基于瞬態(tài)電場響應(yīng)的高速鐵路過電壓檢測方法*

陳明忠

(南京鐵道職業(yè)技術(shù)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(tǒng)元件參數(shù)變化，牽引供電系統(tǒng)會產(chǎn)生過電壓。過電壓通常會引起供電系統(tǒng)絕緣閃絡(luò)，造成斷路器跳閘，影響供電系統(tǒng)安全運行；同時，過電壓還可能會造成高壓電氣設(shè)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(shù)據(jù)，掌握其分布規(guī)律，并實時監(jiān)測其變化就顯得尤為重要。

高速鐵路過電壓產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生原因和分布規(guī)律，文獻[4]分析了高速動車組產(chǎn)生操作過電壓的原因及其預(yù)防措施。但對于高速鐵路過電壓的檢測和數(shù)據(jù)采集，國內(nèi)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(shù)據(jù)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(shè)備的參數(shù)結(jié)構(gòu)，不利于動車組高壓電氣設(shè)備的整體設(shè)計。由于缺乏典型的過電壓數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)融合法亦不便采用。采用動車組對高速鐵路接觸網(wǎng)瞬態(tài)過電壓產(chǎn)生的電場和磁場分量檢測過電壓的幅值，國內(nèi)外相關(guān)文獻亦鮮有記載。

本文設(shè)計了一種基于瞬態(tài)電場響應(yīng)的過電壓檢測裝置，該裝置無需改變供電系統(tǒng)的接線和結(jié)構(gòu)參數(shù)，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(shù)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(shè)備完全空間隔離，檢測信號經(jīng)光纜送至數(shù)據(jù)存儲和顯示終端，從而保障人身和設(shè)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(chǎn)生的，還是牽引變電所產(chǎn)生的，大都沿著接觸網(wǎng)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(chǎn)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(tǒng)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(cè)電纜；7——信號傳輸光纜；8——數(shù)據(jù)顯示裝置；9——數(shù)據(jù)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(zhuǎn)換電路等均位于該裝置的屏蔽室內(nèi)。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(jīng)光纜送至數(shù)據(jù)顯示和存儲終端。

過電壓檢測裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知，測量電極為銅質(zhì)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(xiàn)時，會引起裝置檢測腔內(nèi)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(yīng)場存在，此時磁場分量與電場分量無特定的關(guān)系，且磁場分量數(shù)值極小。因此僅檢測電場分量在天線中的極化響應(yīng)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(zhuǎn)換器

圖2 過電壓檢測裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

設(shè)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(shù)為：

(1)

式中：

Q——球形天線上的總電荷數(shù)；

ν——球形天線外部體積空間。

通常情況下，高速鐵路產(chǎn)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(qū)域磁場分量極小，此時電場按靜電場近似處理，不會產(chǎn)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(shù)，由系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)確定。

此時測量電極上的電位Uo(t)與Eo(v)關(guān)系如下：

(3)

式中：

Ks——比例常數(shù)，由系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)確定;

t——時間。

2 過電壓檢測電路的設(shè)計

由于Q(v)與被測過電壓有固定的關(guān)系，因此如果檢測電路能夠測量極化電荷在天線附近產(chǎn)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(jù)此原理所設(shè)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(tǒng)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(chǎn)生的由局部放電伴生的高頻電磁脈沖干擾。相關(guān)文獻表明，由局部放電產(chǎn)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(zhuǎn)換電路將測量的電壓信號轉(zhuǎn)換為光信號，由光纜傳輸至終端機。根據(jù)被測電壓信號的頻帶寬度，將光電轉(zhuǎn)換器的帶寬設(shè)計為250 MHz則可滿足測量要求。光纜的作用可有效防止數(shù)據(jù)傳輸過程中所受到周圍環(huán)境的的電磁干擾，更為重要的是光纜可以有效實現(xiàn)高壓檢測裝置和終端數(shù)據(jù)處理設(shè)備的可靠隔離，保證測量設(shè)備和人員的安全。在終端機數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)采用數(shù)字濾波器，對經(jīng)光纜傳輸?shù)臏y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(shù)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(shù)字濾波器把持續(xù)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(shè)計的天線的輸入阻抗約為75 Ω，阻抗匹配是由可調(diào)電阻和可調(diào)電容構(gòu)成的一個復合網(wǎng)絡(luò)，通過該網(wǎng)絡(luò)可不斷地調(diào)節(jié)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(tài)響應(yīng)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(yīng)特性。

圖4 過電壓檢測電路的方波響應(yīng)特性

圖5 過電壓檢測電路的沖擊波響應(yīng)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(chǎn)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(guān)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(yīng)關(guān)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(jīng)數(shù)據(jù)分析和擬合處理后，檢測裝置的輸入、輸出呈線性關(guān)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(xiàn)較好的線性輸出特性。

采用沖擊波電壓發(fā)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(shù)據(jù)經(jīng)擬合后呈線性關(guān)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(chǎn)生的過電壓具有典型的暫態(tài)特征，其高頻成分含量較高，為了驗證檢測裝置的頻率響應(yīng)特性，采用串聯(lián)諧振高壓信號發(fā)生器對裝置的測量電極進行頻率掃描，記錄的部分數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)可見，過電壓檢測裝置的頻率輸出特性較好，在試驗中未產(chǎn)生“變頻”或“移頻”現(xiàn)象，能夠準確傳輸和記錄動車組產(chǎn)生的高頻瞬態(tài)過電壓。

表3 頻率傳輸特性試驗

4 結(jié)語

高速鐵路動車組的受電弓和接觸網(wǎng)是復雜的強耦合系統(tǒng)，在此過程中產(chǎn)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(chǎn)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(tǒng)的主接線結(jié)構(gòu)，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(shè)計的高速鐵路過電壓檢測裝置，利用瞬態(tài)過電壓與其在空間產(chǎn)生瞬變電場量的關(guān)系，檢測和記錄由動車組產(chǎn)生的過電壓。該裝置經(jīng)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(chǎn)生的過電壓幅值與其在近場空間產(chǎn)生的場量呈線性擬合關(guān)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(tài)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(nèi)，對研究和分析高速鐵路過電壓的產(chǎn)生原因和分布規(guī)律，進一步保障高速鐵路的安全運行具有重要意義。