接觸網電壓低頻波動特征研究

楊志鵬，孫 剛，張文軒，付浩月，盛 良

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接觸網電壓低頻波動特征研究

楊志鵬，孫 剛，張文軒，付浩月，盛 良

基于接觸網檢測車的電壓測量方式，分析典型的接觸網電壓低頻波動現象，采用信號變換、數理統計和小波分析等方法對大量檢測數據進行分析，總結接觸網電壓低頻波動的幅值、頻率、波動動態過程等特征，為接觸網電壓低頻波動故障診斷提供參考。

接觸網電壓；低頻波動；小波

0 引言

接觸網檢測車是安裝有弓網綜合檢測裝置的專用軌道車輛，運用方式為連掛客車車體或自走行，通過測量接觸網幾何狀態、弓網動態作用關系、接觸網電氣性能等參數，評價弓網受流性能，指導接觸網的運營維護工作。

《GB/T 1402-2010 軌道交通牽引供電系統電壓》[1]定義接觸網電壓：受電弓取流處或非取流處接觸網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，IEC62313、EN50388、UIC796等國際標準均提出了“平均有效電壓”的概念，用于反映牽引供電系統與機車車輛運行匹配關系。因此，研究和分析接觸網電壓特征具有重要意義。

1 國內外研究現狀

隨著我國新型交直交傳動的CRH系列動車組和SS、HXD等系列電力機車的廣泛應用，牽引網電壓低頻波動引發振蕩時有發生。牽引網電壓的低頻波動問題越來越受到國內外學者的關注，文獻[2]分析總結了近年來我國出現的多起由網壓振蕩引起的車網電氣匹配問題，提出了從車、網2方面著手調整電氣參數治理該問題的技術對策；文獻[3]針對徐州樞紐地區的接觸網電壓波動現象，通過采集機車及所亭不同位置的電流和電壓數據，結合理論仿真計算，提出了擴容供電系統和改進機車控制策略的整治措施；文獻[4]對國內外的電氣化鐵路低頻振蕩研究進行了系統的綜述，總結了2種類型的低頻振蕩特征，歸納了相關分析方法，并從車網匹配角度提出了抑制方法；文獻[5～8]從不同角度分析研究了接觸網電壓低頻振蕩產生的機理及抑制措施；文獻[9，10]分析了瑞典等國外接觸網電壓低頻振蕩特征，并進行了理論分析。

上述研究分析局限于某一具體位置的時域原始數據，缺少對多條線路動態運行情況下接觸網電壓有效值的分析，本文結合接觸網檢測車動態檢測數據對接觸網低頻波動特征進行研究。

2 接觸網檢測車電壓測量方法

普速接觸網檢測車是在改進的25T型客車上安裝專用的檢測受電弓，受電弓升起后與接觸網接觸形成等電位，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頂端與受電弓底座相連形成等電位，二次側接入信號處理、數據采集單元，實現對接觸網電壓的測量。高速綜合檢測列車的檢測受電弓同時也是取流受電弓，電壓互感器及傳感器的安裝方案與普速接觸網檢測車一致，測量的電壓為動車組運行時的實時接觸網電壓。設備安裝布置如圖1所示。

圖1 高速綜合檢測車電壓測量裝置布置

高速綜合檢測列車主要在高速鐵路和既有提速干線進行周期性檢測，部分樞紐車站同時會接入電力機車和動車組，其牽引負荷類型較為復雜。

普速接觸網檢測車普遍采用在旅客列車尾部掛運的運用方式。目前，我國旅客列車在電氣化區段通常采用SS、HXD等電力機車牽引，即在接觸網檢測過程中，電力機車升弓取流牽引，而接觸網檢測車升弓不取流檢測。檢測運用過程中應注意兩受電弓距離滿足過電分相的要求。此時，接觸網檢測車所測得的接觸網電壓數據為電力機車運行狀態下實時測量的數據，具有良好的實時性和動態特征。圖2為普速接觸網檢測車運用示意圖。

《TB10621-2014 高速鐵路設計規范》、《TB10623-2014 城際鐵路設計規范》、《TB 10009-2016鐵路電力牽引供電設計規范》對牽引供電系統的設計進行了規范，規定電力機車、動車組受電弓及接觸網的標稱電壓為25 kV，短時（5 min）最高電壓為29 kV；高速鐵路、城際鐵路接觸網最低工作電壓為20 kV，其他鐵路接觸網最低工作電壓為19 kV。

《TG/GD 124-2015 高速鐵路接觸網運行維修規則》、《TG/GD 116-2017普速鐵路接觸網運行維修規則》對運營線路的接觸網電壓進行門限閾值管理，規定其最高值不大于29 kV，最低值不小于19 kV，以公里為基本評價單元，超過門限閾值設為一級缺陷，扣5分，并納入接觸網動態檢測評價及供電專業管理評價，有效保證了牽引供電系統的供電能力。

