（电力电子与电力传动专业论文）铁路moa在线监测系统研究.pdf

北京交通大学硕士论文 关键词：m o a 在线监测系统，阻性泄漏电流，提升小波，相关分析法， 分类号： a b s t r a c t a b s t r a c t e l e c t r i cr a i l w a yd e v e l o p sp r o m p t l yi no u rc o u n t r y , a tp r e s e n ti th a se x c e e d e d t w e n t yt h o u s a n dk i l o m e t e r s , i ti si m p o r t a n tf o rr a i l r o a d ss y s t e mt ok e e pi t s0 p 训 s a f e t y s i n c em e t a lo x i d ea r r e s t e r ( m o a ) h a se x c e l l e n tv o l t - a m p e r ec h a r a c t e r i s t i c , i ti 。 w i d e l yu s d e di ne l e c t r i cr a i l w a yt o 咄u p o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t y r a i l - i r a c t i o bp o w e r s u p p l ys y s t 锄qh a sm a n yp r o b l e m s , s u c h a sm u c hh i i g hh a r m o n i c s 、u n s t a b l ef r e q u e n c y 、 v o l t a g ef l u c t u a t i o n 、m a n yi n t e r f e r e n c es o u l c 圮$ e t c a l lt h e s eq u e s t i o n s 啪a f f e c ta n d e v e l ld a m a g em o a o n c em o ai si nf a i l t w e , i t nt h r e a tt h e 删k a b i l i t yo fr a i l r o a d p o w e rs u p p l y t h o u g ht h eo n - l i n em o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo f m o a i np o w e rs y s t e mw a s am a t t w et e c h n o l o g y , y e tt h eo n - l i n em o m t o r i n gt e c h n o l o g yo f m o ai ne l e c t r i cr a i l w a y i san e f wq u e s t i o nt ob ed i s c u s s e d t h e r e f o r , i ti sv e r ys i g n i f i c a n tf o rl l st or e s e a r c ho i l t h eo n - l i n em o n i t o r i n gt e c h n o l o g yo f m o ai ne l e c t r i cr a i l w a y f i r s t l y , t h ep a p e rs i m p l yi n l a o d u c e st h ep r e s e n ts i t u a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so f e l e c t r i cr a i l w a y ，t h e ni m p o r t st h ec o n c e p ta n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fm o a f r o mt h e p r o p e r t yo fm o a , w c 啪k n o w t h a tt h ec u r r e n tf l o w i n gt h r o u g hi ti sv e r ys m a l li nt h e n o r m a lr u n n i n gs t a t e , b u tt h ec a p a c i t i v ec u r r e n th a sl i t t l ec h a n g ea n dr e s i s t i v ec u r r e n t w i l lg r e a t l yi n c r e a s ew h e nt h ea t t e s t e rd a m a g e d s oi ti sa l le f f e c t i v em e t h o df o rm o a t oj u d