鐵路直流線纜放電實時測量中擾動信號的抑制

李建華

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鐵路直流線纜放電實時測量中擾動信號的抑制

李建華

針對鐵路直流線纜接線的特殊性，對其放電實時測量時的擾動信號進行分析，并提出相應抗擾動信號的方法，可提高鐵路直流線纜放電實時測量的精度。

直流線纜；放電測量；抑制擾動；實時測量

0 引言

牽引變電所的直流反饋線纜是鐵路供電設施的重要組成部分，其絕緣性能與鐵路運營安全密切相關。對鐵路直流反饋線纜的絕緣狀況進行實時測量是保障鐵路運營安全的一項重要措施。

局部放電測量是評估供電線纜絕緣性能的一種方式[1～5]，而在局部放電測量中如何識別、抑制甚至消除擾動是一個需要研究的問題。本文將對鐵路直流供電系統結構及直流線纜放電的特點進行分析，對實時測量鐵路直流線纜放電時可能存在的擾動信號進行實驗模擬和現場測量，并利用擾動信號在時間分布和頻率分布上的特點提出相應的抗擾動方法。

1 鐵路直流供電系統

牽引變電所向牽引系統供電，其接線情況如圖1所示。牽引變電所通過110 kV/33 kV變壓電路與供電網絡連接。33 kV端使用單個主線結構，裝有4臺斷路器。1.5 kV隔離開關、整流機與整流/變壓器組成2套整流機組。牽引變電所至接觸網供電采用直流反饋線纜。柔性線纜采用橡膠進行絕緣，未設防水帶和鎧裝，線纜直接埋設于地下，并且多根并聯。線纜的電壓隨負荷變化，其峰值最高可達 3.0 kV，明顯高于正常工作時電壓1.8 kV，且電壓中包含高階諧波[6～9]。

圖1 牽引變電所接線示意圖

2 1.5 kV直流線纜放電的特點

雖然1.5 kV直流線纜工作電壓相對較低，產生局部放電的幾率較小，但當線纜的橡膠層出現細微破損時，線纜將發生對地放電。在橡膠層破裂的初始階段，線纜放電的重復頻率較高，放電可對橡膠層造成持續的破壞，且放電重復頻率會逐漸降低，放電電壓信號在頻域上的分布較寬。

圖2所示為實驗模擬線纜橡膠層出現細微破損時放電電壓信號及其頻域分布。實驗所得信號與現有直流局部放電理論并不十分相符。該類線纜工作電壓相對較低，在橡膠層出現細微破損帶來絕緣性能減弱出現放電時，線纜仍能繼續工作，仍可實時地測量有無放電電壓信號，以評價線纜的絕緣狀況。

圖2 1.5 kV直流線纜放電信號波形及其頻率分布

3 擾動信號的特點

鐵路直流線纜的接線具有一定特殊性，使得放電測量時的擾動信號復雜多樣。鐵路直流線纜放電測量時可能出現的擾動來源主要包括：整流設備的脈沖、列車制動/啟動的脈沖、隨機擾動脈沖、其他設備的周期窄頻帶擾動、直流端其他設備的局部放電脈沖、交流端設備的局部放電脈沖、白噪聲等。本文主要討論前4種擾動信號的特點。

在實驗模擬中發現，交流端出現局部放電時，所有被測直流線纜均可測量到極性相同的局部放電信號。多根線纜并聯時，若其中一根發生局部放電，其他線纜上均可測得與放電源極性相反的擾動放電信號脈沖。

3.1 整流設備的脈沖擾動

整流設備關斷及打開時將會產生整流擾動脈沖[10～12]，其幅度與負荷電流有關，2個脈沖之間的時間間隔與整流設備的運行模式有關，單個整流脈沖的脈寬相對較大（＞4 μs）。

現場實測的整流脈沖擾動信號如圖3所示，在20 ms內出現了12個脈沖，整流脈沖頻譜中，3 MHz附近的功率較多，并聯線纜上可同時測得幅度相近的整流信號脈沖。

圖3 整流信號脈沖及其頻率分布

3.2 列車制動/啟動脈沖擾動

在列車制動和啟動時會產生電流脈沖，圖4為現場測得的列車制動電流脈沖波形。可以看出，列車制動時的電流信號脈沖脈寬約為0.1 ms，頻率分布較窄，頻譜上小于2 MHz的低頻成分較多。并聯線纜上可同時測得列車制動信號脈沖。

