高速铁路牵引供电电压在线监测方法探析

高速铁路牵引供电电压在线监测方法探析

冯文秋

广东电网有限责任公司湛江供电局 524000

摘要：传统监测方法在监测高速铁路牵引供电电压时，误差较大，与实际值不符。为解决上述问题，研究了一种新的高速铁路牵引供电电压在线监测方法，在高速铁路牵引供电网为空载状态下，利用两条导线测量高速铁路牵引供电电压，结合交流电流有效值i和测量电阻R，求出电压有效值U；通过三表法记录电压滤波，使用MATLAB算法对录波电压进行傅里叶分解，实现供电电压在线分析；采取信号发生器和雷击浪涌发生器在CVT和分压器中施加不同的电压信号，得到供电电压实际值，比较两组测量结果，判断监测到的电压值是否准确。

关键词：高速铁路；牵引供电；电压监测；在线监测

0引言

牵引供电是当前高速铁路供电的主要方式，通常情况下，人们会将牵引供电电压控制在27.5kV，在此过程中，由于现阶段的牵引电压等级正在不断升高，供电系统很容易出现故障。目前采用的高速铁路牵引供电电压监测方法结构过于复杂，每一个环节之间都存在着复杂的耦合关系，每一次监测都需要花费大量成本。本文在研究一种结构更简单、成本更低、工作结果更准确的监测方法，通过记录每一次牵引电压的各种参数，分析电力系统运行是否正常。

1高速铁路牵引供电电压在线监测

1.1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测量的方法得到电压U3。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。

从上述计算公式可以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。

1.2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。

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。

1.3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。

2高速铁路牵引供电电压在线监测方法研究

2.1监测准备

做好准备工作可以保证在线监测的准确性，因此为了保证在线监测工作的顺利开展，促进工作人员及时把控高速铁路系统的运行状态，在启动相关设备前，工作人员要做好设备的调试，保证设备性能的稳定性，提高在线监测效果。在检测准备中，工作人员要选取灵敏高、温度系数小、抗干扰能力强的传感器，同时，屏蔽线圈保证传感器角差和比差的稳定性，保障信号采集和处理工作的顺利进行。

2.2高内阻毫伏表监测

高内阻毫伏表监测过程中，工作人员通过在测量电路中，加入一个大于500Ω的电阻，可以避免电流过大烧毁电表的情况，在此过程中，工作人员利用欧姆定律，结合电表测量数据，能够直接得出牵引供电电压，实现在线监测。除此之外，由于高内阻毫伏表得出的数据通常比较多，因此工作人员利用相应的计算方法，能够找到数据中的有效值，由于最后得出的电压值均为一段时间内产生的积分值，避免了电流表内部电阻对测量结果的影响，降低了误差值，因此工作人员能够利用高内阻毫伏表监测法，来实现对高速铁路运行中，牵引供电电压的在线监测，从而进一步提高监测结果的准确性，有利于工作人员及时排除铁路系统运行中的故障。

2.3三表法监测

采取三表法实现在线监测，提高监测方案的可行性，优化工作人员对牵引电压的把控。在三表法监测中，工作人员为了对电压进行线性分析，需要利用三表法来记录电压滤波，在此过程中，工作人员要将两端的接地地刷相连接，然后待相关的电机在额定状态下运行时，将转轴与搭棒相连接，使示波器与接线端向量，另一端接地，再根据视播器显示的电压波形进行分析，并借助傅里叶分解法，来分析电压变化，从而监测牵引供电系统的运行状态，因此工作人员能够借助三表法监测，来实现对高速铁路牵引供电的电压监测，确保工作人员可以掌握牵引供电系统的运行状态，为铁路系统的稳定运作提供有力保障。

2.4电压信号分解监测

在得到初步的监测结果后，为了进一步保证监测结果的准确性，工作人员需要开展电压分级监测来判断牵引供电电压测量结果是否准确，从而进一步优化高速铁路牵引供电在线监测的效果。在电压信号分解检测中，工作人员要将得到的电压信号分为两组同时进行处理，工作人员需要将第一组的分压器和CVT中利用信号发生器加入150ms/60μs的电信号，并将所得到的电压信号通过分压器和CVT中进行分解，然后分别记录在分压器和CVT得到的电压波形，再将第二组的的分压器和CVT中利用雷击浪涌发生器加入140ms/50μs的电信号，并记录分压器和CVT得到的电压波形，最后将两组波形进行对比，如果两组的数值基本上能够达到一致，那么就说明监测结果准确，如果两组数据差距较大，就需要重新进行在线监测，因此工作人员能够通过电压信号分解来优化在线监测的准确性。

3结语

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。本文对多项参数进行优化，提高监测的准确性，降低误差率。为了研究方向，由于监测时设备能耗较大，所以如何降低设备能耗，也是值得深化思考的问题之一。

参考文献：

[1]罗世界，王维博，王海滨，等.高速铁路牵引供电系统建模及仿真分析[J].西华大学学报:自然科学版，2017，36（2）:28-32.

[2]罗琛，韩家宝，罗大鹏，等.半自主在线学习目标检测系统[J].现代电子技术，2016（9）:121-125.

[3]张玲.高速铁路牵引供电电压在线监测方法研究[J].电子设计工程，2019，27(16)：70-73+78.