楊志鵬，孫 剛，張文軒，付浩月，盛 良

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接觸網(wǎng)電壓低頻波動特征研究

楊志鵬，孫 剛，張文軒，付浩月，盛 良

基于接觸網(wǎng)檢測車的電壓測量方式，分析典型的接觸網(wǎng)電壓低頻波動現(xiàn)象，采用信號變換、數(shù)理統(tǒng)計和小波分析等方法對大量檢測數(shù)據(jù)進行分析，總結(jié)接觸網(wǎng)電壓低頻波動的幅值、頻率、波動動態(tài)過程等特征，為接觸網(wǎng)電壓低頻波動故障診斷提供參考。

接觸網(wǎng)電壓；低頻波動；小波

0 引言

接觸網(wǎng)檢測車是安裝有弓網(wǎng)綜合檢測裝置的專用軌道車輛，運用方式為連掛客車車體或自走行，通過測量接觸網(wǎng)幾何狀態(tài)、弓網(wǎng)動態(tài)作用關(guān)系、接觸網(wǎng)電氣性能等參數(shù)，評價弓網(wǎng)受流性能，指導接觸網(wǎng)的運營維護工作。

《GB/T 1402-2010 軌道交通牽引供電系統(tǒng)電壓》[1]定義接觸網(wǎng)電壓：受電弓取流處或非取流處接觸網(wǎng)與回流回路間的電位差，電壓值是指交流電壓基波的方均根值。同時，IEC62313、EN50388、UIC796等國際標準均提出了“平均有效電壓”的概念，用于反映牽引供電系統(tǒng)與機車車輛運行匹配關(guān)系。因此，研究和分析接觸網(wǎng)電壓特征具有重要意義。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

隨著我國新型交直交傳動的CRH系列動車組和SS、HXD等系列電力機車的廣泛應用，牽引網(wǎng)電壓低頻波動引發(fā)振蕩時有發(fā)生。牽引網(wǎng)電壓的低頻波動問題越來越受到國內(nèi)外學者的關(guān)注，文獻[2]分析總結(jié)了近年來我國出現(xiàn)的多起由網(wǎng)壓振蕩引起的車網(wǎng)電氣匹配問題，提出了從車、網(wǎng)2方面著手調(diào)整電氣參數(shù)治理該問題的技術(shù)對策；文獻[3]針對徐州樞紐地區(qū)的接觸網(wǎng)電壓波動現(xiàn)象，通過采集機車及所亭不同位置的電流和電壓數(shù)據(jù)，結(jié)合理論仿真計算，提出了擴容供電系統(tǒng)和改進機車控制策略的整治措施；文獻[4]對國內(nèi)外的電氣化鐵路低頻振蕩研究進行了系統(tǒng)的綜述，總結(jié)了2種類型的低頻振蕩特征，歸納了相關(guān)分析方法，并從車網(wǎng)匹配角度提出了抑制方法；文獻[5～8]從不同角度分析研究了接觸網(wǎng)電壓低頻振蕩產(chǎn)生的機理及抑制措施；文獻[9，10]分析了瑞典等國外接觸網(wǎng)電壓低頻振蕩特征，并進行了理論分析。

上述研究分析局限于某一具體位置的時域原始數(shù)據(jù)，缺少對多條線路動態(tài)運行情況下接觸網(wǎng)電壓有效值的分析，本文結(jié)合接觸網(wǎng)檢測車動態(tài)檢測數(shù)據(jù)對接觸網(wǎng)低頻波動特征進行研究。

2 接觸網(wǎng)檢測車電壓測量方法

普速接觸網(wǎng)檢測車是在改進的25T型客車上安裝專用的檢測受電弓，受電弓升起后與接觸網(wǎng)接觸形成等電位，但該受電弓不受流。在受電弓附近安裝電壓互感器，電壓互感器的一次側(cè)頂端與受電弓底座相連形成等電位，二次側(cè)接入信號處理、數(shù)據(jù)采集單元，實現(xiàn)對接觸網(wǎng)電壓的測量。高速綜合檢測列車的檢測受電弓同時也是取流受電弓，電壓互感器及傳感器的安裝方案與普速接觸網(wǎng)檢測車一致，測量的電壓為動車組運行時的實時接觸網(wǎng)電壓。設備安裝布置如圖1所示。