3 接觸網電壓低頻波動現象

3.1 高速鐵路車站樞紐接觸網電壓低頻波動

某高速綜合檢測列車在某條客運專線進行檢測時網壓發生低頻波動現象（在該區段下行、上行均存在網壓低頻波動現象），以上行檢測數據進行分析，低頻波動過程如圖3所示。列車自樞紐車站（該樞紐承接普速列車與動車組）駛出，在第1個供電臂內，接觸網電壓、受電弓電流低頻波動嚴重，電壓振蕩幅值為0.1～0.5 kV，通過采樣距離和列車速度計算將信號還原成時域信號，分析得出低頻波動頻率分別為0.1～0.3 Hz，4～5 Hz，受低頻波動影響，列車提速緩慢，時域轉換后的局部數據如圖4所示；經過第1個分相后進入第2個供電臂，列車逐漸提速，但低頻波動現象仍未消失；列車經過第2個分相后進入第3個供電臂，接觸網電壓、受電弓電流低頻波動現象消失。

3.2 普速鐵路接觸網電壓低頻波動

接觸網檢測車連掛在電力機車牽引的普速旅客列車尾部，檢測過程中出現網壓低頻波動現象較為普遍。以下選取一典型區段數據進行分析，該區段位于列車駛入過分相前端，通過將空間采樣輸出數據還原為時域采樣數據，利用小波分析法分析其時頻特征，結果如圖5所示。

由圖5可以看出，隨列車運行網壓低頻波動并非在一個穩定的頻率上波動，而是在一定的范圍內波動，大部分低于10 Hz。在該區段數據中，0～ 30 s區段低頻波動頻率小于1 Hz，30～70 s區段低頻波動頻率為2～5 Hz，77～100 s區段列車過分相，電力機車主斷路器斷開，惰性駛入分相區，低頻波動消失。

圖3 某客運專線接觸網電壓低頻波動過程

圖4 低頻波動時域接觸網電壓、受電弓電流局部圖

圖5 網壓低頻波動時域局部圖

4 接觸網電壓低頻波動特征

通過對接觸網檢測車檢測數據進行分析，接觸網電壓低頻波動現象時有發生，其中高速鐵路較少（偶發的區域多為承接普速機車和動車組的樞紐地區），普速鐵路較為普遍。以下選取典型普速鐵路發生接觸網電壓低頻波動區段，涉及累計里程 4 500余公里的數據檢測，對接觸網電壓低頻波動特征進行分析。

4.1 低頻波動幅值

對低頻波動幅值進行數據統計，低頻波動幅值大部分小于2 kV，均值為0.55 kV，標準偏差為0.18 kV，其中波動峰值大于5 kV的現象占比1.25%，低頻波動幅值數據分布如圖6所示。

圖6 接觸網電壓低頻波動幅值分布

4.2 低頻波動頻率

接觸網電壓低頻波動由交直交機車與牽引供電系統匹配問題引起，低頻波動頻率隨著牽引傳動系統控制過程而變化。通過數據統計分析發現，低頻波動頻率分布主要集中在10 Hz以下，其中0.22，0.55，1.1，2 Hz附近出現峰值，幅值主要集中在0.55 kV附近。低頻波動頻率分布如圖7所示。

圖7 接觸網電壓低頻波動頻率分布

4.3 低頻波動動態過程

通過對檢測數據分析發現，接觸網電壓低頻波動存在典型過渡過程：振蕩過程中頻率實時變化，呈現頻率從低到高再消失而后重新發生的趨勢；振蕩幅值存在衰減過程。該現象與相關參考文獻中仿真計算得出的穩態振蕩不同，表明電力機車-接觸網供電系統是一個動態系統。圖8所示為2組典型的接觸網電壓低頻波動頻率分布。

圖8 接觸網電壓低頻波動頻率分布

5 結語

本文通過對接觸網檢測車的大量電壓檢測數據進行分析，總結了接觸網電壓低頻波動的幅值、頻率及動態過程變化規律。研究結果表明，接觸網電壓低頻波動現象為電力機車-接觸網供電系統匹配的動態過程，為接觸網電壓波動的有效治理提供依據，以提高牽引供電質量。

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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.中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，助理研究員；

孫 剛.中國鐵路沈陽局集團有限公司供電處，高級工程師；

張文軒.中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，副研究員；

付皓月.中國鐵路沈陽局集團有限公司供電處，工程師。

本研究受中國鐵道科學研究院科研課題（2016YJ138）資助。