摘要：随着高速铁路迅猛发展,为电力机车提供动力的牵引变电所日益增多,因电能质量问题引发高速铁路牵引供电设备损坏、列车停车等事故时有发生,严重影响高速铁路正常运输。为了保证电力系统和高速铁路自身的牵引供电系统能够安全、可靠运行,需要对高速铁路电能质量对实现有效监测,对由电能质量引起的故障或事件发生原因分析、责任划分、合理解决方案等提供基础数据支撑。
关键词：高速铁路；牵引供电；电压；在线监测
1电能质量监测系统发展现状及存在问题
目前电铁电能质量监测系统现状是仅对部分牵引变电所的电能质量进行监测,监测手段基本以单点监测为主。单点监测的电铁电能质量系统由牵引变电所内的电压互感器和电流互感器提供的二次交流电压、电流信号,通过同步采样和A/D转换等环节将连续模拟量离散化并变换为数字量,最后由设置在控制室内的监测主站对采集的数据进行分析处理,实现数据统计、分析、存储和输出。
目前电铁电能质量监测系统主要存在的问题由:(1)单点监测无法对整个牵引供电系统的电能质量状况进行监测并及时捕获因电能质量造成的故障或事件;(2)没有形成统一的标准体系和技术要求,各电能质量监测系统架构、采集终端、数据格式等要求不统一,监测系统间无法相互兼容;(3)单点监测仅在牵引变电所内设置有监测终端采集设备及电能质量监控屏,电能质量监测系统的数据处理与报表仍需要人工现场处理,效率低下且无法从系统角度进行评估。
2高速铁路牵引供电电压在线监测
2.1高速铁路牵引供电电压在线测量
文中根据国家标准设计了高速铁路牵引供电电压在线测量方法，测定示意图如图1所示。
图1 高速铁路牵引供电电压在线测量示意图
图1中，1代表电压测量轴承座，2和4代表绝缘片，3代表金属片，5代表测量转子。在测量之前必须要对每个设备进行检测，确保设备的绝缘性，通过加入绝缘环提高电阻的绝缘能力，设置测量的高速铁路牵引供电网为空载状态，电压为额定电压，频率为额定频率。测量次数共有2次，第一次测量利用导线A连接大地和轴承座一端，利用导线B连接大地和轴承座另一端，得到图中轴电压U1和U2，测量结束后将导线拆除，调整引线；第二次测量采用直接直接测量的方法得到电压U3。
图2 牵引供电电压在线测量流程图
文中采取的测量方法基本设备为高内阻毫伏表，能够直接测量出高速铁路牵引供电电压，根据测量的电压结果得到电流数值。为了提高测量的精准度，在电路中要以串联的方式加入一个较大电阻，防止电流过大烧毁测量仪器，通常加入的电阻要大于500Ω。电压表并联在电路中，利用欧姆定律，得到精准地电压测量值。
实际测量时，需要重点检验电机轴承对地绝缘是否合格，所有的绝缘层都要放在轴瓦外侧，便于测量电压。高速铁路牵引供电电压在线测量流程简图如图2所示。
观察图2可知，高内阻电压表测量数值较多，需要在众多数值中找到有效值（RMS）。设定一个测量周期为T，如果交流电流i与直流电流I通过同一电阻R时产生的热量相同，那么直流电流I的数值，就是交流电流i的有效值，计算过程为：
需要特别指出的是，由于对地绝缘Ro为测量电阻R最主要的构成部分，因此本文中的测量电阻R数值与对地绝缘Ro相等，其它电阻数值Rc忽略不计。
通过得到的电流有效值计算出电压有效值U。
分析上述计算公式，可以发现本文得到的电流值和电压值都是方均根值，指的是电压和电流在一段时间内产生的积分，这样的测量方式可以避开电流表自身内阻对测量结果产生的影响，提高准确性。如果在测量时，必须要加入电流表，需要增大电流表内阻，电流表内阻越大，测量结果越准确。
2.2高速铁路牵引供电电压值分析
由于高速铁路牵引供电电压是从地方引入的电压，所以传统的分析方式很容易受到场地限制，实时分析比较困难。为了实现高速铁路牵引供电电压的在线分析，本文利用三表法记录电压滤波，将线电压转化成相电压，通过录波分析得到精准地分析结果。