圖1 高速綜合檢測車電壓測量裝置布置

高速綜合檢測列車主要在高速鐵路和既有提速干線進行周期性檢測，部分樞紐車站同時會接入電力機車和動車組，其牽引負荷類型較為復雜。

普速接觸網(wǎng)檢測車普遍采用在旅客列車尾部掛運的運用方式。目前，我國旅客列車在電氣化區(qū)段通常采用SS、HXD等電力機車牽引，即在接觸網(wǎng)檢測過程中，電力機車升弓取流牽引，而接觸網(wǎng)檢測車升弓不取流檢測。檢測運用過程中應注意兩受電弓距離滿足過電分相的要求。此時，接觸網(wǎng)檢測車所測得的接觸網(wǎng)電壓數(shù)據(jù)為電力機車運行狀態(tài)下實時測量的數(shù)據(jù)，具有良好的實時性和動態(tài)特征。圖2為普速接觸網(wǎng)檢測車運用示意圖。

《TB10621-2014 高速鐵路設計規(guī)范》、《TB10623-2014 城際鐵路設計規(guī)范》、《TB 10009-2016鐵路電力牽引供電設計規(guī)范》對牽引供電系統(tǒng)的設計進行了規(guī)范，規(guī)定電力機車、動車組受電弓及接觸網(wǎng)的標稱電壓為25 kV，短時（5 min）最高電壓為29 kV；高速鐵路、城際鐵路接觸網(wǎng)最低工作電壓為20 kV，其他鐵路接觸網(wǎng)最低工作電壓為19 kV。

《TG/GD 124-2015 高速鐵路接觸網(wǎng)運行維修規(guī)則》、《TG/GD 116-2017普速鐵路接觸網(wǎng)運行維修規(guī)則》對運營線路的接觸網(wǎng)電壓進行門限閾值管理，規(guī)定其最高值不大于29 kV，最低值不小于19 kV，以公里為基本評價單元，超過門限閾值設為一級缺陷，扣5分，并納入接觸網(wǎng)動態(tài)檢測評價及供電專業(yè)管理評價，有效保證了牽引供電系統(tǒng)的供電能力。

3 接觸網(wǎng)電壓低頻波動現(xiàn)象

3.1 高速鐵路車站樞紐接觸網(wǎng)電壓低頻波動

某高速綜合檢測列車在某條客運專線進行檢測時網(wǎng)壓發(fā)生低頻波動現(xiàn)象（在該區(qū)段下行、上行均存在網(wǎng)壓低頻波動現(xiàn)象），以上行檢測數(shù)據(jù)進行分析，低頻波動過程如圖3所示。列車自樞紐車站（該樞紐承接普速列車與動車組）駛出，在第1個供電臂內(nèi)，接觸網(wǎng)電壓、受電弓電流低頻波動嚴重，電壓振蕩幅值為0.1～0.5 kV，通過采樣距離和列車速度計算將信號還原成時域信號，分析得出低頻波動頻率分別為0.1～0.3 Hz，4～5 Hz，受低頻波動影響，列車提速緩慢，時域轉(zhuǎn)換后的局部數(shù)據(jù)如圖4所示；經(jīng)過第1個分相后進入第2個供電臂，列車逐漸提速，但低頻波動現(xiàn)象仍未消失；列車經(jīng)過第2個分相后進入第3個供電臂，接觸網(wǎng)電壓、受電弓電流低頻波動現(xiàn)象消失。

3.2 普速鐵路接觸網(wǎng)電壓低頻波動

接觸網(wǎng)檢測車連掛在電力機車牽引的普速旅客列車尾部，檢測過程中出現(xiàn)網(wǎng)壓低頻波動現(xiàn)象較為普遍。以下選取一典型區(qū)段數(shù)據(jù)進行分析，該區(qū)段位于列車駛?cè)脒^分相前端，通過將空間采樣輸出數(shù)據(jù)還原為時域采樣數(shù)據(jù)，利用小波分析法分析其時頻特征，結(jié)果如圖5所示。

由圖5可以看出，隨列車運行網(wǎng)壓低頻波動并非在一個穩(wěn)定的頻率上波動，而是在一定的范圍內(nèi)波動，大部分低于10 Hz。在該區(qū)段數(shù)據(jù)中，0～ 30 s區(qū)段低頻波動頻率小于1 Hz，30～70 s區(qū)段低頻波動頻率為2～5 Hz，77～100 s區(qū)段列車過分相，電力機車主斷路器斷開，惰性駛?cè)敕窒鄥^(qū)，低頻波動消失。

