陳明忠

(南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，210015，南京//副教授)

在高速動(dòng)車組運(yùn)行過(guò)程中，由于潮流分布和系統(tǒng)元件參數(shù)變化，牽引供電系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓。過(guò)電壓通常會(huì)引起供電系統(tǒng)絕緣閃絡(luò)，造成斷路器跳閘，影響供電系統(tǒng)安全運(yùn)行；同時(shí)，過(guò)電壓還可能會(huì)造成高壓電氣設(shè)備被擊穿，從而釀成事故，以致供電中斷。因此，有效安全地獲取過(guò)電壓的數(shù)據(jù)，掌握其分布規(guī)律，并實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其變化就顯得尤為重要。

高速鐵路過(guò)電壓產(chǎn)生的原因是多方面的，文獻(xiàn)[1-2]較詳細(xì)地分析了動(dòng)車組升降弓產(chǎn)生浪涌過(guò)電壓的原因，文獻(xiàn)[3]分析了電氣化鐵路典型過(guò)電壓的產(chǎn)生原因和分布規(guī)律，文獻(xiàn)[4]分析了高速動(dòng)車組產(chǎn)生操作過(guò)電壓的原因及其預(yù)防措施。但對(duì)于高速鐵路過(guò)電壓的檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集，國(guó)內(nèi)外已有不少文獻(xiàn)對(duì)其進(jìn)行了討論[5-6]，但大都集中在基于電容分壓器或光電電壓互感器的理論和方法，以及數(shù)據(jù)融合方法等。但電容分壓器測(cè)量過(guò)電壓最大的問(wèn)題是體積過(guò)于龐大，不適合安裝在在高速動(dòng)車組上；而光電電壓互感器則是利用光杠桿測(cè)量過(guò)電壓幅值，對(duì)于存在高頻機(jī)械振動(dòng)的動(dòng)車組亦不適合安裝。并且兩者均需要改變動(dòng)車組高壓電氣設(shè)備的參數(shù)結(jié)構(gòu)，不利于動(dòng)車組高壓電氣設(shè)備的整體設(shè)計(jì)。由于缺乏典型的過(guò)電壓數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)融合法亦不便采用。采用動(dòng)車組對(duì)高速鐵路接觸網(wǎng)瞬態(tài)過(guò)電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分量檢測(cè)過(guò)電壓的幅值，國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)亦鮮有記載。

本文設(shè)計(jì)了一種基于瞬態(tài)電場(chǎng)響應(yīng)的過(guò)電壓檢測(cè)裝置，該裝置無(wú)需改變供電系統(tǒng)的接線和結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用空間的電場(chǎng)量極化特征和場(chǎng)量強(qiáng)度，間接測(cè)量引起該場(chǎng)量的過(guò)電壓幅值。若阻抗參數(shù)匹配合理，則可保證測(cè)量的準(zhǔn)確度和精確度。在檢測(cè)過(guò)程中，高壓帶電體與檢測(cè)設(shè)備完全空間隔離，檢測(cè)信號(hào)經(jīng)光纜送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示終端，從而保障人身和設(shè)備安全。

1 過(guò)電壓檢測(cè)裝置的工作原理

高速電氣化鐵路的過(guò)電壓無(wú)論是動(dòng)車組產(chǎn)生的，還是牽引變電所產(chǎn)生的，大都沿著接觸網(wǎng)以波動(dòng)的形式傳播。若忽略傳播過(guò)程中的能量損耗，則接觸導(dǎo)線或變電所牽引母線過(guò)電壓幅值可認(rèn)為是動(dòng)車組或牽引變電所自身產(chǎn)生的過(guò)電壓。因此，僅需檢測(cè)動(dòng)車組受電弓附近接觸導(dǎo)線上的過(guò)電壓，或牽引變電所母牽引母線上的過(guò)電壓，則可獲得整體高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的某次特征過(guò)電壓。