3.3 牽引設備的周期窄頻帶擾動脈沖

牽引設備產生的窄頻帶周期性擾動波形及頻率分布如圖5所示。現場測得窄頻帶擾動信號大多分布在500 kHz～1 MHz之間。

圖4 列車制動時的信號電流脈沖及其頻率分布

圖5 窄頻帶周期性擾動及其頻率分布

3.4 隨機擾動脈沖

圖6為現場實測的隨機擾動脈沖信號波形及頻率分布，該擾動信號隨機出現，頻譜較寬。

圖6 隨機擾動脈沖及其頻率分布

4 抗擾動的方法

直流線纜放電信號的頻率分布寬，而窄頻帶周期性擾動和列車反饋電流擾動頻率較低，因此可以選用具有合適響應頻率范圍的傳感器、具有濾波功能的電路硬件與數字化頻域處理來抑制甚至消除這2類擾動。整流擾動脈沖具有明顯的規律性和周期性，并且會同時出現在并聯的多個線纜上，因此可采用同步測量和差動平衡結合時域窗方法消除[13～16]。隨機擾動脈沖的重頻與線纜放電的重頻數量級有差別，可采用數理統計進行判斷。目前，針對減小白噪聲的研究較多[17，18]，其中小波分析比較常用[19，20]。抗擾動算法流程如圖7所示。

DFT（離散的傅里葉變換）定義為

式中，為采樣點個數，為采樣點序號，x為第個采樣點幅值，為頻率序號，X為第個頻率的幅值。

DFT可實現從時序信號到頻域信號的轉換，但直接采用DFT的運算量相對較大，運算速度也較慢。在DFT的基礎上利用奇數、偶數、虛部、實部的對稱特征進行改進的FFT（快速傅里葉變換）可減小運算量，提高運算速度。

圖7 抗擾動算法流程

Cooley算法是目前常用的一種FFT算法，遞歸地將DFT過程分解為更小的DFT過程。首先計算下標為偶數的點的DFT和下標為奇數的點的DFT，然后結合2個DFT的結果。該過程可以遞歸地進行，將2個DFT過程進一步分割。

通過FFT可提取信號的頻域分布，然后去除頻域中的尖峰，可有效抑制鐵路牽引設備產生的窄頻帶周期性干擾。

在局部傅里葉變換的基礎上發展起來的小波分析，可識別出被伸縮和平移的信號波形，從而識別出一些特征。例如()為平方可積函數，對應的經伸縮和平移的子小波為

小波變換的積分過程為

式中，為時間，為伸縮因子，為平移因子；,b()為經伸縮和平移的函數，(a,b)為伸縮倍平移的函數的相對比例。

通過小波變換的積分過程識別出經過伸縮和平移的波形，可抑制白噪聲。

隨機擾動脈沖信號頻譜較寬，不易通過頻域中的處理去除，可采用數理統計進行判斷，然后采用時域窗函數在時域中去除擾動脈沖從而進行抑制。

圖8為抗擾動處理前后的波形對比。可以看出，結合多種抗擾動算法可大幅抑制擾動信號，有利于更好地識別線纜放電信號。

圖8 抗擾動處理前后的波形對比

5 結語

本文研究了在1.5 kV直流線纜放電實時測量中存在的整流脈沖、隨機脈沖、電流脈沖等干擾信號的特點。結果表明，1.5 kV鐵路直流線纜放電的實時測量中存在較多擾動，利用擾動信號在時間分布和頻率分布上的特點，提出相應的抗擾動方法，可提高線纜實時測量的精度，及時掌握線纜的運行狀態。

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With regard to the special characteristics of connection of DC cables for railways, the analysis is made for interfering signals during real time measurement of discharge of cables, and the methods are put forward for suppression of interfering signals, they are able to improve the accuracy of real time measurement of discharge of DC cables for railways.

DC cables; discharge measurement; suppression of interference; real time measurement

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.010

U226.5

B

1007-936X(2018)06-0041-05

2018-05-07

李建華.中鐵十二局集團電氣化工程有限公司，工程師。