圖3 某客運專線接觸網(wǎng)電壓低頻波動過程

圖4 低頻波動時域接觸網(wǎng)電壓、受電弓電流局部圖

圖5 網(wǎng)壓低頻波動時域局部圖

4 接觸網(wǎng)電壓低頻波動特征

通過對接觸網(wǎng)檢測車檢測數(shù)據(jù)進行分析，接觸網(wǎng)電壓低頻波動現(xiàn)象時有發(fā)生，其中高速鐵路較少（偶發(fā)的區(qū)域多為承接普速機車和動車組的樞紐地區(qū)），普速鐵路較為普遍。以下選取典型普速鐵路發(fā)生接觸網(wǎng)電壓低頻波動區(qū)段，涉及累計里程 4 500余公里的數(shù)據(jù)檢測，對接觸網(wǎng)電壓低頻波動特征進行分析。

4.1 低頻波動幅值

對低頻波動幅值進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，低頻波動幅值大部分小于2 kV，均值為0.55 kV，標準偏差為0.18 kV，其中波動峰值大于5 kV的現(xiàn)象占比1.25%，低頻波動幅值數(shù)據(jù)分布如圖6所示。

圖6 接觸網(wǎng)電壓低頻波動幅值分布

4.2 低頻波動頻率

接觸網(wǎng)電壓低頻波動由交直交機車與牽引供電系統(tǒng)匹配問題引起，低頻波動頻率隨著牽引傳動系統(tǒng)控制過程而變化。通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，低頻波動頻率分布主要集中在10 Hz以下，其中0.22，0.55，1.1，2 Hz附近出現(xiàn)峰值，幅值主要集中在0.55 kV附近。低頻波動頻率分布如圖7所示。

圖7 接觸網(wǎng)電壓低頻波動頻率分布

4.3 低頻波動動態(tài)過程

通過對檢測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，接觸網(wǎng)電壓低頻波動存在典型過渡過程：振蕩過程中頻率實時變化，呈現(xiàn)頻率從低到高再消失而后重新發(fā)生的趨勢；振蕩幅值存在衰減過程。該現(xiàn)象與相關(guān)參考文獻中仿真計算得出的穩(wěn)態(tài)振蕩不同，表明電力機車-接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)是一個動態(tài)系統(tǒng)。圖8所示為2組典型的接觸網(wǎng)電壓低頻波動頻率分布。

圖8 接觸網(wǎng)電壓低頻波動頻率分布

5 結(jié)語

本文通過對接觸網(wǎng)檢測車的大量電壓檢測數(shù)據(jù)進行分析，總結(jié)了接觸網(wǎng)電壓低頻波動的幅值、頻率及動態(tài)過程變化規(guī)律。研究結(jié)果表明，接觸網(wǎng)電壓低頻波動現(xiàn)象為電力機車-接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)匹配的動態(tài)過程，為接觸網(wǎng)電壓波動的有效治理提供依據(jù)，以提高牽引供電質(zhì)量。

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢疫總局、中國國家標準化管理委員會. GB/T 1402-2010 軌道交通牽引供電系統(tǒng)電壓（IEC 60850：2007，MOD）[S]. 北京：中國質(zhì)檢出版社，2011.

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On the basis of the voltage measurement mode adopted by OCS inspection car, the phenomenon of typical OCS voltage low frequency fluctuation is analyzed, and large quantity of inspection data has been analyzed by methods of signal conversion, mathematical statistics and wavelet analysis so as for summarizing the characteristics of amplitude, frequency and dynamic process of OCS voltage low frequency fluctuation, these will provide the references for diagnosis of fault of OCS voltage low frequency fluctuation.

OCS voltage; low frequency fluctuation; wavelet

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.009

U225.3

B

1007-936X(2018)05-0033-04

2018-03-05

楊志鵬，盛 良.中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，助理研究員；

孫 剛.中國鐵路沈陽局集團有限公司供電處，高級工程師；

張文軒.中國鐵道科學研究院基礎設施檢測研究所，副研究員；

付皓月.中國鐵路沈陽局集團有限公司供電處，工程師。

本研究受中國鐵道科學研究院科研課題（2016YJ138）資助。