圖1為過(guò)電壓檢測(cè)裝置原理示意圖。如圖1所示，在動(dòng)車組受電弓底架上，安裝一段連接電纜至測(cè)量電極。由于電極與接觸導(dǎo)線的距離較近，接觸導(dǎo)線與測(cè)量電極上的過(guò)電壓具有相同的幅值和相位。

注：1——受電弓；2——連接電纜：3——絕緣外殼：4——車頂或固定物；5——固定螺栓；6——電壓互感器二次側(cè)電纜；7——信號(hào)傳輸光纜；8——數(shù)據(jù)顯示裝置；9——數(shù)據(jù)存儲(chǔ)裝置；10——電壓互感器

圖1 過(guò)電壓檢測(cè)裝置原理示意圖

過(guò)電壓檢測(cè)裝置為球形，外殼由絕緣材料制成，并由固定螺栓安裝于動(dòng)車組車頂上。極化天線位于裝置球形空間下部，放大電路、濾波電路、光電轉(zhuǎn)換電路等均位于該裝置的屏蔽室內(nèi)。該裝置由動(dòng)車組電壓互感器27.5 kV/100 V/25 V供電。檢測(cè)信號(hào)經(jīng)光纜送至數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)終端。

過(guò)電壓檢測(cè)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。由圖2可知，測(cè)量電極為銅質(zhì)金屬圓盤(pán)狀，通過(guò)連接電纜與受電弓相連。天線為球形，半徑為3.9 cm,位于底部中心位置。天線罩由薄金屬制成，呈光滑拋物面，而球形天線位于空間拋物面的天線罩焦點(diǎn)處。當(dāng)圓盤(pán)電極上有變化的電壓出現(xiàn)時(shí)，會(huì)引起裝置檢測(cè)腔內(nèi)電場(chǎng)與磁場(chǎng)的變化。在拋物面所在空間，電磁場(chǎng)主要是以感應(yīng)場(chǎng)存在，此時(shí)磁場(chǎng)分量與電場(chǎng)分量無(wú)特定的關(guān)系，且磁場(chǎng)分量數(shù)值極小。因此僅檢測(cè)電場(chǎng)分量在天線中的極化響應(yīng)強(qiáng)度[7-9]，則可以保證高電壓檢測(cè)精確度。

注：1——金屬圓盤(pán)電極；2——均壓罩；3——球形天線；4——天線罩；5——信號(hào)線；6——阻抗匹配器；7——電源裝置；8——光電轉(zhuǎn)換器

圖2 過(guò)電壓檢測(cè)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

設(shè)球形天線的表面積為S，其極化電荷密度為σ，由電磁場(chǎng)理論可知球形天線上的總電荷數(shù)為：

(1)

式中：

Q——球形天線上的總電荷數(shù)；

ν——球形天線外部體積空間。

通常情況下，高速鐵路產(chǎn)生過(guò)電壓頻率的上限一般為幾十MHz。而對(duì)于300 MHz的電場(chǎng)和磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)，由于在近場(chǎng)區(qū)域磁場(chǎng)分量極小，此時(shí)電場(chǎng)按靜電場(chǎng)近似處理，不會(huì)產(chǎn)生較大誤差。此時(shí)球形天線處的電場(chǎng)強(qiáng)度Eo(v)與Q(v)成正比，即：

Eo(v)=KpQ(v)

(2)

式中：

Kp——比例常數(shù)，由系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)確定。

此時(shí)測(cè)量電極上的電位Uo(t)與Eo(v)關(guān)系如下：

(3)

式中：

Ks——比例常數(shù)，由系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)確定;

t——時(shí)間。

2 過(guò)電壓檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)

