大數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)評價、全壽命管理、故障診斷等提供數(shù)據(jù)。

4 子系統(tǒng)介紹

高速動車組高壓設(shè)備智能監(jiān)測系統(tǒng)由3個子系統(tǒng)組成，分別為：高壓避雷器監(jiān)測子系統(tǒng)、電壓互感器監(jiān)測子系統(tǒng)、主斷路器監(jiān)測子系統(tǒng)。

目前，高壓避雷器監(jiān)測子系統(tǒng)已完成了全部研發(fā)工作，產(chǎn)品已通過國家電氣產(chǎn)品質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督中心的產(chǎn)品型式試驗。電壓互感器監(jiān)測子系統(tǒng)已經(jīng)完成監(jiān)測量的論證，研發(fā)工作正在逐步進行中。主斷路器監(jiān)測子系統(tǒng)目前還在論證中。

4.1 高壓避雷器監(jiān)測子系統(tǒng)

4.1.1 高壓避雷器監(jiān)測子系統(tǒng)架構(gòu)

圖1為高壓避雷器監(jiān)測子系統(tǒng)架構(gòu)。子系統(tǒng)由2層設(shè)備組成，即避雷器監(jiān)測測量裝置和高壓設(shè)備監(jiān)測主機。避雷器監(jiān)測測量裝置完成電壓及電流信號的變換、處理、采樣、計算，并將監(jiān)測獲取的狀態(tài)參量數(shù)據(jù)通過光纖網(wǎng)絡上傳至高壓設(shè)備監(jiān)測主機。高壓設(shè)備監(jiān)測主機完成監(jiān)測數(shù)據(jù)的收集、分析、預警、存儲等數(shù)據(jù)管理功能，同時將分析結(jié)果及預警信息上傳至列車監(jiān)控系統(tǒng)主機。

圖1 高壓避雷器監(jiān)測子系統(tǒng)架構(gòu)

4.1.2 高壓避雷器監(jiān)測參數(shù)的選取及判定標準

金屬氧化物避雷器的非線性電阻閥片主要成分是氧化鋅，氧化鋅的電阻片具有極為優(yōu)越的非線性特性[2]。正常工作電壓下其電阻值很高，實際上相當于一個絕緣體，而在過電壓作用下，電阻片的電阻很小，殘壓很低。在外加電壓作用下，整個避雷器上流過的電流稱之為全電流，全電流由兩部分組成：容性電流和阻性電流。

容性電流是金屬氧化物電阻片的自身電容、雜散電容和均壓電容(如果使用)共同作用下產(chǎn)生的。金屬氧化物電阻片的電容和溫度有輕微的關(guān)系。阻性電流是電壓作用在非線性電阻片上產(chǎn)生的電流。在一定的電壓和溫濕度下，阻性電流與金屬氧化物電阻的伏安特性有很大的關(guān)系。

正常工作電壓下，由于閥片長期承受工頻電壓和隨機的過電壓作用而產(chǎn)生劣化，引起電阻特性的變化，會導致流過閥片的泄漏電流增加。目前，還沒有證據(jù)說明金屬氧化物電阻片的伏安特性劣化而導致容性電流發(fā)生變化，因此容性電流不能說明金屬氧化物避雷器的狀態(tài)。金屬氧化物電阻片的伏安特性主要體現(xiàn)在電阻片的電阻上，電阻片劣化，導致同等電壓條件下電流中的阻性分量急劇增加，會使閥片溫度上升，從而發(fā)生熱崩潰，嚴重時甚至會引起避雷器的爆炸事故。因此，同等電壓條件下，金屬氧化物避雷器阻性電流可以真實反映避雷器的狀態(tài)，依此可以對避雷器的狀態(tài)進行診斷。

高壓避雷器監(jiān)測系統(tǒng)通過測量金屬氧化物避雷器的全電流、阻性電流和功耗(阻容比)的微小變化來診斷避雷器的運行狀態(tài)[3]。阻性電流和功耗的增加意味著避雷器可能出現(xiàn)了劣化。

Q/GDW 454—2010標準規(guī)定，全電流越限告警值為投運初值的1.2倍、1.4倍、2倍，阻性電流越限告警值為投運初值的1.3倍、1.5倍、2倍。

根據(jù)避雷器廠家的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)驗證，此標準具備科學性，因此本系統(tǒng)選用該評判標準。阻容比在上述標準中未加明述，經(jīng)避雷器廠家提供數(shù)據(jù)，阻容比預警、告警參數(shù)按0.22和0.25執(zhí)行。

