分布式接觸網(wǎng)雷電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及故障定位系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

2021-11-20 · 閱讀416

分布式接觸網(wǎng)智能防雷在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及故障定位系統(tǒng)研發(fā)及應(yīng)用

方志國(guó)，李紅梅，戚廣楓，肖曉暉

引言.

我國(guó)幅員遼闊，電氣化鐵路橫跨東西，縱貫?zāi)媳保€(xiàn)路途經(jīng)區(qū)域地形地貌千差萬(wàn)別，而全國(guó)各地的雷電活動(dòng)差異較大,東南沿海地區(qū)是雷電活動(dòng)比.較頻繁的多雷區(qū)和重雷區(qū)，尤其是山區(qū)，雷害危險(xiǎn)更加突出，因此從技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(méi)有有效的檢測(cè)手段直接采集到牽引網(wǎng)線(xiàn)路.上的雷電特征數(shù)據(jù)，對(duì)接觸網(wǎng)受雷電干擾的性質(zhì)、機(jī)理(直擊雷或感應(yīng)雷，或雷電途徑)等不太明確，因此電氣化鐵路防雷工程設(shè)計(jì)的差異化并沒(méi)有實(shí)質(zhì)性體現(xiàn)。

根據(jù)RAMS理論，在雷擊次數(shù)一定或雷害無(wú)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(duì)既有設(shè)備,從盡快修復(fù)接觸網(wǎng)供電設(shè)備、減少停電停運(yùn)時(shí)間方面采取有效措施亦具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。雷電所致接觸網(wǎng)故障，通常是接觸網(wǎng)_上大量并聯(lián)的絕緣子的某一處表面閃絡(luò)導(dǎo)致一個(gè)接觸網(wǎng)電氣單元內(nèi) 的整體絕緣性能下降而無(wú)法恢復(fù)供電,但閃絡(luò)的故障絕緣子表面的雷電流經(jīng)過(guò)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(guó)內(nèi)外雷電監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀

國(guó)外關(guān)于雷電流的研究開(kāi)始較早，最早研制成功并用于雷電參數(shù)測(cè)量的測(cè)量?jī)x器是采用Pockels的磁鋼棒測(cè)量法。隨著國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)獲取雷電流參數(shù)方法的研究越來(lái)越多、越來(lái)越深入，逐漸形成了多種雷電流測(cè)量方法，主要有磁鋼棒法、陰極射線(xiàn)示波器、雷電定位系統(tǒng)、磁帶法、基于羅氏線(xiàn)圈的雷電流測(cè)量方法。20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著星載雷電探測(cè)手段的不斷發(fā)展,人造衛(wèi)星技術(shù)為進(jìn)行大范圍探測(cè)雷電提供了理想的平臺(tái)，出現(xiàn)了許多新的技術(shù)手段和方法，如全球定位系統(tǒng)(GPS)用于時(shí)差法定位的時(shí)間同步;數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)用于閃電回?fù)舨ㄐ蔚臄?shù)字分析;衛(wèi)星通信用于探測(cè)儀與中心站點(diǎn)之間的高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)取ｈb于雷電監(jiān)測(cè)定位技術(shù)的重要應(yīng)用價(jià)值，目前世界一些國(guó)家如美國(guó)、 加拿大、法國(guó)、日本、巴西等都相繼建成了閃電定位（如下圖所示）：