在分析高速铁路牵引供电电压时，首先连接两端的接地地刷，然后判断电机是否运行到额定状态，如果电机运行到额定状态中，搭棒要与转轴连接，接线一端连接示波器输入端，另一端接地，从而分析示波器中的电压波形。
利用MATLAB算法对录波电压进行傅里叶分解，分解结果如图3所示。
图3 三相电压傅里叶分解
观察图3可知，接入的电压为标准的三相正弦电压，电压波形分为A、B、C三项，波形基本对称，分解之后第5次、第9次、第17次的谐波含量最小，分解的基波电压与实测电压幅值一致。
分解后的幅值记录如表1所示。
表1 基波电压和谐波电压幅值
2.3高速铁路牵引供电电压监测结果验证
在得到高速铁路牵引供电电压的监测结果后，要对监测到的数值进行时域验证，判断监测结果的准确性，验证分为A、B两组。将得到的电压信号在CVT和分压器中进行分解，A组利用信号发生器在CVT和分压器中施加150ms/60μs的电压信号，通过得到的时域电压波形判断监测结果是否准确。
B组利用雷击浪涌发生器在CVT和分压器中施加140μs/50μs的电压信号，测得的时域电压波形图如图5所示。
对A组、B组得到的时域电压波形图进行求取，进而得到高速铁路牵引供电电压实际值，利用反演计算对比得到的结果，如果A组和B组得到的结果基本吻合，则证明高速铁路牵引供电电压在线监测结果准确（小的数值振荡可忽略不计）；如果A组和B组得到的结果存在很大的数值波动，数值也很难达成一致，则证明得到的监测结果不准确，需要二次监测。
图4 A组时域电压波形图 图5 B组时域电压波形图
3验证实验
3.1实验目的
为了检测本文研究的高速铁路牵引供电电压在线监测方法实际效果，与传统监测方法进行对比，得到实验结论。
3.2实验参数设置
设置实验参数如表2所示。
表2 实验参数
3.3实验结果与分析
根据上述实验参数进行实验，在进行在线监测方法工作效果前，需要对变压器进线电压和电流、馈线电压和电流进行测试。利用继电保护要求，在实验室中安装互感器，再从计量屏中获取电压数值。
选取本文研究的诊断方法和传统诊断方法，对高速铁路牵引供电电压进行在线监测，记录两种监测方法的误差率。由于在测试过程中，会受到谐波影响，所以测量周期共有20组，正馈线和负馈线各10组。计算20次测量结果的相对标准偏差，结果表明，传统监测方法的误差率>0.1%，本文监测方法的误差率<0.01%。传统监测方法不具备在线监测的能力，采集到的电压，必须要反馈到中心系统进行分析后，才能显示电压结果，高速铁路牵引供电电压时刻都在变化，由于工作延时的存在，中心系统显示的电压值为采集时刻得到的电压值，并非显示时刻的牵引供电电压值。综上所述，相较于传统监测方法，本文研究的监测方法监测效果更好，能够大大减少误差，准确率更高，工作环节更加简单，消耗成本更低。
结论
文中利用矢量匹配和反演计算研究了一种新的监测方法，该方法能够针对高速铁路牵引供电电压进行有效监测，通过测量牵引电流得到电压有效值，消除测量误差；在示波器上分析得到的电压数值，实现在线监测，避免外界信息干扰；在CVT和分压器中对监测结果进行分析，确保输出结果的精准度。
参考文献
[1]中国铁道科学研究院.京沪高铁先导段试验报告[R].北京:中国铁道科学研究院,2018.
[2]邱忠才,肖建,郭冀岭,等.机车变流器对高速铁路牵引网谐振的影响[J].电气传动,2018,43(10):32-39.
[3]孟志强.高次谐波对牵引网保护的危害及改进措施[J].电气化铁道,2018(增l):131-134.
论文作者:段文旭
论文发表刊物:《基层建设》2019年第26期
论文发表时间:2019/12/16
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