g e gi t sh e a l t hb ym o n i t o r i n gr e s i s t i v ec u r r e n t t h es y s t e ma d o p t st h i sw a yt o r e a l i z ed e t e c t i o nf u n c t i o n 1 1 碡r a i lm o aw o r k si nd i f f e r e n te n v i r o n m e n tw i t hm o ai n p o w e rs u p p l y , y e tt h e yh a v et h es s m et h e o r yo fm o n i t o r i n g s ot h ep a p e rc o m b i n e st h e d e v e l o p m e n tt r e n d so fp o w e rs u p p l ym o ah o m ea n da b r o a dw i t ht h et e c h n i c a l d i f f i c u l t i e st oa n a l y s et h e m w es t u d yo bt h el i f t i n gw a v d dt oe l i m i n a t em u c hh i g h h a r m o n i c sa n di n t c f f e r e n c os o u r c e w ea l s or e s e a r c ho nc o r r e l a t i o na n a l y s i sm e t h o d , w h i c hi se x c e l l e n ti na n a l y s i n gt w os i g n a l sr e l a t i v i t y t h es y s t e ma d o p t si m p m v e d f u n d a m e n t a lw a v em e a s u r e m e n tm e t h o da sc o n t r o ls c h e m e ,w h i e l li sam e 娜 c o m b i n i n gt r a d i t i o n a lf u n d a m e n t a lw a v em e a s u r e m e n tm e t h o dw i t hl i f t i n gw a v e l e t f i l t e r i n ga n dc o r r e l a t i o na n a l y s i sm e t h o d c o m p a r i n gt ot r a d i t i o n a lw a y , i tc a na v o i d f r e q u e n c ys p e c t r u ml e a k a g eo ff f rf o ri n a c c u r a c ys a m p l i n ga n di t a l s oc a ns o l v et h e n o i s eq u e s t i o na n di n t e r f e r e n c ei ns y s t e m b a s e do nl a r g em a t l a bs i m u l a t i o no fl i f t i n gw a v e l e ta n dp s p i c es i m u l a t i o nf o r s y s t e m , w ed e s i g nt h eo n - l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo fm o ai nr a i l r o a dt r a c t i o np o w e r s u p p l ys y s t e m i tc o n t a i n st h r e ep a r t s ：u p p e rp c 、s l a v ec o m p u t e ra n dc o m m u n i c a t i o n v i i 北京交通大学硕士论文 c i r c u i t t h et h em a i nf u n c t i o no fu p p e rp ci st oc o n t r o ls a l v ec o m p u t e ra n df i n i s ht h e f u n c t i o no fm o n i t o r i n gi n t e r f a c e t h es l a v ec o m p u t e ri sa m 捌哪l f i n ga p p a r a t u sf o r r e s i s t i v ec u r r e n to fr a i h o a dm o a t h eh a r d w a r ec i r c u i to f 咖u s e sd s p t m s l f 2 4 0 7a sac o r ec o n t