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接觸網(wǎng)避雷器性能在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計論文
0 引言
在高速鐵路發(fā)達的歐洲中部地區(qū)，每 100 km接觸網(wǎng)在 1 年內(nèi)可能遭受 1 次雷擊。基于這樣的雷擊概率數(shù)據(jù)，德國采用的方法是在雷電較多的地段安裝避雷器，而在其他雷電較少的區(qū)段，一般不考慮安裝避雷器等防雷裝置。而與德國相比，日本的地理環(huán)境、氣象環(huán)境完全不同，因此對電氣化接觸網(wǎng)的保護措施也截然不同。日本根據(jù)雷擊頻度及線路重要程度，將防雷等級劃分為 A、B、C 三級區(qū)域。A 級區(qū)域雷害嚴重且線路重要，全線接觸網(wǎng)均架設(shè)避雷線，同時在牽引變電所出口、接觸網(wǎng)隔離開關(guān)、電纜接頭連接處、架空避雷線接地線終端等重要部位設(shè)置避雷器；B 級區(qū)域雷害較重且線路重要，對部分特別地段的接觸網(wǎng)架設(shè)避雷線，同時在與 A 級區(qū)域相同的重要位置安裝避雷器；對于 C級區(qū)域，一般只在一些重要位置安置避雷器。
從雷電的形成來分析，我國很多地區(qū)（比如西南地區(qū)、東南沿海地區(qū)）有類似于日本的地理和氣象環(huán)境，但鐵路接觸網(wǎng)的防雷保護卻沒有吸取日本高鐵的經(jīng)驗，反而機械地學習了德國經(jīng)驗，所以在高速鐵路剛發(fā)展的幾年內(nèi)，不可避免的由于雷電影響而造成多起事故，給人們的生產(chǎn)、生活帶來了深刻的負面影響。
避雷器性能優(yōu)劣檢測原理與監(jiān)測方法仍然沿用電力系統(tǒng)中的常用的研究方法。但鐵路牽引系統(tǒng)與電力系統(tǒng)相比具有負荷移動、方式多變等特點，加之接觸網(wǎng)與電網(wǎng)不同的拓撲結(jié)構(gòu)，導致對接觸網(wǎng)用避雷器進行狀態(tài)性能檢測的時候面臨諧波電流復雜、頻繁操作過電壓等諸多新的問題。
1 鐵路接觸網(wǎng)特性分析
本文針對避雷器運行的背景環(huán)境是牽引供電系統(tǒng)，它是指三相電力系統(tǒng)接受電能向單相交流電氣化鐵道行駛的列車輸送電能的電氣網(wǎng)絡(luò)，主要構(gòu)成部分如圖 1 所示。牽引變電所控制及變換電能，轉(zhuǎn)換接觸網(wǎng)與電力系統(tǒng)之間的電壓，接觸網(wǎng)則負責向列車供給電能，國內(nèi)干線電氣化鐵道的供電制式是工頻單相交流制，接觸網(wǎng)的額定電壓是25 kV。
負荷的特殊性決定了接觸網(wǎng)的特征不同于一般三相輸配電網(wǎng)絡(luò)，主要原因有以下幾點：
（1）電力機車是大功率單相負荷。
（2）電力機車是移動性負荷，由于電氣化鐵道線路的條件多變，機車在行進過程中阻力也不斷的變化，頻繁地在起動、加速、惰行、制動等工況之間轉(zhuǎn)換，機車負荷的劇烈波動容易使接觸網(wǎng)電壓異常波動，產(chǎn)生操作過電壓。
（3）電力機車是非線性負荷，國內(nèi)大量采用的交直流型電力機車，主電路一般都為相控整流電路，網(wǎng)側(cè)電流含有較大諧波成分，且含所有奇數(shù)次諧波，包括 3 次及 3 的倍數(shù)次。
本文主要針對接觸網(wǎng)用避雷器的工作條件及背景環(huán)境，其他的有關(guān)牽引供電系統(tǒng)及接觸網(wǎng)的內(nèi)容不作為研究的對象，而能夠給避雷器性能狀態(tài)帶來危害的諧波電流和電壓波動也是本文分析的重點之一。
1.1 接觸網(wǎng)諧波特性分析
在避雷器性能檢測過程中，阻性電流值因其能夠很好地反映避雷器的狀態(tài)性能而常被用作判斷避雷器性能優(yōu)劣的重要依據(jù)。但是在諧波污染嚴重的情況下，阻性電流中含有較大分量的諧波含量，嚴重影響了性能分析的精確性。而在電氣化鐵路系統(tǒng)中，電力機車多采用 PWM 控制電路，容易給接觸網(wǎng)帶來嚴重的諧波污染，諧波在接觸網(wǎng)傳播的過程中，當接觸網(wǎng)參數(shù)與機車匹配時會發(fā)生諧振和嚴重的諧波放大。根據(jù) CRH2 動車組的模型仿真分析，當機車在運行工況之間切換時，對應(yīng)的輸出功率會發(fā)生變化，由于基波與各諧波電流的變化不同步，導致不同輸出功率下諧波電流含量的變化較大。由諧振引起的電壓畸變會進一步使機車諧波電流增大，形成一個類似于正反饋的相互激勵過程，導致接觸網(wǎng)形成諧振過電壓，燒損避雷器等設(shè)備。
因此，在避雷器性能監(jiān)測分析中，諧波含量的檢測對避雷器工作狀態(tài)的分析具有重要作用。本系統(tǒng)也將基于場強法的諧波檢測方法運用其中。
1.2 接觸網(wǎng)電壓波動分析
電氣化鐵路牽引負荷表現(xiàn)為移動且運行工況切換頻繁的特點，是一種十分典型的日波動負荷符合短時沖擊的特點。接觸網(wǎng)的電壓波動與線路條件、機車類型、運行工況、機車速度、牽引重量等因素有關(guān)，且這些影響因素具有隨機的特點。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，接觸網(wǎng)電壓波動范圍最大可達 30%，同時電壓峰值最高達到 460 V，波峰系數(shù)達到 1.92，電壓峰值的大范圍變化對設(shè)備的安全構(gòu)成了較大的隱患，這其中也包含避雷器。因此在對避雷器性能在線監(jiān)測的過程中，頻繁的操作過電壓將是一個值得深究的問題。
