高速動車組高壓設備智能監測系統研究

于 勇

(中國鐵路沈陽局集團有限公司 長春車輛監造項目部，吉林 長春 130062)

動車組高壓電氣設備擔負著從接觸網取電，為全車提供電能的重要任務，其自身的運行狀態直接影響到高速動車組能否安全、穩定的運行。但是，在高速動車組日常運行維護中，高壓電氣設備處于運維的盲區，其自身運行狀態處于未知狀態，直到發生事故后才引起大家的關注。

從歐盟Shift2Rail項目的研發進展可以看出，國際上最前沿的軌道交通裝備研發企業也正在研究動車組高壓電氣設備的監測技術，但進展較慢，目前尚無相關應用案例報道。

在中國國家鐵路集團有限公司提出建設“智慧鐵路、智能高鐵”的目標中，對設備在線安全監測提出了明確的要求。但是，作為智能高速動車組電氣系統重要組成部分的高壓電氣設備，其智能化還處于起步階段。因此，建立一套高速動車組高壓設備智能監測系統是非常迫切的。

1 實施意義

高速動車組高壓設備智能監測系統可實時監測電氣設備運行參數、感知高壓電氣設備的運行狀態，實現安全監測、故障預警；系統經過長期運行，可積累大量的運行狀態監測數據，通過大數據分析，建立完整的高壓電氣設備狀態評估模型，最終實現狀態診斷、風險預警、智能運維的目的。

高速動車組高壓設備智能監測系統的應用，可解決當前面臨的幾大難題：

(1) 可實現對高壓電氣設備關鍵參量的實時監測，運行人員可根據預警信息提前干預、采取措施，防止高壓電氣設備發生重大事故而造成停車或其他安全問題。

(2) 可自動實時記錄監測數據，錄入避雷器動作時暫態過電壓、沖擊電流波形。事故分析時，系統可再現事故時的暫態過程，為事故分析提供技術支撐[1]。

(3) 可提供運行狀態的實時數據，建立設備運行壽命數據庫，在確保設備可靠運行前提下延長設備使用壽命。

2 監測對象

高速動車組高壓設備智能監測系統主要對高壓箱中的避雷器、電壓互感器、主斷路器、電流互感器的狀態進行監測，并對受電弓側的電流異常(例如過流預警、諧波分析等)進行判斷。

3 系統功能

(1) 監測功能。對避雷器、電壓互感器、主斷路器運行狀態的關鍵參量進行實時監測，監測數據存入數據庫，可查詢、比對。

(2) 趨勢分析。通過對監測的數據進行橫向和縱向比較，分析設備運行狀態的變化趨勢。

(3) 風險預警。參照國家電網標準Q/GDW 454—2010《金屬氧化物避雷器狀態評價導則》的規定，根據監測量越限的程度，系統將給出不同的警示。

(4) 事故追溯。系統中的監測裝置具有動作錄波功能，可再現高壓設備動作時的暫態變化過程，為事故分析提供依據。

(5) 大數據積累。系統可長期保存監測數據，為未來大數據分析、狀態評價、全壽命管理、故障診斷等提供數據。

4 子系統介紹

高速動車組高壓設備智能監測系統由3個子系統組成，分別為：高壓避雷器監測子系統、電壓互感器監測子系統、主斷路器監測子系統。

目前，高壓避雷器監測子系統已完成了全部研發工作，產品已通過國家電氣產品質量技術監督中心的產品型式試驗。電壓互感器監測子系統已經完成監測量的論證，研發工作正在逐步進行中。主斷路器監測子系統目前還在論證中。

4.1 高壓避雷器監測子系統

4.1.1 高壓避雷器監測子系統架構

圖1為高壓避雷器監測子系統架構。子系統由2層設備組成，即避雷器監測測量裝置和高壓設備監測主機。避雷器監測測量裝置完成電壓及電流信號的變換、處理、采樣、計算，并將監測獲取的狀態參量數據通過光纖網絡上傳至高壓設備監測主機。高壓設備監測主機完成監測數據的收集、分析、預警、存儲等數據管理功能，同時將分析結果及預警信息上傳至列車監控系統主機。

圖1 高壓避雷器監測子系統架構

4.1.2 高壓避雷器監測參數的選取及判定標準

金屬氧化物避雷器的非線性電阻閥片主要成分是氧化鋅，氧化鋅的電阻片具有極為優越的非線性特性[2]。正常工作電壓下其電阻值很高，實際上相當于一個絕緣體，而在過電壓作用下，電阻片的電阻很小，殘壓很低。在外加電壓作用下，整個避雷器上流過的電流稱之為全電流，全電流由兩部分組成：容性電流和阻性電流。

容性電流是金屬氧化物電阻片的自身電容、雜散電容和均壓電容(如果使用)共同作用下產生的。金屬氧化物電阻片的電容和溫度有輕微的關系。阻性電流是電壓作用在非線性電阻片上產生的電流。在一定的電壓和溫濕度下，阻性電流與金屬氧化物電阻的伏安特性有很大的關系。

