基于瞬态电场响应的高速铁路过电压检测方法*

陈明忠

(南京铁道职业技术学院，210015，南京//副教授)

在高速动车组运行过程中，由于潮流分布和系统元件参数变化，牵引供电系统会产生过电压。过电压通常会引起供电系统绝缘闪络，造成断路器跳闸，影响供电系统安全运行；同时，过电压还可能会造成高压电气设备被击穿，从而酿成事故，以致供电中断。因此，有效安全地获取过电压的数据，掌握其分布规律，并实时监测其变化就显得尤为重要。

高速铁路过电压产生的原因是多方面的，文献[1-2]较详细地分析了动车组升降弓产生浪涌过电压的原因，文献[3]分析了电气化铁路典型过电压的产生原因和分布规律，文献[4]分析了高速动车组产生操作过电压的原因及其预防措施。但对于高速铁路过电压的检测和数据采集，国内外已有不少文献对其进行了讨论[5-6]，但大都集中在基于电容分压器或光电电压互感器的理论和方法，以及数据融合方法等。但电容分压器测量过电压最大的问题是体积过于庞大，不适合安装在在高速动车组上；而光电电压互感器则是利用光杠杆测量过电压幅值，对于存在高频机械振动的动车组亦不适合安装。并且两者均需要改变动车组高压电气设备的参数结构，不利于动车组高压电气设备的整体设计。由于缺乏典型的过电压数据信息，数据融合法亦不便采用。采用动车组对高速铁路接触网瞬态过电压产生的电场和磁场分量检测过电压的幅值，国内外相关文献亦鲜有记载。

本文设计了一种基于瞬态电场响应的过电压检测装置，该装置无需改变供电系统的接线和结构参数，利用空间的电场量极化特征和场量强度，间接测量引起该场量的过电压幅值。若阻抗参数匹配合理，则可保证测量的准确度和精确度。在检测过程中，高压带电体与检测设备完全空间隔离，检测信号经光缆送至数据存储和显示终端，从而保障人身和设备安全。

1 过电压检测装置的工作原理

高速电气化铁路的过电压无论是动车组产生的，还是牵引变电所产生的，大都沿着接触网以波动的形式传播。若忽略传播过程中的能量损耗，则接触导线或变电所牵引母线过电压幅值可认为是动车组或牵引变电所自身产生的过电压。因此，仅需检测动车组受电弓附近接触导线上的过电压，或牵引变电所母牵引母线上的过电压，则可获得整体高速铁路牵引供电系统的某次特征过电压。

图1为过电压检测装置原理示意图。如图1所示，在动车组受电弓底架上，安装一段连接电缆至测量电极。由于电极与接触导线的距离较近，接触导线与测量电极上的过电压具有相同的幅值和相位。

注：1——受电弓；2——连接电缆：3——绝缘外壳：4——车顶或固定物；5——固定螺栓；6——电压互感器二次侧电缆；7——信号传输光缆；8——数据显示装置；9——数据存储装置；10——电压互感器

图1 过电压检测装置原理示意图

过电压检测装置为球形，外壳由绝缘材料制成，并由固定螺栓安装于动车组车顶上。极化天线位于装置球形空间下部，放大电路、滤波电路、光电转换电路等均位于该装置的屏蔽室内。该装置由动车组电压互感器27.5 kV/100 V/25 V供电。检测信号经光缆送至数据显示和存储终端。

过电压检测装置内部结构如图2所示。由图2可知，测量电极为铜质金属圆盘状，通过连接电缆与受电弓相连。天线为球形，半径为3.9 cm,位于底部中心位置。天线罩由薄金属制成，呈光滑抛物面，而球形天线位于空间抛物面的天线罩焦点处。当圆盘电极上有变化的电压出现时，会引起装置检测腔内电场与磁场的变化。在抛物面所在空间，电磁场主要是以感应场存在，此时磁场分量与电场分量无特定的关系，且磁场分量数值极小。因此仅检测电场分量在天线中的极化响应强度[7-9]，则可以保证高电压检测精确度。

注：1——金属圆盘电极；2——均压罩；3——球形天线；4——天线罩；5——信号线；6——阻抗匹配器；7——电源装置；8——光电转换器

图2 过电压检测装置内部结构

设球形天线的表面积为S，其极化电荷密度为σ，由电磁场理论可知球形天线上的总电荷数为：

(1)

式中：

Q——球形天线上的总电荷数；

ν——球形天线外部体积空间。

通常情况下，高速铁路产生过电压频率的上限一般为几十MHz。而对于300 MHz的电场和磁场来说，由于在近场区域磁场分量极小，此时电场按静电场近似处理，不会产生较大误差。此时球形天线处的电场强度Eo(v)与Q(v)成正比，即：

Eo(v)=KpQ(v)

(2)

式中：

Kp——比例常数，由系统的设计参数确定。

此时测量电极上的电位Uo(t)与Eo(v)关系如下：

(3)

