接触网电气闪络与故障检测数据库案例的研究

欧志新



接触网电气闪络与故障检测数据库案例的研究

欧志新

在综合分析接触网供电故障特点的基础上，建立数据库实时检测查询系统和案例分析库，通过参数对比与归类，能够迅速准确分辨故障前后发生的问题，最大程度减小电气故障对接触网的影响，保证供电系统安全可靠运行。

接触网；电气闪络；数据库实时监控；故障检测；Matlab仿真

0 引言

随着我国高速电气化铁路的快速发展，“八横八纵”高铁网络已日趋完善，为区域经济联动发展带来巨大机遇[1]。为了保证铁路供电系统和列车安全可靠运行，需要在输变配电、节能环保以及事故预防等方面采取相应的保障措施。

接触网是牵引供电系统的重要输电设备，处于露天环境，受大气污染影响较大，尤其是粉尘污染，其浓度逐渐增加加快了接触网绝缘子的积污速度，一旦达到污闪条件，极易出现电气闪络现象，造成沿线带电设备跳闸，甚至设备故障和反复自动重合闸现象[2]，严重影响列车的稳定运行，干扰铁路运营秩序。

1 接触网电气闪络

接触网系统受外部环境干扰波动影响较大，如雷击，瞬间产生的电流电压会导致绝缘损坏和电气设备运行中断与误动作。在列车高速运行时，接触网与带电设备之间的绝缘和间距都需保持一定安全值，一旦遭到破坏，将导致整个区段供电或线路设备损坏，严重影响供电的稳定。电气闪络持续的时间短，事件多不可预测[3]，做好监测和防范措施是接触网安全运营需要关注的重点。

本文在综合分析接触网故障特点的基础上，通过建立数据库监控与查询系统，有效预防及快速诊断电气闪络造成的故障，将采集的数据存入数据库系统中进行分类与归纳，找出共性并制订检测方案应用于实践中，为进一步保障接触网安全输送电能提供可追溯数据体系。

2 接触网故障检测方案

2.1 接触网故障检测方法与原理

接触网故障检测方法主要包括暂态电流法和暂态阻抗法[4]。基本原理是利用系统发生故障后的部分电流滤波信号进行数据拟合，预测之后的电流变化情况，并与实际电流相比较求出起弧时间点，而开断完成的时间点则可视为故障支路电流过零熄弧点。该电流值分析方法侧重于电气设备控制电路的运行，而接触网本身是一种输电线路，并不参与电流与电压的控制过程，仅需确保能量损耗少和负荷侧补偿效果，即可实现输送电能的功能。

因此，接触网故障检测的重点在电气设备，只需准确测量和存储电气闪络发生时的电流与电压数据，就可根据暂态电流法原理建立准确的数据库进行检测与储存数据（图1）。

假设电力系统发生故障时，系统中的暂态电流包含衰减性非周期分量及小于次谐波的各种整次倍频谐波分量，则有如下表达式：

也可以近似地线性化表示为

式中，I0为直流分量在t = 0时的值；In为第n次谐波分量的幅值；l为直流分量的衰减时间常数t的倒数，即l = 1 / t；fn为第n次谐波分量的幅角；w1为基波角频率。

假设某一相电流在故障发生后的某一时间段内有个采样数据，则可使用最小二乘法对这个数据进行拟合。

式中，为表达式的极值；为抽样时间，取值为1，2，…，；()为电流实际值；()为电流拟合表达式。

根据式（2）、式（3）确定出系数0、、Isin、Icos后，可以将该时间段以后的个预测值求解出来。然后，将预测值与实际值相减并求其绝对值，可求出个畸变量值：

接触网故障发生瞬间，由于高压开关接通电路，过电流导致闸刀产生电弧现象，曲线拟合过程就是修正误差或者减少电流畸变值的过程，阈值代表接触网燃弧零界点值。

如图1所示，点（始分点）为该相起弧时间点，点（畸变临界点）为该相熄弧时间点。当三相同时开断时，首先起弧的时间点为燃弧时间起始点，最后熄弧的时间点定为燃弧时间的终点，二者之间的时间差即为燃弧时间。

其中=-，为闸刀电弧从产生到熄灭的控制时间（正常时间0.15 s）[5]。其取值条件决定故障恢复后刀闸重合闸速度和状态，确保线路重新投入运行。

接触网产生瞬时故障前，采集的数据主要针对高压开关与测量控制对象，如电流和电压、功率等。在曲线拟合过程中由于测量数据中存在误差，根据这些测量数据所得到的估计值也存在估计误差，如果估计误差是随机量，则需要减少电流变化的时间，否则会烧毁电路和高压设备。

实际应用中，进行拟合的滤波数据可根据不同的微机保护固定动作时间和不同型号断路器的额定开断时间而取不同的范围。一般情况下，以故障发生为起点，取故障后的第2个周波数据即可。