r o lc h i p ，t h i sc i r c u i tc a l lf i n i s hs a m p l i n gs i g n a l s 、e l i m i n a t i n g n o i s e 、f i l t e r i n g 、d a t ap r o c e s s i n ga n dc o m m u n i c a t i o nt ou p p e rp c w es e l e c tc a n a st h e c o m m u n i c a t i o nb u st oa c h i e v ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n , w h i c hi sf a c i l i t ya n de a s yt o e n l a r g es y s t e m c o n s i d e r i n g t h es y s t e mw o r k i n gi n c o m p l i c a t e d i n t e r f e r e n c e e n v i r o n m e n t w e ) t a k et h ed o u b l em e 组s l t r e st oc a r r yo u ta n t i - j a m m i n g a tl a s t ，w em a k es i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti nl a b o r a t o r yf o rt h i ss y s t e m t h r o u g ht h e p r e c i s i o ne x p e r i m e n t 、v e r a c i t ye x p e r i m e n to fi t s e l f , w ec a np r o v et h a tt h es y s t e mi s c o r r e c ta n dc r e d i b l e t h r o u g hm e a s u r i n gm o ar e s i s t i v el e a k a g ec u r r e n te x p e r i m e n to f m o n i t o r i n gs y s t e m , i tp r o v e st h a tt h es y s t e n n s a t i s f i e st h vn e e do fe n g i n e e r i n g m e a s m e m e n l k e y w o r d s ：t h em o n i t o r i n gs y s t e mo fm o a , r e s i s t i v el e a k a g ec u r r e n t , l i f t i n gw a v e l e t , c o r r e l a t i o na n a l y s i sm e t h o d c h o s n o ： v m 致谢 本论文的工作是在导师刘明光教授的悉心指导下完成的，从论文的选题、系 统方案的设计、实验现象的分析及论文的审阅等方面都凝聚着导师的心血，导师 严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响在此衷心感谢三年 来刘明光老师对我的关心和指导。 在实验室工作及撰写论文期间，秦小灵、郭兴、李忠桥，焦剑扬、徐志强、 陈新军等同学对我的研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外在读研期间得到了家人的充分理解和支持，使我能够在学校专心完成我 的学业，在此表示深情谢意。 l l i 绪论 1 绪论 1 1 进行铁路m o a 在线监测研究的意义 1 1 1 电气化铁路的发展概况 铁路运输是当前我国长距离客货运输的主要方式，运输的载体是列车，铁路 的牵引动力设备是机车，铁路的使用的机车有蒸汽机车、内燃机车和电力机车三 种，与此对应的铁路牵引方式是蒸汽牵引、内燃牵引以及电力牵引。 由于蒸汽机车速度慢、功率小、效率低、污染环境等，因此已经逐渐退出历 史舞台，内燃机车相对于蒸汽机车虽然有很大进步，但是依然无法避免效率和环 境问题，突出问题是它的能量来自石油，而中国则是一个石油资源相对短缺的国 家，因此，从长远来说内燃机车不会成为我国铁路的主力牵引方式 电力机车使用清洁的电力能源，电源来自电网，本身不带能源，大大减轻了 机车的重量，简化了机车的设计，最重要的是，电力机车具有功率大，运输能力 强，速度快等优点，当前世界各国除英国研制的高速准高速铁路外，均为电力机 车( 包括磁悬浮列车) ，可见采用电力牵引是当前铁路的发展方向，所谓的电力牵 引就是由外电源供给动力车电能的方式，采用电力牵引的铁路成为电气化铁路 电气化铁道是应用电能作为牵引动力的一种现代化交通运输工具”。从1 8 7 9 年柏林贸易展览会展出世界上第一条电气化轨道至今已经有一百多年的历史其 间电气化铁道经历了直流到交流，低压到高压的过程，由于它的效率高、运量大， 速度快以及清洁等优点在世界各国得到飞速发展。