分布式接觸網雷電在線監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)研發(fā)及應用

2021-11-20 · 閱讀394

分布式接觸網智能防雷在線監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)研發(fā)及應用

方志國，李紅梅，戚廣楓，肖曉暉

引言.

我國幅員遼闊，電氣化鐵路橫跨東西，縱貫南北，線路途經區(qū)域地形地貌千差萬別，而全國各地的雷電活動差異較大,東南沿海地區(qū)是雷電活動比.較頻繁的多雷區(qū)和重雷區(qū)，尤其是山區(qū)，雷害危險更加突出，因此從技術經濟合理性的角度出發(fā)，采取差異化的工程防雷措施尤為重要。在本課題研究之前，由于沒有有效的檢測手段直接采集到牽引網線路.上的雷電特征數(shù)據，對接觸網受雷電干擾的性質、機理(直擊雷或感應雷，或雷電途徑)等不太明確，因此電氣化鐵路防雷工程設計的差異化并沒有實質性體現(xiàn)。

根據RAMS理論，在雷擊次數(shù)一定或雷害無法完全避免的情況下，為了最大程度地減少雷電危害,可針對既有設備,從盡快修復接觸網供電設備、減少停電停運時間方面采取有效措施亦具有非常重要的現(xiàn)實意義。雷電所致接觸網故障，通常是接觸網_上大量并聯(lián)的絕緣子的某一處表面閃絡導致一個接觸網電氣單元內 的整體絕緣性能下降而無法恢復供電,但閃絡的故障絕緣子表面的雷電流經過痕跡極不明顯，很難查找故障位置，在夜間或惡劣天氣情況下則更加困難，所以判定雷電及短路所致的絕緣破壞位置，也具有十分重要的意義。

1國內外雷電監(jiān)測現(xiàn)狀

國外關于雷電流的研究開始較早，最早研制成功并用于雷電參數(shù)測量的測量儀器是采用Pockels的磁鋼棒測量法。隨著國內外學者對獲取雷電流參數(shù)方法的研究越來越多、越來越深入，逐漸形成了多種雷電流測量方法，主要有磁鋼棒法、陰極射線示波器、雷電定位系統(tǒng)、磁帶法、基于羅氏線圈的雷電流測量方法。20世紀90年代以來，隨著星載雷電探測手段的不斷發(fā)展,人造衛(wèi)星技術為進行大范圍探測雷電提供了理想的平臺，出現(xiàn)了許多新的技術手段和方法，如全球定位系統(tǒng)(GPS)用于時差法定位的時間同步;數(shù)字信號處理技術用于閃電回擊波形的數(shù)字分析;衛(wèi)星通信用于探測儀與中心站點之間的高速數(shù)據傳輸?shù)取ｈb于雷電監(jiān)測定位技術的重要應用價值，目前世界一些國家如美國、 加拿大、法國、日本、巴西等都相繼建成了閃電定位（如下圖所示）：

在我國，早在20世紀70年代，中科院空間中心就已開始了雷電定位及其參數(shù)方面的相關研究。1992年起，中科院空間中心開始對GPS的新時差系統(tǒng)進行研究，成功研制了“ADTD雷電監(jiān)測定位系統(tǒng)”，并于2000年在深圳、福建、江西、湖南和青海等省市進行了小規(guī)模試驗，并取得成功。目前系統(tǒng)化的或推廣應用中的雷電監(jiān)測系統(tǒng)研究主要集中于雷電大氣中直接入地點雷電流位置的判定和電流幅值水平的評估,多用于雷閃密度評估統(tǒng)計分析,并不是針對電網線路中的雷電流特征數(shù)據采集,因此無法用于確定鐵路牽引網的線路結構是否會改變雷電流耦合或傳輸路徑以及雷電流分布(通過牽引網入地的路徑)，對于牽引網雷電干擾評估的參考價值十分有限。