4.1.3 高壓避雷器監(jiān)測子系統(tǒng)功能

4.1.3.1系統(tǒng)功能

高壓避雷器監(jiān)測子系統(tǒng)具有以下功能[4]：

(1) 電壓監(jiān)測。監(jiān)測接觸網(wǎng)電壓。

(2) 頻率監(jiān)測。監(jiān)測接觸網(wǎng)供電頻率。

(3) 諧波電壓監(jiān)測。監(jiān)測接觸網(wǎng)2～20次諧波量。

(4) 全電流監(jiān)測。監(jiān)測避雷器運行電壓下的泄漏全電流。

(5) 阻性電流監(jiān)測。監(jiān)測避雷器運行電壓下的阻性電流。

(6) 阻容比監(jiān)測。監(jiān)測避雷器阻性電流與容性電流的比值。

(7) 動作次數(shù)監(jiān)測。記錄避雷器動作次數(shù)，最后一次動作時刻。

(8) 錄波功能。當泄漏全電流大于設(shè)定的定值或避雷器計數(shù)器動作時，系統(tǒng)會自動記錄接觸網(wǎng)電壓、避雷器全電流、沖擊電流3個電量波形。

(9) 數(shù)據(jù)管理功能。包含歷史數(shù)據(jù)查詢、刪除、報表生成、數(shù)據(jù)變化趨勢曲線生成。

(10) 報警管理。告警定值管理、告警解除、歷史告警查詢。

(11) 顯示功能。顯示實時監(jiān)測數(shù)據(jù)、實時告警信息、設(shè)備運行狀態(tài)。

4.1.3.2監(jiān)測量及技術(shù)指標

高壓避雷器監(jiān)測子系統(tǒng)監(jiān)測量及技術(shù)指標見表1。

表1 高壓避雷器監(jiān)測子系統(tǒng)監(jiān)測量及技術(shù)指標

4.1.4 高壓避雷器監(jiān)測子系統(tǒng)測量原理

圖2為高壓避雷器監(jiān)測子系統(tǒng)測量原理及測量功能實現(xiàn)框圖。

圖2 高壓避雷器監(jiān)測子系統(tǒng)測量原理及測量功能實現(xiàn)框圖

同步高速采樣高壓避雷器承受的電壓U和泄漏全電流Io，經(jīng)FFT算法計算出電壓、電流的頻率、幅值、相位，通過電壓U和電流Io的相位折算出阻性電流Ir、容性電流Ie以及阻容比的大小。

高壓避雷器監(jiān)測子系統(tǒng)內(nèi)設(shè)2個電流傳感器，即零磁通微電流傳感器和雷電沖擊電流傳感器，以實現(xiàn)避雷器正常運行時泄漏全電流信號的獲取和雷電沖擊時雷電沖擊電流信號的獲取[5]。避雷器接地線采用一匝穿芯模式穿過取樣傳感器，然后返回原接地點。此外，高壓避雷器監(jiān)測子系統(tǒng)內(nèi)設(shè)1個電壓互感器，實現(xiàn)高壓PT(電壓互感器)二次信號轉(zhuǎn)換為可供測量的小信號。高壓PT需提供1路二次信號給本監(jiān)測子系統(tǒng)。

經(jīng)變換獲取的小信號經(jīng)放大、濾波后分別接入16位高速測量A/D(模擬量轉(zhuǎn)換數(shù)字量模塊)和14位高速錄波A/D。FPGA控制A/D實時采樣并將采樣數(shù)據(jù)存儲至大容量DDR存儲器；ARM微處理器從DDR存儲器中提取采樣信號，經(jīng)過一系列運算處理，計算出監(jiān)測的各個量，同時經(jīng)過光網(wǎng)絡接口將數(shù)據(jù)上傳至監(jiān)測數(shù)據(jù)管理裝置。

5 結(jié)論

高壓設(shè)備智能監(jiān)測系統(tǒng)能夠有效解決目前高速動車組運用中暴露的高壓部件狀態(tài)監(jiān)測缺失的問題，且具有大數(shù)據(jù)應用的預留功能?？梢园凑崭涌茖W的規(guī)劃，將避雷器運行數(shù)據(jù)實時傳遞到地面服務器，對避雷器的全壽命周期狀態(tài)數(shù)據(jù)長期跟蹤，自動繪制壽命表征參數(shù)的變化曲線，更加準確地實現(xiàn)避雷器狀態(tài)判斷，是一項值得推廣的技術(shù)。

此方案突破性采用避雷器參數(shù)動態(tài)檢測技術(shù)，可為軌道交通車輛避雷器的狀態(tài)監(jiān)測提供依據(jù)，但具體狀態(tài)判據(jù)尚需進一步驗證，并根據(jù)實際應用數(shù)據(jù)進行優(yōu)化。