我国的第一条电气化铁路是宝 成铁路的宝鸡至风州段，始建于1 9 5 8 年，于1 9 6 0 年完工；其后，凤州一成都段， 阳安线、石太线、成渝线、京秦线、等等电气化铁路纷纷建成，截止到2 0 0 0 年底 我国电气化铁路总计1 4 7 7 0 k m ，约占全部铁路营运里程的四分之一。从2 0 0 1 年起， 我国开始实施第十个五年计划，在“十五”期间，除完成“九五”期间已经开工的 几条线外，还将修建宝兰二线、广深四线、津沈线、京沪线、沪杭线、浙赣线、 郑徐线、胶济线、新月线、洛襄线、石怀线、武张线，沟海线等既有线电气化铁 路和宁西线、渝怀线等新线电气化铁路，建设里程达9 0 0 0 多k m ，预计到2 0 0 5 年， 我国电气化铁路总里程将达到2 0 0 0 0 k i n ；到2 0 1 0 年将达到2 6 0 0 k m 。 北京交通大学硕士论文 1 1 2 电气化铁道的组成及工作原理 作为电气化铁道牵引动力的电力机车，本身不带能源，必须从外部电源和牵 引供电系统获得电能，经变换后输送到牵引电动机，使牵引电动机旋转来驱动车 轮转动进而牵引列车运行。因此电气化铁路除了一般的铁路线路、车站、通信、 信号设旌外、还包括特殊的牵引供电系统、电力机车及相应的运行、维修和管理 单位供电段、电力机务段、电力调度及其主管部门等。 电气化铁道供电系统的原理如下图1 - 1 所示，电能从电厂发出以后，经过变 换电压，通过高压输电线或者先经过电力系统的变电所再经过高压输电线到达牵 引变电所，经过变换电压通过馈电线输送至接触倒，电力机车通过受电弓从接触 网获取电流带动自身牵引电机驱动机车前进，最后电流通过钢轨以及回流线回到 牵引变电所，图中表示出了电流的方向。以上个部分构成了整个电气化铁道供电 系统的一次回路其中l 、2 、3 、4 、5 称为电气化铁道的一次供电系统，主要完 成发电、变电和输电功能。6 为牵引变电所，主要功能是把一次供电系统送来的电 力系统三相1 1 0 k v 或2 2 0 k v 交流电流变换为低电压的适合电力机车所要求的单相 2 5 k v 交流电流，7 位接触网，主要把电能送到电力机车，9 为回流线，主要把轨道、 地中的牵引回归电流导入牵引半变电所的主变压器，1 3 为馈电线，主要功能是把 牵引变电所所变换的电能送到接触网。 图1 - 1 电气化铁道供电系统原理图 f i g u r e1 - 1e l e c l r f i c a t i o nr a i l w a y sp o w e rs u p p l ys y s t e m 卜发电机；2 - 电厂变电站；3 - 电厂母线；4 一电力系统变电站；5 - 变电站母线； 2 6 一牵引变电所；7 一接触网；8 一受电弓；9 _ 回流线；1 0 - 相分段；1 1 钢轨；1 2 - 高压 输电线；1 3 獭电线；1 4 一接地网；1 5 一高压输电线 通常把馈电线、接触网、轨道、大地和回流线称为牵引网，把牵引变电所和 牵引网称为牵引供电系统牵引变电所的功能是将三相的1 1 0 k v 高压交流电变换 为两个单相2 7 5 k v 的交流电，然后向铁路上、下行两个方向的接触网( 额定电压 为2 5 k v ) 供电，我国的电气化铁道采用单相工频交流制，牵引变电所沿铁路沿线 配置，通过馈电线向接触网输送电流，为了平衡电力系统的三相电流以及利于牵 引供电系统的保护动作通常在接触网的中间断开，分为互相绝缘的两部分。由 两边的变电所分别供电，每一部分称为一个供电区，也称为供电臂，供电臂之间 通常电压相位不同，需要有分段绝缘装置连接，称之为相分段，如图l - 1 中的l o ， 有的在两个供电臂之问设有分区亭，分区亭中设有开关装置，必要时可以闭合使 两个供电臂连接，我们称之为越区供电 电气化铁道的供电方式可分为单边供电和双边供电两种方式，所谓的单边供电 是在电气化铁道上行驶的机车，只接受一个方向供电臂牵引变电所的电流，当出 现事故时，只会影响到一个供电臂，波及范围小，所谓的双边供电，是机车通过 开关连接两个临近供电臂可以获取前后两个变电所的电流这种情况下机车可以 获得较高的供电质量，但是继电保护设备也相对比较复杂，我国一般不用。 1 1 3 电气化铁路的特点及供电要求 电气化铁道自建立以来，得到不断的发展和广泛的应用，是因为电气化铁路 自身的特点所决定的，从优点上来说：拉得快。跑得快、运输力大可以满足重 载、高速、大运量的方式，节约能源消耗、能综合利用能源、电力牵引是从电力 系统取得电能，而电力可以综合利用水能、太阳能、风能、石油、天然气等，它 的电力牵引总功效为3 0 ，经济效益好，可以降低运输成本，对环境无污染、劳 动条件好，有利于实现净化运输，有利于铁路沿线实现电气化。 