在我國(guó)，早在20世紀(jì)70年代，中科院空間中心就已開(kāi)始了雷電定位及其參數(shù)方面的相關(guān)研究。1992年起，中科院空間中心開(kāi)始對(duì)GPS的新時(shí)差系統(tǒng)進(jìn)行研究，成功研制了“ADTD雷電監(jiān)測(cè)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(jìn)行了小規(guī)模試驗(yàn)，并取得成功。目前系統(tǒng)化的或推廣應(yīng)用中的雷電監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究主要集中于雷電大氣中直接入地點(diǎn)雷電流位置的判定和電流幅值水平的評(píng)估,多用于雷閃密度評(píng)估統(tǒng)計(jì)分析,并不是針對(duì)電網(wǎng)線(xiàn)路中的雷電流特征數(shù)據(jù)采集,因此無(wú)法用于確定鐵路牽引網(wǎng)的線(xiàn)路結(jié)構(gòu)是否會(huì)改變雷電流耦合或傳輸路徑以及雷電流分布(通過(guò)牽引網(wǎng)入地的路徑)，對(duì)于牽引網(wǎng)雷電干擾評(píng)估的參考價(jià)值十分有限。

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

2.1 總體技術(shù)思路

(1)針對(duì)高鐵接觸網(wǎng)系統(tǒng)，研發(fā)在高鐵供電大電流干擾下可正常運(yùn)行的高速采集系統(tǒng),獲取雷電在接觸網(wǎng)系統(tǒng)上形成瞬態(tài)電流的波形數(shù)據(jù),并通，過(guò)高精授時(shí)系統(tǒng)獲得雷擊電流的形成時(shí)間。
(2)編制遠(yuǎn)程控制接觸網(wǎng)系統(tǒng)的上位機(jī)軟件，實(shí)現(xiàn)主機(jī)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)提取系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的功能。
(3)獲取雷電流波形數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)充足的條件下，建立接觸網(wǎng)雷電信息檔案，通過(guò)特征識(shí)別，.識(shí)別和判定雷電性質(zhì)。

(4)通過(guò)多臺(tái)設(shè)備獲取雷電流形成的時(shí)間信息，結(jié)合行波法分析計(jì)算雷擊電流的大致位置。

2.2接觸網(wǎng)雷電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及故障定位系統(tǒng)構(gòu)成
系統(tǒng)構(gòu)成設(shè)計(jì)如下圖所示。系統(tǒng)中的監(jiān)測(cè)終端分布安裝于需要監(jiān)測(cè)的輸電線(xiàn)路上，采集故障信息;數(shù)據(jù)中心設(shè)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(yùn)行維護(hù)的管理部門(mén)，用于查看故障信息并指導(dǎo)巡線(xiàn)、檢修和防措。
當(dāng)接觸網(wǎng)遭受雷擊時(shí)，在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置中的傳感器模塊將采集到一個(gè)與雷電流同相且幅值與其大小成正比的電壓信號(hào)，該信號(hào)將傳輸至核心電路板，通過(guò)AD采集芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;然后通過(guò)總線(xiàn)將采樣數(shù)據(jù)輸送給核心數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行處理，與此同時(shí)授時(shí)模塊提供精準(zhǔn)的時(shí)鐘信號(hào);經(jīng)過(guò)處理后的采樣數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在儲(chǔ)存單元中，同時(shí)通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸模塊將采樣數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)程終端管理系統(tǒng)，由其進(jìn)行存儲(chǔ)及處理;遠(yuǎn)程終端管理系統(tǒng)也可以向在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置發(fā)送執(zhí)行相關(guān)任務(wù)的指令;供電模塊為整個(gè)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置供應(yīng)電能。

3關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新

(1)實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)網(wǎng)上雷電流信號(hào)的直接采集，并可采集到因故障電流產(chǎn)生的網(wǎng)上故障行波信號(hào)，并可完整存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程傳輸雷電流相關(guān)信號(hào)，系統(tǒng)主機(jī)獲得完整的雷電流波形、絕對(duì)時(shí)間參數(shù)等特征數(shù)據(jù)，可靠地實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)雷電信號(hào)采集與定位功能。解決了牽引網(wǎng)線(xiàn)路即接觸網(wǎng)上雷電特征參數(shù)無(wú)法采集和雷電致接觸網(wǎng)絕緣故障時(shí)位置難以精確判定的技術(shù)難題，且為接觸網(wǎng)雷電性質(zhì)的判別提供了基礎(chǔ)工具、手段，為進(jìn)一步研究牽引網(wǎng)雷電形成規(guī)律和機(jī)理提供了思路。