為此，在本系統(tǒng)中額外添加了避雷器運行過電壓監(jiān)測功能，設(shè)定運行過電壓的閾值，并記錄下運行過電壓的時間和次數(shù)，有助于對避雷器性能狀態(tài)和故障原因進行分析研究。
2 氧化鋅避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計
氧化鋅避雷器在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由傳感器、監(jiān)測點裝置、數(shù)據(jù)采集節(jié)點及上位機數(shù)據(jù)管理平臺組成，其結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖 2 所示，分別利用感應(yīng)式電壓傳感器和電流互感器采集避雷器運行的電壓信號和電流信號，每只避雷器有其固定的監(jiān)測點裝置，采集處理監(jiān)測到的狀態(tài)數(shù)據(jù)；一只數(shù)據(jù)采集節(jié)點可以處理多個監(jiān)測點裝置的監(jiān)測數(shù)據(jù)，利用 RS485實現(xiàn)多個數(shù)據(jù)采集節(jié)點與上位機之間的數(shù)據(jù)通信。
主控 PC 向下位機數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)出索要數(shù)據(jù)的控制指令后，節(jié)點根據(jù)接收的指令要求向監(jiān)測點裝置索要當前的監(jiān)測數(shù)據(jù)，該裝置在收到指令后就按要求將監(jiān)測數(shù)據(jù)回傳給數(shù)據(jù)采集節(jié)點，節(jié)點確定收到監(jiān)測數(shù)據(jù)之后，再將這些數(shù)據(jù)有次序地回傳給主控 PC，上下位機之間采用 ModBus 通信協(xié)議，并通過 CRC 校驗，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。
2.1 監(jiān)測點電路結(jié)構(gòu)設(shè)計
避雷器性能在線監(jiān)測點主要完成避雷器運行電壓及泄漏電流的采集、計算及其信號處理和組網(wǎng)通信等功能。整體結(jié)構(gòu)由電流采集模塊、電壓采集模塊、90E36 信號處理模塊，單片機控制模塊、電源模塊、RS485 通信模塊、雷擊計數(shù)模塊及 LCD顯示模塊組成。
2.2 RS485 串行組網(wǎng)通信結(jié)構(gòu)設(shè)計
在數(shù)據(jù)通信、計算機網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，RS485 是一種常用的串口通信標準，它是在 RS232 標準基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種平衡傳輸標準，能夠克服 RS232通信距離短，速度低等缺點，其最高傳輸速率達到10 Mbit/s，最遠傳輸距離可達 1 200 m；具備多點、雙向通信功能，即可允許同一條總線上連接多達32 個數(shù)據(jù)節(jié)點，而且節(jié)點驅(qū)動能力強、沖突保護特性好。由于 RS485 標準對接口要求的特殊性，用戶亦可建立自己需要的通信協(xié)議。因此，該系統(tǒng)采用 RS485 標準組網(wǎng)通信。
3 結(jié)語
在高速鐵路剛發(fā)展的幾年內(nèi)，曾因雷電影響造成多起列車停車晚點事故，給人們的生產(chǎn)、生活帶來了深刻的負面影響，鐵路系統(tǒng)的防雷避雷研究已經(jīng)成為一個研究的熱點課題。傳統(tǒng)的避雷器故障監(jiān)測研究只針對于電力系統(tǒng)的應(yīng)用背景，鐵路牽引系統(tǒng)具有負荷移動、運行方式多變而造成的諧波電流復雜、頻繁操作過電壓等特點，而諧波電流和操作過電壓都會嚴重影響避雷器性能狀態(tài)。因此針對接觸網(wǎng)系統(tǒng)的特殊性，本文提出了氧化鋅避雷器性能在線監(jiān)測的實現(xiàn)方法，并設(shè)計了在線監(jiān)測點的硬件裝置、數(shù)據(jù)采集節(jié)點及主控 PC 數(shù)據(jù)管理平臺。經(jīng)測試，本監(jiān)測系統(tǒng)具備對避雷器阻性泄漏電流和相位差值進行精確檢測，數(shù)據(jù)傳輸流暢，同時具有實時數(shù)據(jù)圖形化顯示，歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。系統(tǒng)運行試驗驗證了理論分析和設(shè)計的正確性，為其他電氣設(shè)備實時監(jiān)測研究提供了重要的理論基礎(chǔ)和實際的指導意義。
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