虽然电气化铁路有很多这样那样的优点，但作为一种不很成熟的技术，它也 不可避免的存在着下列缺点：给电气化铁道牵引负荷供电的电力系统造成负序电 流和负序电压的产生、功率因数低、高次谐波含量多等不良影响；干扰能力大， 对沿电气化铁路架设的通信线路有干扰；基建投资比蒸汽牵引和内燃牵引大，接 触网检修需要“天窗”时间 对于电气化铁道的基建投资大和检修时间的缺点可以用基建投资回收及运输 能力大的优点而得到弥补，但对谐波含量大、干扰能力强这些问题要采取谐波滤 除和提高功率因数等行之有效的方法进行克服和改进 3 北京交通大学硕士论文 电气化铁路系统中，不像电力系统，有备用线，它没有备用线，一旦停电会 造成具大的经济损失和铁路事故，因此电气化铁道对供电很高的要求，具体要求 如下： ( 1 ) 保证向电气化铁路安全、可靠、不间断的供电 ( 2 ) 提高供电质量，保证必须要的电压水平 ( 3 ) 提高功率因数、减少电能损失，降低工程投资和运营费用； ( 4 ) 尽量减少单相牵引负荷在电力系统中引起的负序电流、负序电压和高次谐 波的影响； ( 5 ) 尽量减少对邻近通信线路的干扰影响 1 1 4m o a 的工作原理及其在电气化铁路中的应用 从上面1 1 3 节中电气化铁路的对供电要求可以看出：电气化铁路对供电可靠 性的要求很高，不能停电，因此保证供电的正常可靠是电气化铁路运营的首要问 题，总所周知，雷电过电压是引起电气设备破坏，进而供电不可靠的重要原因之 一，因此要想保证铁路的安全供电，就必须对牵引供电系统进行保护，这样就引 入了避雷器设备。 避雷器是用在电力系统中一种主要的保护设备，其接线方式是与其它的电气 设备并联。当电网电压升高达到避雷器规定的动作电压时，避雷器会瞬间击穿， 对大地发生放电，使积累的电量流入大地，从而将电网电压升高的幅值限制在一 定水平之下，使被保护电气设备的绝缘避免击穿或受损当过电压消失后，它又 可以自动将工频电弧电流截断，恢复至正常运行状态避雷器实际上也并非避免 雷击，而是将雷击引起的过电压限制到一定的水平，除了限制雷击过电压外，还 能限制一部分操作过电压 目前，我国常用的避雷器主要有三种：即管型避雷器，阀型避雷器和金属氧 化物避雷器。其中以氧化锌避雷器为主，氧化锌避雷器的开发是过电压保护装置 的一次突破，使避雷器从火花间隙走向无间隙。氧化锌避雷器具有保护特性好、 可靠性高、通流能力大、结构简单等优点，能对输变电设备提供最佳保护，使避 雷器性能有了极大的提高。电压等级比较高的变电所普遍采用氧化锌避雷器。 避雷器虽然是侵入波保护装置，是一种过电压限制器，但其保护功能是通过 释放电量完成，能量是以电流的形式流入大地而实现的。冲击电压消失后，避雷 器恢复电压即系统的工频电压，此时，避雷器在工频电压的作用下从内部和外部 向大地流过微小的泄漏电流。我们在工作现场对避雷器的性能检查和试验主要就 是对其施加各种电压，监视避雷器的不同的泄漏电流来判断其性能好坏，所以研 4 绪论 究避雷器在各种电压的泄漏电流，有着十分重要的意义 把避雷器应用在牵引供电系统中，由于牵引供电所的环境复杂，因此对避雷 器的性能和可靠性要求较高，金属氧化物避雷器( m o a ) 由于具有优良的性能， 如无间隙、结构简单、体积轻小，无续流，通流能力大，非线性系数小等优点， 因而基本上取代了过去的碳化硅避雷器，大面积的使用在铁路的牵引供电系统中， 对电气设备进行保护，保证供电的可靠性，在牵引变电所单线区段和双线区段的 供电方式下，它的接入位置如图l - 2 、l _ 3 所示： l 之牵引变电所的单线区段的一边供电方式及m o a 保护接入 f i g u r e1 - 2o n e s i d ep o w e rs u p p l yp a t t e r n so f t r a c t i o ns u b s t a t i o ns i n g l el i n es e c t i o na n d m o a p r o t o c f i o na 1 - 3 牵引变电所的双线区段的同相一边并联供电方式及m o a 保护接入 f i g u r e1 - 3t h es a m ep h a s eo n es i d ep a r a l l e lp o w e rs u p p l yp a t t e r n so f w a t t o ns u b s t a t i o n d o u b l el i n es e c t i o na n dm o a p r o t e c t i o na c c e s o 接入避雷器，可以有效地防止雷击过电压对牵引变电所设备的的危害，有效 5 北京交通大学硕士论文 的保证电气化铁路的供电可靠性和铁路的有效运营。 1 i 5 铁路m o a 在线监测的意义 虽然m o a 可以有效的防止雷击过电压，保护牵引供电的设备，但是由于m o a 本身也会出现老化、受潮、等问题，出现这些问题时，m o a 会失效起不到保护的 作用，因此铁路牵引供电的可靠性就受到很大威胁，事实证明，牵引供电中的m o a 故障造成的直接损失是巨大的，而铁路系统中由供电中断造成的间接损失更是无 法估量的，经调查统计，在铁路的牵引供电系统中的m o a 事故中，本身质量问题 引起的占大多数，运行中的m o a 劣化时，即：当电阻老化、受潮、内部绝缘部件 受损及表面污秽严重时，它将导致避雷器爆炸、中断供电，给铁路的安全运营带 来极大的危害，另外在牵引供电系统中，由于它的负荷是电力机车，负荷特性具 有冲击性、非线性，使得系统电压波动性大，谐波分量大，干扰性强化，因此， 作用在m o a 上的工作电压不稳定，频率响应复杂，这些因素会加重m o a 的工作 负担。