顾立新

（中国铁路设计集团有限公司）

0 引言

近年来随着我国轨道交通事业的蓬勃发展，国家于2016年提出的“八纵八横”高铁规划正逐步实施落地，我国的铁路接触网事业正逐步稳定高速发展起来，与此同时作为高速铁路的重要动力来源牵引供电系统面临巨大的压力。接触网线路露天架设，自然环境恶劣，且线路无备用线路，一旦线路发生跳闸，无疑面临巨大的经济损失，接触网故障跳闸除雷击以外，一般都是由自然条件演变而来，类似绝缘子污闪，承力索断股，线路覆冰以及部分上网线下方施工造成，提前对线路隐患进行预警有助于线路及早排除故障，接触网隐患成为众多学者研究的重点课题。

1 接触网模型简介

我国国土面积辽阔且地形复杂，山地丘陵区域居多，这导致我国高速铁路在修建时需要跨越各种区域，从而给接触网唯一的动力来源牵引供电系统带来巨大压力，由于牵引供电系统无备用线路，一旦线路发生跳闸，必须在最短时间内快速清除故障，否则严重影响了高铁营运时间，因此牵引供电系统供电稳定性具有重大意义。而牵引供电系统不同于高压输电系统，其独特的运行模式导致线路上可实现的故障监测点数量有限，以下为牵引供电系统的模型简介。

牵引供电系统为电力系统下级重要用户，隶属于电力系统的一级用户，通常由发电厂输送电能至牵引变压器，通过斯科特牵引变压器进行三相变两相给牵引供电系统进行三相转两相或者单相，从而给牵引供电系统供电，所内变压器采用一主一备供电方式运行。以下以AT供电方式为例，介绍AT供电方式主要设备。

1）牵引所内：牵引变压器、断路器、避雷针、电压／电流互感器、部分测量装置。

2）接触网：承力索、接触线、正馈线、保护线、支柱及钢轨、回流线及部分通讯装置。

3）分区／AT所：开关、断路器、变压器及上下行连接装置。

图1 为AT全并联供电方式的结构示意图，高铁沿接触网线滑动取电，由于线路结构的特殊性，无法在承力索和接触网线上实现对全线路的检测，因此只能通过接触网的网线上和AF线上实现对线路的检测，因此需对T线实现隐患监测必须位于接触网各所上网线上进行传感器安装监测。

图1 AT供电方式接触网示意图

2 接触网隐患常见类型

接触网线路常年暴露在空气中，依据接触网历史隐患跳闸统计，由于地域气候等原因会出现较大的南北差异：北方风沙较大，会出现绝缘子污闪放电长时间积累导致线路发生跳闸；南方由于天气较好，会导致树苗疯长，从而导致树闪放电；在西南区域，常常会因线路覆冰过多导致接触网线路发生跳闸；各类自然天气带来的恶劣条件；以及由于接触网供电线下方施工导致的线路存在隐患。因此，接触网隐患故障分类如图2所示。

图2 接触网故障原因分类

图2 基本为我国接触网主要的隐患故障原因分类，以上各种类型基本为渐发型故障，因此只需要在隐患发生时及时排除故障，可实现线路的安全隐患排除即可避免接触网发生故障跳闸，因此本系统从隐患本质出发，当接触网隐患产生时线路开始放电进行线路的监测。

3 系统设计

上述分析了接触网常见的隐患类型，基本为渐发型故障，当故障还未发生前利用现代数字图像与人工智能波形处理技术可实现接触网隐患监测。基于天气和施工方面可通过图像处理方面进行隐患辨识，可通过图像处理方面进行故障辨识；针对绝缘子污闪、覆冰树闪，可通过行波法故障测距进行故障的精确定位。从而尽早排除接触网隐患，减少因隐患带来的高铁停运经济损失。

传统的接触网隐患监测主要包括：人工寻线，定期上塔进行绝缘子维护和柱上仪器维护，此类方法最大的弊端是必须借用人工，而接触网线路走廊较长，针对管辖区域较大的供电车间无法实现全线的监测，由于人力有限，因此要想实现管辖范围区域所有支柱监测，必须通过现代化手段进行实现。

3.1 系统总结构

文中接触网隐患监测系统包括STM32系统、电压／电流传感器、备用电源和摄像头，系统可对线路进行故障的采集，当线路行波触发时，同时启动摄像头进行拍摄。监测系统针对不同大小的线径采用不同的线夹进行固定，线夹可以保证设备不会出现舞动的情况，也无伤于导线。具体外观如图3所示。

图3 接触网隐患监测装置

接触网隐患监测系统不同于传统的人工寻线手段，此类故障判定方法结合行波法故障测距可实现全线隐患放电监测，通过行波进行故障点定位，利用摄像头进行放电点监测，图4为接触网隐患监测装置工作流程图。

图4 接触网隐患监测装置工作流程图

3.2 传感器实验

行波为高频暂态信号，而隐患行波不仅衰减大而且其初始幅值更小，为呈现行波特征需对传感器进行测试实验，接触网隐患传感器采用罗氏线圈传感器，以下为接触网隐患监测装置传感器测试步骤。

1）传感器接线路如图5所示。

图5 传感器接线示意图

2）对于参数为“N＝50匝、R＝51Ω、半圆、铁氧体”的隐患传感器工频负荷电流铁心饱和测试中，随着负荷电流的升高至600A的情况下，传感器铁心无饱和现象产生，当负荷电流为600A时，传感器输出最大值为320mV的工频信号；以下为传感器采样不同的频率响应表，实验数据如下表所示。

表 传感器频率响应表

（续）

3）对上表中传感器测试数据绘制f-k曲线如图6所示。

图6 传感器f-k响应图

由上述传感器频率响应特征图可知，罗氏线圈传感器可很好地满足频率响应特征，且随着频率的增大（行波频率一般为10～100kHz），传感器具有很好线性度，可满足接触网隐患行波采集。

3.3 系统组装及测试

STM32系统、零相位滤波高通滤波器、摄像头为一直在线状态，当线路存在高频信号时，摄像头同步进行故障的拍摄，可实现线路的故障隐患监测。利用这套监测方案进行线路隐患放电监测，实验中，将本系统安装于升压线路上，利用安装时将摄像头对准球隙放电，对高压线路进行升压，图7为本系统采集到的隐患放电点，符合接触网隐患监测预期。

图7 系统监测隐患放电点图片

4 结束语

1）传统的接触网隐患只能依靠人工进行巡线，大量的人力物力的投入，收效甚微。

2）罗氏线圈传感器能很好地满足线路放电的频率响应特性，可实现高频放电监测。

3）接触网隐患监测系统借助于现行的图像处理算法和数字信号零相位高通滤波可实现接触网线路的隐患放电监测，从而减少接触网线路因隐患放电造成的线路故障停电带来的国民经济损失。