2總體技術思路及系統(tǒng)構成方案.中為防雷http://www.kaiyuanfeather.com.cn

2.1 總體技術思路

(1)針對高鐵接觸網系統(tǒng)，研發(fā)在高鐵供電大電流干擾下可正常運行的高速采集系統(tǒng),獲取雷電在接觸網系統(tǒng)上形成瞬態(tài)電流的波形數(shù)據,并通，過高精授時系統(tǒng)獲得雷擊電流的形成時間。
(2)編制遠程控制接觸網系統(tǒng)的上位機軟件，實現(xiàn)主機通過GPRS網絡控制系統(tǒng)提取系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據和設備運行狀態(tài)的功能。
(3)獲取雷電流波形數(shù)據，在數(shù)據充足的條件下，建立接觸網雷電信息檔案，通過特征識別，.識別和判定雷電性質。

(4)通過多臺設備獲取雷電流形成的時間信息，結合行波法分析計算雷擊電流的大致位置。

2.2接觸網雷電在線監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)構成
系統(tǒng)構成設計如下圖所示。系統(tǒng)中的監(jiān)測終端分布安裝于需要監(jiān)測的輸電線路上，采集故障信息;數(shù)據中心設置于研究分析中心，收集故障信息并診斷故障;工作站是各區(qū)域運行維護的管理部門，用于查看故障信息并指導巡線、檢修和防措。
當接觸網遭受雷擊時，在線監(jiān)測裝置中的傳感器模塊將采集到一個與雷電流同相且幅值與其大小成正比的電壓信號，該信號將傳輸至核心電路板，通過AD采集芯片進行數(shù)據采集;然后通過總線將采樣數(shù)據輸送給核心數(shù)據處理單元進行處理，與此同時授時模塊提供精準的時鐘信號;經過處理后的采樣數(shù)據存儲在儲存單元中，同時通過數(shù)據傳輸模塊將采樣數(shù)據傳送給遠程終端管理系統(tǒng)，由其進行存儲及處理;遠程終端管理系統(tǒng)也可以向在線監(jiān)測裝置發(fā)送執(zhí)行相關任務的指令;供電模塊為整個在線監(jiān)測裝置供應電能。

3關鍵技術創(chuàng)新

(1)實現(xiàn)接觸網網上雷電流信號的直接采集，并可采集到因故障電流產生的網上故障行波信號，并可完整存儲、遠程傳輸雷電流相關信號，系統(tǒng)主機獲得完整的雷電流波形、絕對時間參數(shù)等特征數(shù)據，可靠地實現(xiàn)接觸網雷電信號采集與定位功能。解決了牽引網線路即接觸網上雷電特征參數(shù)無法采集和雷電致接觸網絕緣故障時位置難以精確判定的技術難題，且為接觸網雷電性質的判別提供了基礎工具、手段，為進一步研究牽引網雷電形成規(guī)律和機理提供了思路。

(2)本系統(tǒng)可根據所采集的故障電流行波信號，運用A型B型行波測距法的組合式定位方法，克服單一行波測距方法帶來的行波速度固有誤差等不足,通過綜合分析采集存儲的數(shù)據得出故障點位置，誤差精度完全滿足工程化要求，達到設計方案和驗證的預定目標。應用本裝置可實現(xiàn)精確的故障定位功能，改進既有接觸網故障點標定精度的不足，為運營設備的搶修和管理決策提供有效的指導意見，為雷擊事故分析和處理提供科學依據。

(3)設備結構合理，安裝使用簡便，工藝先進，工程化措施齊備，可適應接觸網嚴苛的工作環(huán)境，滿足接觸網線路工作環(huán)境下長期穩(wěn)定在線運行要求。系統(tǒng)克服了線路上常規(guī)在線監(jiān)測設備無法適應牽引網電流劇烈波動帶來電源獲取難題，可實現(xiàn)全天候24h連續(xù)運行要求(免維護);耐受接觸網短路或雷電短路電流沖擊，可靠性高。

4系統(tǒng)主要技術指標

以高性能Cyclone iv FPGA、高速125M AD和SDRAM高速大容量存儲為基礎的接觸網雷電波形采集及故障定位系統(tǒng)，具有高可靠、高精度、超高采樣速率的技術特點，其主要技術指標如下:
(1)接觸網雷電流終端采集裝置最大采樣速率可達100 M/s;
(2)接觸網雷電流采集裝置具備實現(xiàn)基于GPRS的遠程信號傳輸功能;
(3)主機與配套的雷電流在線監(jiān)測終端裝置之間能可靠地完成雷電流數(shù)據采集、存儲、無線發(fā)送與接收，以及上位機的波形顯示;