会引起电阻阀片老化，给牵引供电带来隐患，因此，为了保证铁路牵引供 电的安全，最有效的方法之一就是对m o a 进行在线状态监控，及时的发现m o a 的劣化情况，进行更换，以保证牵引供电的安全、可靠；对于m o a 来说，当电阻 老化时、避雷器受潮、内部绝缘部件受损及表面污秽严重时，容性电流变化不多， 阻性电流却大大增加，故监测运行电压下的泄漏电流是最简单、最能反映m o a 运 行状态的综合情况 铁路m o a 在线监测技术对铁路牵引供电的发展具有重大意义，归纳起来主要 有： ( 1 ) 目前m o a 的监测技术作为一项成熟的技术，都是针对电力系统的电力 设备，没有对牵引供电系统的m o a 在线监测进行研究，因此铁路m o a 的在线监 测是一个全新的话题，虽然牵引供电系统与电力系统相似，但由于负荷电力机车 的影响，它存在着高次谐波含量大、干扰多等严重问题，它比电力系统的环境更 加的复杂，进行铁路m o a 的研究时要考虑到更多的因素和问题，它是一项开创性 的研究 ( 2 ) 目前电气化铁道的迅速发展、铁道运输的提速和高速列车的发展要求牵 弓l 供电系统更加安全、可靠地运行、尽量减少停电次数，铁路m o a 在线监测技术 对m o a 的实时安全监测，准时的发现m o a 的劣化状况，及时更换m o a 设备， 可以有效的保证牵引供电的安全可靠性。 ( 3 ) 铁路m o a 在线监测系统是集先进的检测技术、消噪技术、数据处理技 术、通讯技术、抗干扰技术为一体的系统，在线监测不需要定时停电，人工检修， 6 绪论 避免了大量停电操作和高空拆装引线、临时布置试验场地等带来的不安全因数， 有效的保证了电气化铁道的安全运营和经济效益。 1 2 国内外m o a 在线监测的发展现状及存在问题 由于铁路m o a 在线监测是一个全新的课题，因此，没有国内外的资料进行参 考，但由于牵引供电系统与电力系统有相似之处，而电力系统的m o a 在线监测已 是成熟的技术，我们可以用国内外电力系统的m o a 在线监测发展现状和存在问 题，进行分析和借鉴，并结合牵引供电系统的自身特点对铁路的m o a 在线监测 技术进行相关监测方案的设计和研究。 1 2 1 国内外电力系统m o a 在线监测技术的发展现状 我们先来看一下电力系统行m o a 在线监测技术的发展现状，据行业资料，从 1 9 7 9 年国家电力部电力科学研究院研制出我国第一组1 1 0 k v 氧化锌避雷器并投入 试运行以后，各个生产厂、科研单位、大专院校也相继将其研制的1 1 0k v 和2 2 0 k v 的m o a 产品或样品在全国各地投入试运行，这些试运行点分布于我国的不同 区域，气候及地理条件差异很大，因此大量监测设备用于监测m o a 的健康状况， 目前常用于监测m o a 运行状况的方法主要有以下四种： ( 1 ) 全电流监测法：直接在m o a 接地端，串接交流毫安表，平时将其用闸刀 短路，读数时则将闸刀打开，流过毫安表的电流可视为总泄漏电流该法主要优点 是方法简便，适于在现场监测的大量使用，能够及时发现m o a 的显著劣化状况； 缺点是对发现m o a 的早期老化很不灵敏，在运行初期，流过正常m o a 的全电流 中，阻性分量仅占全电流的1 0 2 0 ，阻性分量即使已有显著增大，在测量 全电流的变化仍不明显 ( 2 ) 三次谐波法： m o a 的伏安特性以f = 妇，= 厂( ) a 【，卢为非线性系数， 为高次谐波电流，u 为电网电压) 表示，由于m o a 良好的非线性特性，导致全 电流中的阻性分量不仅包含有基波，而且还有3 次、5 次和更高的谐波，其所占分 量逐渐减少。三次谐波对温度变化很灵敏，早期老化期阻性电流的变化又主要表 现为阻性电流的三次谐波分量的上升由阻性全电流，与各次谐波之间存在一定的 比例关系( 5 次以上的谐波分量含量少，可忽略) ，故通过测量三次谐波阻性电流的 大小，可得到总的阻性电流值该法的缺陷是( 1 ) 母线电压中含有一定比例的谐波电 压，由此产生的容性谐波电流对测量结果会产生误差；( 2 ) 不同类型m o a 老化后 的阻性电流高次谐波分量变化规律不一样，要定量判断m o a 的老化难以定出统一 7 北京交通大学硕士论文 的标准 ( 3 ) 谐波电流补偿法：氧化锌避雷器阀片的劣化或老化反映为阻性电流增大， 因此直接测量阻性电流能反映氧化锌避雷器的健康状况补偿法的原理就是抽取系 统电压补偿总泄漏电流中的容性电流分量，以得到阻性电流分量目前国内使用最 多的是l c d - 4 泄漏电流测量仪，对单支m o a 旌加波形良好的电压，测得的阻性 电流较为精确，但三相运行时存在以下问题：( a ) 三相避雷器一字型安装，由于相 间耦合电容和电磁干扰，使各相避雷器除受本相电压作用外，还通过相间耦合受 到相邻相电压的作用，从而影响监测结果的准确性三相的测量结果是a b c ，对 于1 1 0 k v 系统，a 、c 相间的误差约为1 0 ，3 3 0k v 系统误差达到2 5 ，系统 电压等级越高，误差越大。( b ) 氧化锌阀片非线性支路的交流伏安特性曲线在电压、 电流过零情况下不同程度的存在滞回现象，这说明在电网电压为正弦函数波形时， 流过m o v 的电流波形峰值与电压波形峰值不重合，电流波形呈现奇谐函数的形 态，测出的阻性电流存在较大误差，非线性支路电流基波误差可达到1 5 。