由于Q(v)與被測(cè)過(guò)電壓有固定的關(guān)系，因此如果檢測(cè)電路能夠測(cè)量極化電荷在天線附近產(chǎn)生的電位Uo(t)，則過(guò)電壓的幅值就可以被間接測(cè)得[7-8]。根據(jù)此原理所設(shè)計(jì)的過(guò)電壓檢測(cè)電路如圖3所示。由圖3可知，該電路由4個(gè)部分組成，接收放大電路可檢測(cè)到由瞬時(shí)過(guò)電壓引起的空間電場(chǎng)，且在接收天線上極化電壓，并將極化電壓放大后輸入到濾波電路。濾波電路主要將高壓系統(tǒng)的超高頻“電暈”雜波濾除，消除測(cè)量電極及其引線在過(guò)電壓作用下產(chǎn)生的由局部放電伴生的高頻電磁脈沖干擾。相關(guān)文獻(xiàn)表明，由局部放電產(chǎn)生的電磁脈沖波的頻帶分布較寬，大致在125 MHz左右，因此濾波電路主要濾除在該頻譜段的干擾。光電轉(zhuǎn)換電路將測(cè)量的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，由光纜傳輸至終端機(jī)。根據(jù)被測(cè)電壓信號(hào)的頻帶寬度，將光電轉(zhuǎn)換器的帶寬設(shè)計(jì)為250 MHz則可滿足測(cè)量要求。光纜的作用可有效防止數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中所受到周圍環(huán)境的的電磁干擾，更為重要的是光纜可以有效實(shí)現(xiàn)高壓檢測(cè)裝置和終端數(shù)據(jù)處理設(shè)備的可靠隔離，保證測(cè)量設(shè)備和人員的安全。在終端機(jī)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)采用數(shù)字濾波器，對(duì)經(jīng)光纜傳輸?shù)臏y(cè)量信號(hào)進(jìn)行二次濾波。

圖3 過(guò)電壓檢測(cè)電路原理圖

對(duì)于檢測(cè)電壓信號(hào)，若其伏秒特性包圍的面積太小，則由數(shù)字濾波器將其濾除。綜合考慮高速電氣化鐵路過(guò)電壓的伏秒特性，數(shù)字濾波器把持續(xù)時(shí)間小于100 μs且幅值不超過(guò)29 kV的脈沖過(guò)濾去除。阻抗匹配電路的作用是對(duì)接收天線的輸入、輸出阻抗進(jìn)行匹配，避免接收天線中的極化波被多次反射而衰減。該檢測(cè)電路設(shè)計(jì)的天線的輸入阻抗約為75 Ω，阻抗匹配是由可調(diào)電阻和可調(diào)電容構(gòu)成的一個(gè)復(fù)合網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)該網(wǎng)絡(luò)可不斷地調(diào)節(jié)輸出阻抗，當(dāng)輸出阻抗與天線的輸入阻抗共軛時(shí)，則檢測(cè)電路具有最佳的輸出特性。阻抗匹配電路也決定著整個(gè)檢測(cè)電路的頻率特性，本檢測(cè)電路高頻特性良好，能夠較好地跟蹤高頻測(cè)量信號(hào)。

為了分析驗(yàn)證上述過(guò)電壓檢測(cè)電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，對(duì)該檢測(cè)電路分別進(jìn)行方波激勵(lì)試驗(yàn)和沖擊波激勵(lì)試驗(yàn)，如圖4～5所示。在試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)檢測(cè)電路的極化輸入端施加寬度為500 μs的方波和脈沖寬度小于50 μs的沖擊波，由圖4～5所示，檢測(cè)電路的輸出波形具有良好的跟隨響應(yīng)特性。

圖4 過(guò)電壓檢測(cè)電路的方波響應(yīng)特性

圖5 過(guò)電壓檢測(cè)電路的沖擊波響應(yīng)特性

3 檢測(cè)裝置的過(guò)電壓傳輸特性

過(guò)電壓檢測(cè)裝置利用測(cè)量電極上過(guò)電壓產(chǎn)生的電場(chǎng)分量對(duì)過(guò)電壓進(jìn)行測(cè)量和記錄,同時(shí)通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定測(cè)量電極輸入電壓與檢測(cè)電路輸出電壓之間的關(guān)系[10-11]。為此對(duì)該檢測(cè)裝置分別做工頻過(guò)電壓傳輸試驗(yàn)、沖擊波過(guò)電壓傳輸試驗(yàn)和頻率特性試驗(yàn)，以確定在各種激勵(lì)條件下檢測(cè)裝置的傳輸特性和輸入、輸出對(duì)應(yīng)關(guān)系。

