基于瞬態電場響應的高速鐵路過電壓檢測方法*

陳明忠

(南京鐵道職業技術學院，210015，南京//副教授)

在高速動車組運行過程中，由于潮流分布和系統元件參數變化，牽引供電系統會產生過電壓。過電壓通常會引起供電系統絕緣閃絡，造成斷路器跳閘，影響供電系統安全運行；同時，過電壓還可能會造成高壓電氣設備被擊穿，從而釀成事故，以致供電中斷。因此，有效安全地獲取過電壓的數據，掌握其分布規律，并實時監測其變化就顯得尤為重要。

高速鐵路過電壓產生的原因是多方面的，文獻[1-2]較詳細地分析了動車組升降弓產生浪涌過電壓的原因，文獻[3]分析了電氣化鐵路典型過電壓的產生原因和分布規律，文獻[4]分析了高速動車組產生操作過電壓的原因及其預防措施。但對于高速鐵路過電壓的檢測和數據采集，國內外已有不少文獻對其進行了討論[5-6]，但大都集中在基于電容分壓器或光電電壓互感器的理論和方法，以及數據融合方法等。但電容分壓器測量過電壓最大的問題是體積過于龐大，不適合安裝在在高速動車組上；而光電電壓互感器則是利用光杠桿測量過電壓幅值，對于存在高頻機械振動的動車組亦不適合安裝。并且兩者均需要改變動車組高壓電氣設備的參數結構，不利于動車組高壓電氣設備的整體設計。由于缺乏典型的過電壓數據信息，數據融合法亦不便采用。采用動車組對高速鐵路接觸網瞬態過電壓產生的電場和磁場分量檢測過電壓的幅值，國內外相關文獻亦鮮有記載。

本文設計了一種基于瞬態電場響應的過電壓檢測裝置，該裝置無需改變供電系統的接線和結構參數，利用空間的電場量極化特征和場量強度，間接測量引起該場量的過電壓幅值。若阻抗參數匹配合理，則可保證測量的準確度和精確度。在檢測過程中，高壓帶電體與檢測設備完全空間隔離，檢測信號經光纜送至數據存儲和顯示終端，從而保障人身和設備安全。

1 過電壓檢測裝置的工作原理

高速電氣化鐵路的過電壓無論是動車組產生的，還是牽引變電所產生的，大都沿著接觸網以波動的形式傳播。若忽略傳播過程中的能量損耗，則接觸導線或變電所牽引母線過電壓幅值可認為是動車組或牽引變電所自身產生的過電壓。因此，僅需檢測動車組受電弓附近接觸導線上的過電壓，或牽引變電所母牽引母線上的過電壓，則可獲得整體高速鐵路牽引供電系統的某次特征過電壓。

圖1為過電壓檢測裝置原理示意圖。如圖1所示，在動車組受電弓底架上，安裝一段連接電纜至測量電極。由于電極與接觸導線的距離較近，接觸導線與測量電極上的過電壓具有相同的幅值和相位。

注：1——受電弓；2——連接電纜：3——絕緣外殼：4——車頂或固定物；5——固定螺栓；6——電壓互感器二次側電纜；7——信號傳輸光纜；8——數據顯示裝置；9——數據存儲裝置；10——電壓互感器

圖1 過電壓檢測裝置原理示意圖

過電壓檢測裝置為球形，外殼由絕緣材料制成，并由固定螺栓安裝于動車組車頂上。極化天線位于裝置球形空間下部，放大電路、濾波電路、光電轉換電路等均位于該裝置的屏蔽室內。該裝置由動車組電壓互感器27.5 kV/100 V/25 V供電。檢測信號經光纜送至數據顯示和存儲終端。

過電壓檢測裝置內部結構如圖2所示。由圖2可知，測量電極為銅質金屬圓盤狀，通過連接電纜與受電弓相連。天線為球形，半徑為3.9 cm,位于底部中心位置。天線罩由薄金屬制成，呈光滑拋物面，而球形天線位于空間拋物面的天線罩焦點處。當圓盤電極上有變化的電壓出現時，會引起裝置檢測腔內電場與磁場的變化。在拋物面所在空間，電磁場主要是以感應場存在，此時磁場分量與電場分量無特定的關系，且磁場分量數值極小。因此僅檢測電場分量在天線中的極化響應強度[7-9]，則可以保證高電壓檢測精確度。

注：1——金屬圓盤電極；2——均壓罩；3——球形天線；4——天線罩；5——信號線；6——阻抗匹配器；7——電源裝置；8——光電轉換器

圖2 過電壓檢測裝置內部結構

設球形天線的表面積為S，其極化電荷密度為σ，由電磁場理論可知球形天線上的總電荷數為：

(1)

式中：

Q——球形天線上的總電荷數；

ν——球形天線外部體積空間。

通常情況下，高速鐵路產生過電壓頻率的上限一般為幾十MHz。而對于300 MHz的電場和磁場來說，由于在近場區域磁場分量極小，此時電場按靜電場近似處理，不會產生較大誤差。此時球形天線處的電場強度Eo(v)與Q(v)成正比，即：

Eo(v)=KpQ(v)

(2)

式中：

Kp——比例常數，由系統的設計參數確定。

此時測量電極上的電位Uo(t)與Eo(v)關系如下：

(3)