( c ) 当 电两电压含有谐波成分时，此法不能去除容性谐波电流，造成阻性谐波电流误差 ( 4 ) 基波法：通过采用数学谐波分析技术从总泄漏电流中分离出阻性电流的 基波值，并以此来判断氧化锌避雷器的健康状况该方法还称为投影法，它的显著 特点是：( a ) 有效抑制了电网电压中的谐波干扰氧化锌避雷器的总泄漏电流中的谐 波分量有两个来源：m o v 的非线性特性对电网基波电压的响应和含谐波成分的电 网电压造成的谐波阻性电流因此电网电压谐波含量不同，总阻性电流的测量结果 就不同但无论电网中的谐波含量如何，阻性电流的基波值是一定的所以，阻性电 流的大小取决于m o v 的老化状况嘞基波功耗反映了氧化锌避雷器的健康状况 由于m o v 的非线性特性。其阻性电流既含有基波分量。也含有高次谐波分量在 基波电压作用下，阻性电流中只有基波分量做功，高次谐波分量不做功电网中存 在高次谐波分量时，高次谐波阻性电流分量所产生的功耗较小，而研究氧化锌避 雷器泄漏电流的主要目的就是为了研究避雷器由于劣化而产生功耗发热的状况。( c ) 易排除相问干扰对测量值的影响实际运行中的三相避雷器，由于相间干扰，使避 雷器底部的总泄漏电流的相位发生变化，造成了测量误差。而采用数字谐波分折 技术，可测出移相角并加以校正。 从上面可知，这几种监测方法是针对m o a 特点的通用监测方法，对于电力系 统适用，同样对于牵引供电也适用，在进行铁路m o a 在线监测时可以考虑采用以 上方法进行监测。 1 2 2 铁路m o a 在线监测存在的问题 氧化锌避雷器本身的运行工况非常复杂，铁路牵引供电系统中，相比电力系 统，存在更多更大量的高次谐波和强大干扰等问题，在这样复杂的环境中，进行 铁路的m o a 在线监测有一定的难度，主要表现在： ( i ) 电压波动：牵引供电系统的唯一负荷是电力机车，负荷特性具有冲击性、 非线性，使得系统电压波动性大，电压波动的影响在实际运行电网中，由于整个 系统结构复杂，监测过程中在电压波动的情况下，各测试点所对应的外施电压值 不相同，因此可能会影响监测结果的精度，得出不正确的结论需要考虑对电压 波动产生的测量结果进行修正，但是由于m o a 的非线性特性，在老化的过程中基 准电压和基准电流i o 很难确定，因此目前求得精确修正系数是一个较难的问题 ( 2 ) 谐波的影响：牵引供电系统中还存在严重的高次谐波，它会导致供电 系统电压波形畸变，造成供电系统电力电容器故障，并且高次谐波电流在线路上 流通，可能使线路产生谐振，引起线路过电压，在谐振情况下，容易使电缆输电 线路的绝缘降低，引起放电或击穿，在通讯等弱电线路中会产生静电感应和电磁 感应，增加了通讯等弱电线路内的噪音和信号失真，影响运行效果电压谐波的 影响州取决于其谐波的含量和谐波的相位，3 次谐波影响最大，各次谐波含量的影 响均类似，谐波含量增大，阻性电流及其谐波分量也增大，但各次谐波相位的影 响则明显不同，3 次谐波相位为0 时泄漏电流全电流偏小，相位为石时泄漏电流 全电流偏大，5 次谐波的影响与之相反，受谐波影响最大的是i p a ，其次是i r ，受 谐波影响最小的是l a t ，因此，在氧化锌避雷器的监铡过程中，要充分的考虑到这 些谐波的影响 ( 3 ) 现场干扰：在铁路牵引供电系统中，现场测量时，除了m o a 内部在正 常的电压下存在或多或少的局部放电现象和信号采集过程中因屏蔽不好所受到干 扰外，现场测试还受到大薰的电磁干扰及信号通道热噪声的影响，系统采集到的 泄漏电流信号波形往往含有大量噪声，使测量不准确；干扰问题一直是影响在线 监测系统安全可靠运行的重要因素。 ( 4 ) 传感器取样不精确：现在常用的小电流互感器，为了追求灵敏度大都采 用软磁芯，其磁性易受外界条件( 如温度、压力，冲击等) 的影响，被测信号的 大小不同也会影响传感器自身的角差，目前，从电压互感器抽取基准电压的方法 大多是从p t 的二次侧抽取，实践证明，其误差较大，同时也增加了现场安装的复 杂性 ( 5 ) 温度和湿度的影响”：由于m o a 的氧化锌电阻片在小电流区域具有负 的温度系数及m o a 内部空间较小，散热条件较差，加之有功损耗产生的热量会使 9 北京交通大学硕士论文 电阻片的温度高于环境温度。这些都会使m o a 的阻性电流增大，电阻片在持续运 行电压下从+ 2 0 + 6 0 ，阻性电流增加7 9 ，而实际运行中的m o a 电阻片温 度变化范围是比较大的，阻性电流的变化范围也很大。 湿度比较大的情况下，一方面会使m o a 瓷套的泄漏电流增大，同时也会使芯 体电流明显增大。尤其是雨雪天气，m o a 芯体电流能增大l 倍左右，瓷套电流会 成几十倍增加。m o a 泄漏电流的增大是由于m o a 存在自身电容和对地电容，m o a 的芯体对瓷套、法兰、导线都有电容，当湿度变化时，瓷套表面的物理状态发生 变化，瓷套表面和m o a 内部阀片的电位分布也发生变化，泄漏电流也随之变化。 对于整个监测系统来说，还存在信号处理算法不够完善，在线监测到大量数 据的存储、处理和识别问题、缺乏行之有效的诊断理论与方法，及系统稳定性问 题。 