■ 王婧

目前，弓网受流电压的测量技术已非常成熟，并在电分相位置的检测、接触网电压的可靠性判断及综合检测的辅助判断中广泛运用。而牵引供电系统是一种特殊的、移动的高压电器，电网电压波动较大，发生操作过电压的概率高，随机性强。因此，针对接触网瞬时过电压的检测研究，对分析接触网供电质量、列车受流质量具有重要意义。结合传统弓网受流电压测量，对新研制的弓网受流电压实时检测系统及其检测方法进行介绍。

1 系统设计概述

接触网持续工作的额定电压有效值为27.5 kV，现有检测系统多采用电压互感器进行二次侧电压获取，经电缆送入采集卡进行数据采集，系统框图见图1。该测量系统结构简单，成本较低，具有接触网电压测量的基本功能。但由于电压互感器铁芯多采用铁磁材料，其工作频率不高，在低频范围（50~1 500 Hz）内有较好的频率响应特性，对高频过电压信号却很难捕捉到。同时，由于电压模拟信号传输路径较长，不可避免地会带来一定程度的线损，难以保证电压测量精度。

为捕捉弓网受流电压的实时变化，研制出新型弓网受流电压实时检测系统。从过电压的理论仿真计算值可知，除雷电过电压外，其幅值最大为115 kV，频率最大约为14 kHz。相比于铁磁材料的电压互感器，软磁铁氧体虽然工作频率很高、铁损也小，但在工频下的磁导率却很低，不能反映电网常态下的电压值，加上漏感、分布电容、磁饱和等因素的影响，也很难保证频率分量丰富的过电压信号不失真，因此通过电压互感器获取信号不适合过电压信号的获取。要获得瞬时过电压，应特制合适频带的分压器以满足测量要求，系统框图见图2。

图1 传统接触网电压测量系统框图

图2 弓网受流电压实时检测系统框图

被测电压由分压器分压后，经屏蔽电缆送到调理电路输入端，由于传输电缆较短，因此能有效减少模拟信号的传输路径，避免信号传输带来的损失及干扰。经过电压隔离传感器调理后，电压信号被二次分压，降低到数据采集单元可采集的范围内，先由高速数据采集单元对其进行模拟滤波、A/D转换，再由数据处理计算机进行数字滤波、公里标叠加、数据转发等处理，然后由分析软件对所存储的有效数据进行波形显示，实现历史数据查询等功能。

2 系统详细设计

2.1 传感器设计

分压器是整个电压测量系统的关键，直接影响测量系统的频率特性和精确度。电阻式分压器结构简单、线性度好、稳定性高。相比而言，电容却有一些固有问题，如漏电、精度不高、线性度较差、有电容初始电荷等，易对测量结果造成不确定的影响。安全性方面，电阻分压器结构简单，填充物可为固体，电容分压器介质多为油质或气体，在振动环境下可能存在漏油爆炸的隐患。可见，选用电阻式分压器既可保证过电压的传输精度，又能实现工频电压的正常提取。因为环氧树脂比空气和变压器油具有更高的绝缘强度，浇铸成型后其机械强度高，且具有优越的防潮、防尘性能，且环氧树脂的介电常数对温度的依赖性（－40～70 ℃温度范围内）仅为1%，可以有效补偿温度对杂散电容的影响，所以该系统选用环氧树脂浇铸电阻式分压器。分压器原理见图3。

根据《TB/ T 3076—2003铁路应用机车车辆电气隐患防护的规定》、《TB/ T 3077—2003电力机车车顶绝缘子技术条件》及《300～350 km/h电气化铁路接触网装备暂行技术条件》等标准的要求，该分压器的具体技术参数见表1。

2.2 信号采集

为确保车顶传感器与数据采集器在恶劣电磁环境下正常工作，系统采集设备均置于车顶屏蔽盒内。被测电压经分压器分压后，通过屏蔽电缆输送入屏蔽盒中的调理电路输入端。由于过电压信号频率较高，且经过二次分压后信号幅值较小，因此选用高速、高精度、大容量的数据采集器。该系统采用的数据采集器可实现高达1 M的采集速率。采集数据经铠装屏蔽千兆以太网电缆传入车内电压检测数据处理计算机进行处理。传感器及数据处理单元见图4。

2.3 软件设计

电压采集软件的基本功能是：实时获得瞬变的电压信号、有效滤除干扰、完整保存原始数据。为了能实时观察过电压，软件需具备电压波形显示及速度里程信息显示功能，并可根据需要调整采集频率。同时，软件需计算电压有效值，转发给弓网检测系统数据集成处理软件，与其他检测项目进行同步显示及存储。软件系统见图5。

图3 分压器原理图

表1 分压器具体技术参数

图4 传感器及数据处理单元实物

电压采集软件的技术关键在于如何实时获得瞬变的电压信号，并能有效滤除干扰，最大限度保留有用信号。由于过电压频率较高，为使信号突变不被当成噪声滤除，不能完全采用傅里叶滤波方式，应采用傅里叶变换与小波变换相结合的滤波方式，先采用傅里叶滤波滤除高频干扰，再采用小波变换去噪。软件界面及实时波形见图6。

图5 软件系统框图

图6 电压采集软件界面及实时波形

3 结束语

弓网受流电压实时检测系统采用电阻分压器及高速数据处理单元实现对弓网受流电压的实时测量，通过研究瞬时过电压，对分析接触网供电质量、列车受流质量具有重要意义。同时，了解过电压特性，可及时采取有效预防措施限制高压侧的过电压幅值，降低车顶高压绝缘子的闪络概率，并对牵引绕组变流器功率元件电压等级的选取有重要作用。

[1] 宫衍圣. 电力机车过关节式电分相过电压研究[J]. 铁道学报. 2008，30(4)：103-107

[2] 郭晨曦，张继元. 牵引供电系统过电压与电力机车、电动车组绝缘水平的选择[J]. 铁道机车车辆，2006，26(4)：65-68

[3] 兰海涛，司马文霞. 高压电网过电压在线监测数据采集方法研究[J]. 高电压技术，2007，33(3)：79-82

[4] 中华人民共和国铁道部. TB/ T 3076—2003 铁路应用机车车辆电气隐患防护的规定[S]

[5] 中华人民共和国铁道部. TB/ T 3077—2003 电力机车车顶绝缘子技术条件[S]