正常工作電壓下，由于閥片長期承受工頻電壓和隨機的過電壓作用而產生劣化，引起電阻特性的變化，會導致流過閥片的泄漏電流增加。目前，還沒有證據說明金屬氧化物電阻片的伏安特性劣化而導致容性電流發生變化，因此容性電流不能說明金屬氧化物避雷器的狀態。金屬氧化物電阻片的伏安特性主要體現在電阻片的電阻上，電阻片劣化，導致同等電壓條件下電流中的阻性分量急劇增加，會使閥片溫度上升，從而發生熱崩潰，嚴重時甚至會引起避雷器的爆炸事故。因此，同等電壓條件下，金屬氧化物避雷器阻性電流可以真實反映避雷器的狀態，依此可以對避雷器的狀態進行診斷。

高壓避雷器監測系統通過測量金屬氧化物避雷器的全電流、阻性電流和功耗(阻容比)的微小變化來診斷避雷器的運行狀態[3]。阻性電流和功耗的增加意味著避雷器可能出現了劣化。

Q/GDW 454—2010標準規定，全電流越限告警值為投運初值的1.2倍、1.4倍、2倍，阻性電流越限告警值為投運初值的1.3倍、1.5倍、2倍。

根據避雷器廠家的現場測試數據驗證，此標準具備科學性，因此本系統選用該評判標準。阻容比在上述標準中未加明述，經避雷器廠家提供數據，阻容比預警、告警參數按0.22和0.25執行。

4.1.3 高壓避雷器監測子系統功能

4.1.3.1系統功能

高壓避雷器監測子系統具有以下功能[4]：

(1) 電壓監測。監測接觸網電壓。

(2) 頻率監測。監測接觸網供電頻率。

(3) 諧波電壓監測。監測接觸網2～20次諧波量。

(4) 全電流監測。監測避雷器運行電壓下的泄漏全電流。

(5) 阻性電流監測。監測避雷器運行電壓下的阻性電流。

(6) 阻容比監測。監測避雷器阻性電流與容性電流的比值。

(7) 動作次數監測。記錄避雷器動作次數，最后一次動作時刻。

(8) 錄波功能。當泄漏全電流大于設定的定值或避雷器計數器動作時，系統會自動記錄接觸網電壓、避雷器全電流、沖擊電流3個電量波形。

(9) 數據管理功能。包含歷史數據查詢、刪除、報表生成、數據變化趨勢曲線生成。

(10) 報警管理。告警定值管理、告警解除、歷史告警查詢。

(11) 顯示功能。顯示實時監測數據、實時告警信息、設備運行狀態。

4.1.3.2監測量及技術指標

高壓避雷器監測子系統監測量及技術指標見表1。

表1 高壓避雷器監測子系統監測量及技術指標

4.1.4 高壓避雷器監測子系統測量原理

圖2為高壓避雷器監測子系統測量原理及測量功能實現框圖。

圖2 高壓避雷器監測子系統測量原理及測量功能實現框圖

同步高速采樣高壓避雷器承受的電壓U和泄漏全電流Io，經FFT算法計算出電壓、電流的頻率、幅值、相位，通過電壓U和電流Io的相位折算出阻性電流Ir、容性電流Ie以及阻容比的大小。

高壓避雷器監測子系統內設2個電流傳感器，即零磁通微電流傳感器和雷電沖擊電流傳感器，以實現避雷器正常運行時泄漏全電流信號的獲取和雷電沖擊時雷電沖擊電流信號的獲取[5]。避雷器接地線采用一匝穿芯模式穿過取樣傳感器，然后返回原接地點。此外，高壓避雷器監測子系統內設1個電壓互感器，實現高壓PT(電壓互感器)二次信號轉換為可供測量的小信號。高壓PT需提供1路二次信號給本監測子系統。

經變換獲取的小信號經放大、濾波后分別接入16位高速測量A/D(模擬量轉換數字量模塊)和14位高速錄波A/D。FPGA控制A/D實時采樣并將采樣數據存儲至大容量DDR存儲器；ARM微處理器從DDR存儲器中提取采樣信號，經過一系列運算處理，計算出監測的各個量，同時經過光網絡接口將數據上傳至監測數據管理裝置。

5 結論

高壓設備智能監測系統能夠有效解決目前高速動車組運用中暴露的高壓部件狀態監測缺失的問題，且具有大數據應用的預留功能。可以按照更加科學的規劃，將避雷器運行數據實時傳遞到地面服務器，對避雷器的全壽命周期狀態數據長期跟蹤，自動繪制壽命表征參數的變化曲線，更加準確地實現避雷器狀態判斷，是一項值得推廣的技術。

此方案突破性采用避雷器參數動態檢測技術，可為軌道交通車輛避雷器的狀態監測提供依據，但具體狀態判據尚需進一步驗證，并根據實際應用數據進行優化。