(2)本系統(tǒng)可根據(jù)所采集的故障電流行波信號(hào)，運(yùn)用A型B型行波測(cè)距法的組合式定位方法，克服單一行波測(cè)距方法帶來(lái)的行波速度固有誤差等不足,通過(guò)綜合分析采集存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)得出故障點(diǎn)位置，誤差精度完全滿(mǎn)足工程化要求，達(dá)到設(shè)計(jì)方案和驗(yàn)證的預(yù)定目標(biāo)。應(yīng)用本裝置可實(shí)現(xiàn)精確的故障定位功能，改進(jìn)既有接觸網(wǎng)故障點(diǎn)標(biāo)定精度的不足，為運(yùn)營(yíng)設(shè)備的搶修和管理決策提供有效的指導(dǎo)意見(jiàn)，為雷擊事故分析和處理提供科學(xué)依據(jù)。

(3)設(shè)備結(jié)構(gòu)合理，安裝使用簡(jiǎn)便，工藝先進(jìn)，工程化措施齊備，可適應(yīng)接觸網(wǎng)嚴(yán)苛的工作環(huán)境，滿(mǎn)足接觸網(wǎng)線(xiàn)路工作環(huán)境下長(zhǎng)期穩(wěn)定在線(xiàn)運(yùn)行要求。系統(tǒng)克服了線(xiàn)路上常規(guī)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)設(shè)備無(wú)法適應(yīng)牽引網(wǎng)電流劇烈波動(dòng)帶來(lái)電源獲取難題，可實(shí)現(xiàn)全天候24h連續(xù)運(yùn)行要求(免維護(hù));耐受接觸網(wǎng)短路或雷電短路電流沖擊，可靠性高。

4系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)

以高性能Cyclone iv FPGA、高速125M AD和SDRAM高速大容量存儲(chǔ)為基礎(chǔ)的接觸網(wǎng)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(shù)特點(diǎn)，其主要技術(shù)指標(biāo)如下:
(1)接觸網(wǎng)雷電流終端采集裝置最大采樣速率可達(dá)100 M/s;
(2)接觸網(wǎng)雷電流采集裝置具備實(shí)現(xiàn)基于GPRS的遠(yuǎn)程信號(hào)傳輸功能;
(3)主機(jī)與配套的雷電流在線(xiàn)監(jiān)測(cè)終端裝置之間能可靠地完成雷電流數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、無(wú)線(xiàn)發(fā)送與接收，以及上位機(jī)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(chǎng)安裝，滿(mǎn)足工程化要求;
(5)基于Matlab軟件平臺(tái)和小波分析方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的性質(zhì)判定分析與故障閃絡(luò)位置的雷電信號(hào)定位,采集的雷電信號(hào)波形能夠區(qū)分直擊雷和感應(yīng)雷,雷擊閃絡(luò)故障時(shí)的定位誤差范圍在左右一個(gè)接觸網(wǎng)跨距之內(nèi);

(6)滿(mǎn)足接觸網(wǎng)線(xiàn)路工作環(huán)境下可持續(xù)穩(wěn)定長(zhǎng)期在線(xiàn)運(yùn)行:設(shè)備工作條件適應(yīng)所安裝接觸網(wǎng)線(xiàn)路的工作使用環(huán)境;以網(wǎng).上牽引負(fù)荷電流作為設(shè)備電源充電來(lái)源，保證不間斷穩(wěn)定供電;持續(xù)運(yùn)行滿(mǎn)足全天候24 h連續(xù)工作且免維修;耐受接觸網(wǎng)短

路或雷電短路電流沖擊，可無(wú)干擾地正常工作。

5接觸網(wǎng)網(wǎng)上信號(hào)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

分布式接觸網(wǎng)雷電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及故障定位系統(tǒng)于2015年7月在某鐵路上安裝并試運(yùn)行，圖5為系統(tǒng)安裝示意圖。