式中：

Ks——比例常数，由系统的设计参数确定;

t——时间。

2 过电压检测电路的设计

由于Q(v)与被测过电压有固定的关系，因此如果检测电路能够测量极化电荷在天线附近产生的电位Uo(t)，则过电压的幅值就可以被间接测得[7-8]。根据此原理所设计的过电压检测电路如图3所示。由图3可知，该电路由4个部分组成，接收放大电路可检测到由瞬时过电压引起的空间电场，且在接收天线上极化电压，并将极化电压放大后输入到滤波电路。滤波电路主要将高压系统的超高频“电晕”杂波滤除，消除测量电极及其引线在过电压作用下产生的由局部放电伴生的高频电磁脉冲干扰。相关文献表明，由局部放电产生的电磁脉冲波的频带分布较宽，大致在125 MHz左右，因此滤波电路主要滤除在该频谱段的干扰。光电转换电路将测量的电压信号转换为光信号，由光缆传输至终端机。根据被测电压信号的频带宽度，将光电转换器的带宽设计为250 MHz则可满足测量要求。光缆的作用可有效防止数据传输过程中所受到周围环境的的电磁干扰，更为重要的是光缆可以有效实现高压检测装置和终端数据处理设备的可靠隔离，保证测量设备和人员的安全。在终端机数据处理环节采用数字滤波器，对经光缆传输的测量信号进行二次滤波。

图3 过电压检测电路原理图

对于检测电压信号，若其伏秒特性包围的面积太小，则由数字滤波器将其滤除。综合考虑高速电气化铁路过电压的伏秒特性，数字滤波器把持续时间小于100 μs且幅值不超过29 kV的脉冲过滤去除。阻抗匹配电路的作用是对接收天线的输入、输出阻抗进行匹配，避免接收天线中的极化波被多次反射而衰减。该检测电路设计的天线的输入阻抗约为75 Ω，阻抗匹配是由可调电阻和可调电容构成的一个复合网络，通过该网络可不断地调节输出阻抗，当输出阻抗与天线的输入阻抗共轭时，则检测电路具有最佳的输出特性。阻抗匹配电路也决定着整个检测电路的频率特性，本检测电路高频特性良好，能够较好地跟踪高频测量信号。

为了分析验证上述过电压检测电路的动态响应特性，对该检测电路分别进行方波激励试验和冲击波激励试验，如图4～5所示。在试验过程中，对检测电路的极化输入端施加宽度为500 μs的方波和脉冲宽度小于50 μs的冲击波，由图4～5所示，检测电路的输出波形具有良好的跟随响应特性。

图4 过电压检测电路的方波响应特性

图5 过电压检测电路的冲击波响应特性

3 检测装置的过电压传输特性

过电压检测装置利用测量电极上过电压产生的电场分量对过电压进行测量和记录,同时通过试验来确定测量电极输入电压与检测电路输出电压之间的关系[10-11]。为此对该检测装置分别做工频过电压传输试验、冲击波过电压传输试验和频率特性试验，以确定在各种激励条件下检测装置的传输特性和输入、输出对应关系。

在实验室采用单相串级工频变压器对该装置做输入、输出测试试验，经数据分析和拟合处理后，检测装置的输入、输出呈线性关系，如下表1所示。由此可以确定，在工频输出激励下，检测装置呈现较好的线性输出特性。

采用冲击波电压发生器(标准波)对装置的测量电极输入冲击波激励，同时记录装置的输出电压，如表2所示。输入、输出电压数据经拟合后呈线性关系，且与在工频激励条件下的输出电压误差不超过0.5 V。

表1 工频激励下过电压传输特性试验

表2 冲击波激励下过电压传输特性试验

高速动车组产生的过电压具有典型的暂态特征，其高频成分含量较高，为了验证检测装置的频率响应特性，采用串联谐振高压信号发生器对装置的测量电极进行频率扫描，记录的部分数据如表3所示。在扫描过程中保持输入的电压幅值5 kV不变，且频率范围为0.5～70 kHz。由表3中的数据可见，过电压检测装置的频率输出特性较好，在试验中未产生“变频”或“移频”现象，能够准确传输和记录动车组产生的高频瞬态过电压。

表3 频率传输特性试验

4 结语

高速铁路动车组的受电弓和接触网是复杂的强耦合系统，在此过程中产生的过电压同样具有特殊性和复杂性。对于高速铁路动车组产生的过电压，牵引变电所通常采用宽频电压互感器或分压式电压互感器进行测量。但需要改变原有一次系统的主接线结构，一般不容易被运营管理部门所接受，且无法测量动车组瞬变过电压中的高频分量。由本文所设计的高速铁路过电压检测装置，利用瞬态过电压与其在空间产生瞬变电场量的关系，检测和记录由动车组产生的过电压。该装置经过工频过电压输入、输出试验和冲击波过电压输入、输出试验，确定动车组产生的过电压幅值与其在近场空间产生的场量呈线性拟合关系。该检测装置的频谱特性试验也证实了该装置有较好的频率输出特性，且高频瞬态过电压几乎可以被“同步”检测和记录。该装置适合安装在高速动车组上或牵引变电所内，对研究和分析高速铁路过电压的产生原因和分布规律，进一步保障高速铁路的安全运行具有重要意义。