高速铁路接触网隔离开关故障监测策略

高速铁路接触网隔离开关故障监测策略

张莉

中国铁路呼和浩特局集团有限公司呼和浩特供电段   内蒙古   010000

摘要：随着社会经济快速发展，我国高速铁路设计规范规定，在供电线上网点、电分段、电分相及动车检查库等处应设置电动隔离开关。早期高速铁路项目的电分相中性段、上下行并联点及动车检查库等处采用电动负荷开关。但由于电动负荷开关开断能力和电气寿命无法满足要求，近几年设计接触网时不再采用电动负荷开关，统一采用电动隔离开关，并纳入远动系统。

关键词：高速铁路；接触网；隔离开关；故障监测；策略

 1国内现有设备状况

纵观国内在铁路供电系统工程接触网专业领域内生产隔离开关的厂家设备质量现状，无论是国内独立公司还是合资公司，在隔离开关设备投入运营使用后，设备运转总是存在着一些问题。运营维保技术人员把接触网专业隔离开关的日常维保工作作为重中之重，科研技术人员应对传统型隔离开关的设计原理进行优化，联合设计、施工、运营等多家单位技术人员系统地跟踪接触网专业隔离开关在前期设计、施工安装、调试阶段、投入使用等环节，并对其中发现的技术问题分门别类进行统计和技术分析，做出一些积极的、有益的科研项目研发，已经刻不容缓。

2隔离开关优化措施

2.1隔离开关运行故障

高速铁路接触网隔离开关为露天设置且无备用设备，根据近几年高速铁路接触网运行故障记录和相关资料记载，隔离开关运行故障如下：隔离开关本体发生故障次数较少，但直击雷电导致开关绝缘子闪络击穿、引线烧断及引线舞动短路等造成高速铁路停电、停车，影响较大。隔离开关引线脱落曾经引起动车组受电弓运行事故。雷电或接触网闪络引起远程监控单元（RTU）箱、操作机构箱烧损的次数较多。隔离开关托架上安装的氧化锌避雷器无法防护直击雷电，弱电与强电设备在同一H型钢柱上安装，且共用接地系统，箱体与H型钢柱之间未采取绝缘措施，箱内弱电元件易烧损。隔离开关远动控制问题较多。在隔离开关监控系统方案、户外环境恶劣时弱电元件可靠性、抗电磁干扰能力及与通信系统匹配等方面均存在不足，易引起开关拒动、误动及开关位置误显示等远动故障，影响接触网故障排查及供电臂切除。

2.2智能牵引供电系统需求

随着我国智能牵引供电系统的推进，将进一步完善智能设备，研制智能接触网 ，为动车组提供持续可靠的供电。智能牵引供电系统由牵引供电设施、供电调度系统、供电运行检修管理系统及通信网络等组成，具有智能诊断故障、预警、自愈重构等功能。智能牵引供电设施主要由变电设施（包括网开关控制站）和接触网组成。随着智能牵引供电系统全息感知、广域测控保护系统、调度管理自动化等逐步完善，要求隔离开关在接触网发生故障时快速自愈重构，供电调度端利用远动系统实现倒闸操作自动化和程控化，对故障进行快速诊断、定位、隔离及改变供电方式，实现自愈重构，快速有效地恢复接触网供电。目前高速铁路接触网隔离开关的专项整治主要集中在远动控制方面，改善措施有：操作机构电源开关纳入远动系统、控制命令采用双端口输出、隔离开关机构延时解除自保持、隔离开关不操作时断开控制电源、网开关控制屏与远动系统直接连接等。这些措施在防止隔离开关远动故障方面取得了明显效果。为此，国铁集团发布了 TJ/GD 023—2018《接触网电动隔离开关及控制装置暂行技术条件》，积极推广采用集中式直控方案 ，但高速铁路沿线零散的接触网隔离开关仍需采用分散式直控方案，将 RTU 就地设置在开关柱上，面临接触网电磁干扰问题。当高速铁路发生弓网事故或接触网故障引起牵引变电所跳闸时，供电调度端一般首先切除故障供电臂单元，该供电臂范围内动车组全部停车降弓。然后利用接触网隔离开关排查故障，或切除故障所在半个供电臂单元，为影响范围外动车组恢复送电。广域保护测控系统、接触网 6C 检测系统和PHM 健康管理系统的逐步完善，提升了接触网的故障感知、故障标定、故障判断能力，而供电调度端现有远动操作流程存在与智能牵引供电系统发展不相匹配问题，需要优化。将接触网分段绝缘器、绝缘锚段关节等形成的供电分段视为最小停电单元，把在分段绝缘器、绝缘锚段关节等处设置的隔离开关，替换成真空断路器，纳入广域保护测控系统后，可按最小停电单元对接触网故障进行直控切除操作，以尽量减少牵引变电所馈线断路器的远动操作。