在Matlab仿真软件中，定义数据参量，横坐标取范围1～10，纵坐标分二次取值比较误差大小与修正结构，编写仿真程序并绘制仿真图，得到图2和图3。

图2 采集故障电流优化误差结果对比

图3 接触网10组监测点误差控制效果

图2和图3表示接触网在故障监测点的取值控制在误差检测和真实值范围限定的区域内，因为接触网故障倒闸和开关过电流时间越短，电弧熄灭越快，接触网恢复供电时间与开关设备和电路损失大小有关。因此，图1用暂时电流分析电路与接触网发生故障的瞬态值带有一定的误差可控性和修正便利，在实际中也有理论依据。采集数据具有可变和稳定性不高的特点，随着环境和温度的变化，真实数据与额定值之间误差超过上下限，即认定为无效采集值。筛选数据在数据库中保存与分析，这也是检测人为干预和控制的结果，对具有相似特性的数据库案例归类具有指导意义。

2.2 数据采集通道

依据变电所模型接线图，定义输入与输出参数变量（表1），利用上位机King View监控仿真设计主接线，变量为上位机设置和现场采集的（内存和I/O变量）电流、电压和有功功率。定义线路和设备的运行状态，采集的数据依据电流电压互感器，负荷侧功率利用三相功率表，设置故障线路点和高压开关故障参数（正常运行时三相电压值，三相电流值，功率共10组数据，故障时10组数据）。

表1 数据库采集检测变量设置

3 实时数据库查询与存储

检测接触网因电气闪络发生故障的重点在于采用可视化的数据交换与通信网络设置，在规定范围和时间内将采集的电流值和电压值导入上位机进行对比，同时保存在数据库中，与原始设定值进行误差综合计算并进行归类（表2）。

归类数据库内容包括故障发生的时间、状态、参数类型和数值、线路或设备作用、参考值与误差值等[6]。这些数据都为之后建立仿真体系和验证结果提供参考依据。

报警数据库的设置和数据导入导出是在人为设置合理参数的基础上，对线路中重要的设备运行参数进行监视和测量的一种手段[7]，确保发生故障或设备异常时，掌握故障具体参数值和故障位置，便于维修人员迅速准确判断并及时进行处理。

表2 电气闪络故障采集点理论值与仿真值对比

4 Matlab仿真与结论

为了验证接触网电气闪络造成的故障对供电系统的影响，本文从噪声干扰与误差控制2个方面进行模拟，分别对上述模型在失真和匹配2种情形下进行结果对比。

（1）模型失真时，存在干扰与误差。

采用3组互不相关的零均值白噪声数据模拟3个传感器的观测误差[8]，取真值为= 1，先取3组白噪声的方差分别为0.05、0.10、0.30，将真值与白噪声数据依次相加，即可模拟出3组传感器的测量数据，再用表2中10组原始数据进行误差控制加以验证（图4）。

图4 采集3组原始参数干扰的权值分布曲线

从图4可以看出，故障传感器的测量值权值很小，接近于0，对估计结果影响很小。当传感器发生故障时（原始参数状态不明或者采集误差过大），采用传统的平均值估算法得出的结果有很大的震荡，很难准确估算出测量值[9]。本文采用电流瞬态分析特性采集接触网故障诊断数据，从数据库中寻找归类的误差大于真值的参数，利用优化与控制策略，具有很强的容错特性。

（2）模型匹配时，误差控制与数据库真值。

图5为电流瞬态逐步优化误差的过程图。

图5 电流瞬态逐步优化误差过程

从图5可以看出，算法对3个传感器测量的数据的估计结果越来越优化，且随着测量次数的增多，结果越来越接近真值，即均方差越来越小[10]。每次测量的误差控制效果均可以实现递减，直至误差接近于0。当变电所采集/输入原始数据受到外部干扰造成供电不稳定时，对出现的电压畸变或噪声干扰均具有很好的补偿效果，不会造成滤波现象影响供电可靠性和安全性。

5 结语

接触网作为铁路运输的输电线路，具有汇集和传送电能等功能。而电能传输在受到外部恶劣的自然环境，如雷击、风雨影响都易造成电压闪变及噪声干扰波动。一旦发生电气闪络会对铁路沿线设备和线路构成威胁，造成供电中断或设备自动重合闸，故障的检测和排除将影响铁路的正常运营。本文在综合分析接触网供电故障特点的基础上，建立数据库实时检测查询系统和案例分析库，通过参数对比与归类，能够迅速准确分辨故障前后发生的问题，最大程度减小电气故障对接触网的影响，保证供电系统安全可靠运行。

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With comprehensive analysis of characteristics of OCS power supply faults, by establishing of database real-time inspection & inquiry system and analyzing base of cases, and on the basis of the parameter comparison and classification, it is able to find out timely the problems existed before and after the occurrence of faults, minimize the influences to the OCS caused by the electrical faults in maximum degree, and guarantee the safe and reliable operation of traction power supply system.

OCS; electrical flashover; database real-time monitoring; fault inspection; Matlab simulation

U226.5

A

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.008

1007-936X(2018)01-0035-04

2017-05-04

欧志新.安徽交通职业技术学院，讲师，研究方向为电气化铁道供电、自动控制等。

2017年安徽交通职业技术学院校内教学研究课题。