2016年夏季, 3臺(tái)雷電流在線(xiàn)監(jiān)測(cè)裝置共傳回?cái)?shù)百個(gè)有效數(shù)據(jù)文件，根據(jù)采集信號(hào)波峰個(gè)數(shù)不同，可將采集的雷電流信號(hào)分為單波峰信號(hào)、2波峰信號(hào)、3波峰信號(hào)、4波峰信號(hào)、5波峰信號(hào)和6波峰信號(hào)等。

5.1 單波峰信號(hào)分析.
利用系統(tǒng)采集并傳回的單波峰信號(hào)有效文件，從樣本中選取2個(gè)典型單波峰信號(hào)樣本，從特征參數(shù)以及時(shí)程曲線(xiàn)2方面對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。
(1)單波峰典型信號(hào)特征參數(shù)如表1所示。

（2）單波峰典型信號(hào)時(shí)程曲線(xiàn)如圖 6 所示。

5.2 兩波峰信號(hào)分析
利用系統(tǒng)采集并傳回的 2 波峰信號(hào)有效文件，從樣本中選取 2 個(gè)典型 2 波峰信號(hào)樣本，從特征參數(shù)以及時(shí)程曲線(xiàn) 2 個(gè)方面對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析。
（1）波峰典型信號(hào)特征參數(shù)如表 2 所示。

圖 7 2 波峰典型信號(hào)樣本時(shí)程曲線(xiàn)

5.3 測(cè)距方法與定位功能驗(yàn)證
利用某鐵路工程驗(yàn)收時(shí)進(jìn)行的短路試驗(yàn)，臨時(shí)安裝本故障定位系統(tǒng)，測(cè)試驗(yàn)證所采用的接觸網(wǎng)行波故障點(diǎn)測(cè)距方法的合理性和可行性，并測(cè)試其精度是否滿(mǎn)足實(shí)際需要。設(shè)備安裝如圖 8 所示

圖 8 設(shè)備安裝示意圖

根據(jù)試驗(yàn)中采集到的有效信號(hào)數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)處理后分別采用 A 型行波測(cè)距法（單端行波故障測(cè)距）和 B 型行波測(cè)距法（雙端行波故障測(cè)距）進(jìn)行分析，綜合測(cè)距誤差僅為 0.019 km，滿(mǎn)足實(shí)際工程要求。

6 結(jié)語(yǔ)

分布式接觸網(wǎng)雷電在線(xiàn)監(jiān)測(cè)及故障定位系統(tǒng)能夠獲得接觸網(wǎng)上雷電特征參數(shù)，針對(duì)牽引網(wǎng)線(xiàn)路上強(qiáng)度高、瞬態(tài)變化劇烈的雷電信號(hào)，面對(duì)電氣化鐵路接觸網(wǎng)安全可靠性要求高、線(xiàn)路結(jié)構(gòu)明顯有異于普通電力系統(tǒng)線(xiàn)路、牽引網(wǎng)線(xiàn)路雷電信息數(shù)據(jù)目前幾乎為空白的現(xiàn)實(shí)，尤其是在工作環(huán)境苛刻的條件下達(dá)到了研究目標(biāo)，并完成了工程化的相關(guān)工藝措施研究，技術(shù)和裝置成果在運(yùn)營(yíng)和試驗(yàn)線(xiàn)路上進(jìn)行了可靠試掛和試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)上雷電流性質(zhì)的初步確定，提出了有關(guān)接觸網(wǎng)雷電性質(zhì)判定的基本原理，同時(shí)初步實(shí)現(xiàn)了雷電致接觸網(wǎng)絕緣故障時(shí)的位置標(biāo)定，彌補(bǔ)了既有設(shè)備短路故障點(diǎn)標(biāo)定精度不足缺陷，可為運(yùn)營(yíng)管理科學(xué)決策提供依據(jù)，具有一定推廣價(jià)值。

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