式中：

Ks——比例常數，由系統的設計參數確定;

t——時間。

2 過電壓檢測電路的設計

由于Q(v)與被測過電壓有固定的關系，因此如果檢測電路能夠測量極化電荷在天線附近產生的電位Uo(t)，則過電壓的幅值就可以被間接測得[7-8]。根據此原理所設計的過電壓檢測電路如圖3所示。由圖3可知，該電路由4個部分組成，接收放大電路可檢測到由瞬時過電壓引起的空間電場，且在接收天線上極化電壓，并將極化電壓放大后輸入到濾波電路。濾波電路主要將高壓系統的超高頻“電暈”雜波濾除，消除測量電極及其引線在過電壓作用下產生的由局部放電伴生的高頻電磁脈沖干擾。相關文獻表明，由局部放電產生的電磁脈沖波的頻帶分布較寬，大致在125 MHz左右，因此濾波電路主要濾除在該頻譜段的干擾。光電轉換電路將測量的電壓信號轉換為光信號，由光纜傳輸至終端機。根據被測電壓信號的頻帶寬度，將光電轉換器的帶寬設計為250 MHz則可滿足測量要求。光纜的作用可有效防止數據傳輸過程中所受到周圍環境的的電磁干擾，更為重要的是光纜可以有效實現高壓檢測裝置和終端數據處理設備的可靠隔離，保證測量設備和人員的安全。在終端機數據處理環節采用數字濾波器，對經光纜傳輸的測量信號進行二次濾波。

圖3 過電壓檢測電路原理圖

對于檢測電壓信號，若其伏秒特性包圍的面積太小，則由數字濾波器將其濾除。綜合考慮高速電氣化鐵路過電壓的伏秒特性，數字濾波器把持續時間小于100 μs且幅值不超過29 kV的脈沖過濾去除。阻抗匹配電路的作用是對接收天線的輸入、輸出阻抗進行匹配，避免接收天線中的極化波被多次反射而衰減。該檢測電路設計的天線的輸入阻抗約為75 Ω，阻抗匹配是由可調電阻和可調電容構成的一個復合網絡，通過該網絡可不斷地調節輸出阻抗，當輸出阻抗與天線的輸入阻抗共軛時，則檢測電路具有最佳的輸出特性。阻抗匹配電路也決定著整個檢測電路的頻率特性，本檢測電路高頻特性良好，能夠較好地跟蹤高頻測量信號。

為了分析驗證上述過電壓檢測電路的動態響應特性，對該檢測電路分別進行方波激勵試驗和沖擊波激勵試驗，如圖4～5所示。在試驗過程中，對檢測電路的極化輸入端施加寬度為500 μs的方波和脈沖寬度小于50 μs的沖擊波，由圖4～5所示，檢測電路的輸出波形具有良好的跟隨響應特性。

圖4 過電壓檢測電路的方波響應特性

圖5 過電壓檢測電路的沖擊波響應特性

3 檢測裝置的過電壓傳輸特性

過電壓檢測裝置利用測量電極上過電壓產生的電場分量對過電壓進行測量和記錄,同時通過試驗來確定測量電極輸入電壓與檢測電路輸出電壓之間的關系[10-11]。為此對該檢測裝置分別做工頻過電壓傳輸試驗、沖擊波過電壓傳輸試驗和頻率特性試驗，以確定在各種激勵條件下檢測裝置的傳輸特性和輸入、輸出對應關系。

在實驗室采用單相串級工頻變壓器對該裝置做輸入、輸出測試試驗，經數據分析和擬合處理后，檢測裝置的輸入、輸出呈線性關系，如下表1所示。由此可以確定，在工頻輸出激勵下，檢測裝置呈現較好的線性輸出特性。

采用沖擊波電壓發生器(標準波)對裝置的測量電極輸入沖擊波激勵，同時記錄裝置的輸出電壓，如表2所示。輸入、輸出電壓數據經擬合后呈線性關系，且與在工頻激勵條件下的輸出電壓誤差不超過0.5 V。

表1 工頻激勵下過電壓傳輸特性試驗

表2 沖擊波激勵下過電壓傳輸特性試驗

高速動車組產生的過電壓具有典型的暫態特征，其高頻成分含量較高，為了驗證檢測裝置的頻率響應特性，采用串聯諧振高壓信號發生器對裝置的測量電極進行頻率掃描，記錄的部分數據如表3所示。在掃描過程中保持輸入的電壓幅值5 kV不變，且頻率范圍為0.5～70 kHz。由表3中的數據可見，過電壓檢測裝置的頻率輸出特性較好，在試驗中未產生“變頻”或“移頻”現象，能夠準確傳輸和記錄動車組產生的高頻瞬態過電壓。

表3 頻率傳輸特性試驗

4 結語

高速鐵路動車組的受電弓和接觸網是復雜的強耦合系統，在此過程中產生的過電壓同樣具有特殊性和復雜性。對于高速鐵路動車組產生的過電壓，牽引變電所通常采用寬頻電壓互感器或分壓式電壓互感器進行測量。但需要改變原有一次系統的主接線結構，一般不容易被運營管理部門所接受，且無法測量動車組瞬變過電壓中的高頻分量。由本文所設計的高速鐵路過電壓檢測裝置，利用瞬態過電壓與其在空間產生瞬變電場量的關系，檢測和記錄由動車組產生的過電壓。該裝置經過工頻過電壓輸入、輸出試驗和沖擊波過電壓輸入、輸出試驗，確定動車組產生的過電壓幅值與其在近場空間產生的場量呈線性擬合關系。該檢測裝置的頻譜特性試驗也證實了該裝置有較好的頻率輸出特性，且高頻瞬態過電壓幾乎可以被“同步”檢測和記錄。該裝置適合安裝在高速動車組上或牽引變電所內，對研究和分析高速鐵路過電壓的產生原因和分布規律，進一步保障高速鐵路的安全運行具有重要意義。