(4)雷電流終端采集裝置可在不影響供電主回路的前提下完成現(xiàn)場安裝，滿足工程化要求;
(5)基于Matlab軟件平臺和小波分析方法,實現(xiàn)對測試數(shù)據的性質判定分析與故障閃絡位置的雷電信號定位,采集的雷電信號波形能夠區(qū)分直擊雷和感應雷,雷擊閃絡故障時的定位誤差范圍在左右一個接觸網跨距之內;

(6)滿足接觸網線路工作環(huán)境下可持續(xù)穩(wěn)定長期在線運行:設備工作條件適應所安裝接觸網線路的工作使用環(huán)境;以網.上牽引負荷電流作為設備電源充電來源，保證不間斷穩(wěn)定供電;持續(xù)運行滿足全天候24 h連續(xù)工作且免維修;耐受接觸網短

路或雷電短路電流沖擊，可無干擾地正常工作。

5接觸網網上信號實測數(shù)據分析

分布式接觸網雷電在線監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)于2015年7月在某鐵路上安裝并試運行，圖5為系統(tǒng)安裝示意圖。

2016年夏季, 3臺雷電流在線監(jiān)測裝置共傳回數(shù)百個有效數(shù)據文件，根據采集信號波峰個數(shù)不同，可將采集的雷電流信號分為單波峰信號、2波峰信號、3波峰信號、4波峰信號、5波峰信號和6波峰信號等。

5.1 單波峰信號分析.
利用系統(tǒng)采集并傳回的單波峰信號有效文件，從樣本中選取2個典型單波峰信號樣本，從特征參數(shù)以及時程曲線2方面對信號進行分析。
(1)單波峰典型信號特征參數(shù)如表1所示。

（2）單波峰典型信號時程曲線如圖 6 所示。

5.2 兩波峰信號分析
利用系統(tǒng)采集并傳回的 2 波峰信號有效文件，從樣本中選取 2 個典型 2 波峰信號樣本，從特征參數(shù)以及時程曲線 2 個方面對信號進行分析。
（1）波峰典型信號特征參數(shù)如表 2 所示。

圖 7 2 波峰典型信號樣本時程曲線

5.3 測距方法與定位功能驗證
利用某鐵路工程驗收時進行的短路試驗，臨時安裝本故障定位系統(tǒng)，測試驗證所采用的接觸網行波故障點測距方法的合理性和可行性，并測試其精度是否滿足實際需要。設備安裝如圖 8 所示

圖 8 設備安裝示意圖

根據試驗中采集到的有效信號數(shù)據，經數(shù)據處理后分別采用 A 型行波測距法（單端行波故障測距）和 B 型行波測距法（雙端行波故障測距）進行分析，綜合測距誤差僅為 0.019 km，滿足實際工程要求。

6 結語

分布式接觸網雷電在線監(jiān)測及故障定位系統(tǒng)能夠獲得接觸網上雷電特征參數(shù)，針對牽引網線路上強度高、瞬態(tài)變化劇烈的雷電信號，面對電氣化鐵路接觸網安全可靠性要求高、線路結構明顯有異于普通電力系統(tǒng)線路、牽引網線路雷電信息數(shù)據目前幾乎為空白的現(xiàn)實，尤其是在工作環(huán)境苛刻的條件下達到了研究目標，并完成了工程化的相關工藝措施研究，技術和裝置成果在運營和試驗線路上進行了可靠試掛和試驗，實現(xiàn)了網上雷電流性質的初步確定，提出了有關接觸網雷電性質判定的基本原理，同時初步實現(xiàn)了雷電致接觸網絕緣故障時的位置標定，彌補了既有設備短路故障點標定精度不足缺陷，可為運營管理科學決策提供依據，具有一定推廣價值。

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