在實(shí)驗(yàn)室采用單相串級(jí)工頻變壓器對(duì)該裝置做輸入、輸出測(cè)試試驗(yàn)，經(jīng)數(shù)據(jù)分析和擬合處理后，檢測(cè)裝置的輸入、輸出呈線性關(guān)系，如下表1所示。由此可以確定，在工頻輸出激勵(lì)下，檢測(cè)裝置呈現(xiàn)較好的線性輸出特性。

采用沖擊波電壓發(fā)生器(標(biāo)準(zhǔn)波)對(duì)裝置的測(cè)量電極輸入沖擊波激勵(lì)，同時(shí)記錄裝置的輸出電壓，如表2所示。輸入、輸出電壓數(shù)據(jù)經(jīng)擬合后呈線性關(guān)系，且與在工頻激勵(lì)條件下的輸出電壓誤差不超過(guò)0.5 V。

表1 工頻激勵(lì)下過(guò)電壓傳輸特性試驗(yàn)

表2 沖擊波激勵(lì)下過(guò)電壓傳輸特性試驗(yàn)

高速動(dòng)車組產(chǎn)生的過(guò)電壓具有典型的暫態(tài)特征，其高頻成分含量較高，為了驗(yàn)證檢測(cè)裝置的頻率響應(yīng)特性，采用串聯(lián)諧振高壓信號(hào)發(fā)生器對(duì)裝置的測(cè)量電極進(jìn)行頻率掃描，記錄的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表3所示。在掃描過(guò)程中保持輸入的電壓幅值5 kV不變，且頻率范圍為0.5～70 kHz。由表3中的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，過(guò)電壓檢測(cè)裝置的頻率輸出特性較好，在試驗(yàn)中未產(chǎn)生“變頻”或“移頻”現(xiàn)象，能夠準(zhǔn)確傳輸和記錄動(dòng)車組產(chǎn)生的高頻瞬態(tài)過(guò)電壓。

表3 頻率傳輸特性試驗(yàn)

4 結(jié)語(yǔ)

高速鐵路動(dòng)車組的受電弓和接觸網(wǎng)是復(fù)雜的強(qiáng)耦合系統(tǒng)，在此過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)電壓同樣具有特殊性和復(fù)雜性。對(duì)于高速鐵路動(dòng)車組產(chǎn)生的過(guò)電壓，牽引變電所通常采用寬頻電壓互感器或分壓式電壓互感器進(jìn)行測(cè)量。但需要改變?cè)幸淮蜗到y(tǒng)的主接線結(jié)構(gòu)，一般不容易被運(yùn)營(yíng)管理部門(mén)所接受，且無(wú)法測(cè)量動(dòng)車組瞬變過(guò)電壓中的高頻分量。由本文所設(shè)計(jì)的高速鐵路過(guò)電壓檢測(cè)裝置，利用瞬態(tài)過(guò)電壓與其在空間產(chǎn)生瞬變電場(chǎng)量的關(guān)系，檢測(cè)和記錄由動(dòng)車組產(chǎn)生的過(guò)電壓。該裝置經(jīng)過(guò)工頻過(guò)電壓輸入、輸出試驗(yàn)和沖擊波過(guò)電壓輸入、輸出試驗(yàn)，確定動(dòng)車組產(chǎn)生的過(guò)電壓幅值與其在近場(chǎng)空間產(chǎn)生的場(chǎng)量呈線性擬合關(guān)系。該檢測(cè)裝置的頻譜特性試驗(yàn)也證實(shí)了該裝置有較好的頻率輸出特性，且高頻瞬態(tài)過(guò)電壓幾乎可以被“同步”檢測(cè)和記錄。該裝置適合安裝在高速動(dòng)車組上或牽引變電所內(nèi)，對(duì)研究和分析高速鐵路過(guò)電壓的產(chǎn)生原因和分布規(guī)律，進(jìn)一步保障高速鐵路的安全運(yùn)行具有重要意義。