3技术升级策略

为了实现对接触网高压隔离开关故障的快速精确识别，在Caffe框架下搭建神经网络结构（CNN），导入Zynq-7000SoC平台，获得FPGA硬件加速计算。

3.1隔离开关电机电流参数

通过采集各种工况下隔离开关电机电流数据，在每个类别中采集500组信号作为样本集，其中400组信号作为训练集，100组信号作为测试集，以验证算法性能。

图1隔离开关的电流信号

由图1可知，故障情况不同，电机电流信号波形的各个波峰时间间隔不同，波形峰值出现的时间节点也不尽相同，以此作为区分正常情况、轻微卡涩、严重卡涩，弹簧失效以及合闸不到位的重要特征。

通过对上述电机电流信号波形图进行VGG核函数解析，代入训练集学习高压隔离开关电机电流信号在正常情况、合闸不到位、卡涩和弹簧失效等情况的特征，与测试集进行比对测试结果，其平均准确率和过拟合比率如表1所示。

以合闸不到位情况为例，合闸不到位的平均准确率和过拟合率变化如图2、图3所示。

图2合闸不到位的平均准确率变化图  图3合闸不到位的过拟合率变化图

由图2、图3可知，合闸不到位的平均准确率和过拟合随学习时间的变化情况，随着学习时间的推移，卷积神经网络CNN算法对高压隔离开关机械故障诊断的分类逐渐明显，平均准确率已经达到90%，且过拟合率稳定在1左右，符合预期目标。在测试集中，合闸不到位情况的拟合曲线十分接近，进一步表明卷积神经网络算法的分类效果十分明显。

3.2性能评估

从运行时间来看，基于Zynq-7000SoC的CNN算法运行时间在（9.62±1.25）ns的范围内，相比其他算法实现了更加高速运行的优势，CNN算法时间性能情况如表2所示。

本文算法分析了CNN算法在系统延迟方面的性能，系统延迟可较好的反应算法的处理速度，基于Zynq-7000的CNN算法延迟性能评价表如表3所示。说明该算法能够得到较快的执行速度和数据吞吐量。

3.3 高速铁路接触网悬挂状态监测装置（CCHM）

在检测高速铁路接触网的时候，接触网的接触悬挂系统中所有的零部件也是监测的主要内容。若是接触网悬挂系统中的零部件出现的问题，势必会导致高铁供电系统出现故障。针对这种问题，必须要开展安全问题监测工作，比较普遍使用的方法就是人工巡检，但是这种方法会消耗大量的时间，且检测起来的难度也很大。由此可见，实时提出一种能够在满足不用切断电源就可以进行自动检测接触网供电系统的自动检测技术是十分重要的。在接触网悬挂的过程中，主要是以计算机技术所实现的图像匹配和系统性识别作为基础开展监测。所使用的算法就是霍夫变换以及模板匹配的方法，两者相互结合进一步实现对图像的处理工作。在接触网中，完成监测的依据乃是其局部的基本特点，识别和分析在零部件中所出现的问题和基本位置信息。首先，从高速铁路接触网中获取样本的图像，根据一定的条件将样本图像进行分类处理，之后，相关的工作人员完全可以借助于边缘检测的方式监测数据。

结语

高速铁路接触网隔离开关的主要用途是故障排查、改变供电方式或特殊情况为动车组供电。目前隔离开关故障较多，在服役状态方面存在防灾能力较差、安装方式复杂、操作时间长及适应性差等问题，无法满足智能牵引供电系统发展需求。接触网隔离开关技术升级策略可为智能牵引供电发展和提高接触网性能提供借鉴。

参考文献

[1]顾涛．高速铁路接触网开关误动原因分析和防范措施的思考[J]．上海铁道科技，2017（1）：69-71．

[2]周少喻，陈红英．高铁接触网远动隔离开关误动原因分析及对策[J]．铁道机车车辆，2018，38（4）：71-74．

[3]刘仕兵，马志方，仇智圣.接触网隔离开关机械状态监测的SVM实现[J].计算机仿真，2019，36（5）：445-449.