1 3 铁路m o a 在线监测系统的解决方案 要解决以上存在的问题，除了要求测试设备有很高的抗干扰能力外，还要考 虑到采样设备的精度，以及对采样信号进行有效的去嗓和滤波处理，考虑到牵引 供电系统的复杂性，本文引入上位机进行现场数据存储及调用，该装置通过对 m o a 泄漏电流的实时不间断的监测来反映避雷器性能的好坏，值班人员可以在控 制室里通过主控界面上泄漏电流数值显示直接了解各路m o a 的运行情况，解决了 检测故障即时性差的缺陷，实现了数据远传的功能，不仅如此，系统还能向各级 调度控制中心的计算机提供远程通讯接口，使避雷器的运行参数进入各级调度的 信息系统，为无人值守提供了有效的手段 另外，由于m o a 在正常工作电压下的等值电阻非常大，泄漏电流数量级为 微安培；当雷电过电压作用时，m o a 伏安特性的非线性使其等值电阻变得很小， 可通过数千安培的冲击电流( 标称放电电流为5 k a ) ，因此要采取相关措施使监测设 备不被损坏，并且，m o a 大多安装在户外，遭受日晒雨淋，工作环境恶劣，还要 考虑到设备的密封性问题。因此，对m o a 泄漏电流的在线监测装置必须满足以下 基本要求川： ( 1 ) 前端要选用测量精度较高的传感器，保证系统的监测精度，要能够监测 到微安数量级的小电流。 ( 2 ) 设备要有较强的抗干扰能力，能在强电磁场下工作，对采样数据有一个 行之有效的处理方法 ( 3 ) 考虑到在线监测系统的过流保护能力，使m o a 在雷电过电压作用下动 作时，在线监测装置不应被冲击大电流损坏 1 0 ( 4 ) 考虑在线监测系统的工作环境，m o a 在线监测装置密封性要好，不受 环境影响。 ( 5 ) 建立上位机管理系统，使下位机可以与上位机实时通信，便于管理历史 数据，并且读取监测数据方便。 1 4 铁路m o a 在线监测的发展趋势 虽然电力系统的m o a 在线监测技术日趋成熟，但铁路m o a 在线监测技术却 是一个全新的问题，虽然它与电力系统m o a 在线监测原理相似，有很多可以借鉴 之处，但与电力系统相比较它存在以下几个问题：高次谐波含量多，电压频率波 动大，有大量的噪声和现场干扰等问题，因此进行铁路m o a 在线监测时要充分的 考虑到这些因素的影响，采取相关的有效措旄来解决，综合起来，它今后的发展 趋势为： ( 1 ) 铁路牵引供电系统中环境复杂，要充分的考虑到高次谐波、电压波动、现 场干扰大等因素对在线监测技术的影响，从滤除谐波和抗干扰发方面进行考虑， 不要仅仅停留在实验室研发阶段，要加强现场试验的进行，通过现场大量实验来 分析现场干扰、噪声，谐波、温度，湿度等对m o a 泄漏电流的影响，总结m o a 特征参数变化的原因。 ( 2 ) 由于在牵引供电系统中干扰大的环境下，提取m o a 的小电流信号尤其困 难，而小电流信号却是系统分析计算的关键部分，它的不准确，会造成整个系统 的误差和精度问题，针对这个问题，要提高m o a 在线监测技术中传感器的灵敏度， 尽量保证所提取的电流的准确度 ( 3 ) 铁路m o a 在线监测系统会像电力系统发展一样，它的发展方向是综合自 动化监测技术，在主控室对持续运行电压下m o a 的持续运行电流( 泄漏电流) 在线 监测，及时发现m o a 故障，并自动变送报警的无人值守牵引变电所将会成为铁路 牵引供电系统中运行及监控的主要方向和手段。 1 5 本文研究的主要内容 l 、本文以铁路m o a 为研究对象，研究牵引供电系统中m o a 在线监测的方 法及监测基本原理。 2 、针对铁路牵引供电系统中环境复杂，高次谐波含量大、干扰能力强及要求 测量精度要求较高等问题，结合电力系统中m o a 常用的监测方法，分析传统基波 测量法优点及存在的问题，提出了把传统基波测量法与提升小波消噪、相关分析 北京交通大学硕士论文 法求得c o s 8 结合起来的方法，最终求得阻性泄漏电流。 3 、考虑到牵引供电系统中，对通信干扰大的情况，利用抗干扰力强的c a n 总线和c a n2 0 b 协议完成系统的通信 4 、完成铁路m o a 在线监测系统的硬件设计、器件选配，p c b 板绘制，使用 c ，c 件编写系统软件，用v b 编写系统控制界面，完成系统控制及数据存取功能 5 、在实验室搭建低压模拟试验线路，进行硬件的调试，验证基予d s p 监控的 铁路m o a 在线监测系统的可行性 铁路m o a 在线监测的原理与方法 2 铁路m o a 在线监测的原理与方法 2 1m o a 在线监测的基本原理 电力系统的m o a 在线监测技术与铁路m o a 的在线监测的对象都是m o a ， 虽然对其监测时处于的外界环境不同，但是它们的监测原理是一样的。下面我们 通过对m o a 本身性质进行考察，介绍m o a 在线监测的基本原理。 2 1 1m o a 性质简介 氧化锌避雷器( m o a ) ”的基本结构是阀片，阀片以氧化锌为主要成分，并 添加了少量的b i 2 0 3 、c 0 2 0 3 、胁0 2 、砌0 3 等金属氧化物添加剂，将它们充分混 合后，造粒成型，经高温焙烧而成的，这种阀片具有优良的非线性和较大的通流 容量，由于氧化锌避雷器的阀片是由金属氧化物组成的，所以有时也称为金属氧 化物避雷器，并用m o a 表示 氧化锌阀片的非线性特性主要是由晶界层形成的，若用显微镜观察阀片，看 到在直径约1 0 u m 的氧化锌晶粒周围包有添加剂形成的厚约0 1 u m 左右的晶界层， 这种晶界层在界面上产生位