摘要：近年来，铁路电网规模越来越大，牵引电压等级也在不断升高，导致故障率提高，对于铁路系统的安全运行造成了严重影响。牵引电压类型繁多，信号幅值也要比普通电压信号幅值更大，普通的监测方法很难真实准确地监测到牵引电压信号，尤其是采样时，传统监测方法在监测高频电压信号时有着很大的局限性。本文对高速铁路牵引供电电压在线监测方法进行研究。
关键词：高速铁路；牵引供电；在线监测
一、高速铁路牵引供电电压在线监测
1、高速铁路牵引供电电压在线测量
文中根据国家标准设计了高速铁路牵引供电电压在线测量方法，测定示意图如图1所示。
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图1 高速铁路牵引供电电压在线测量示意图
图1中，1代表电压测量轴承座，2和4代表绝缘片，3代表金属片，5代表测量转子。在测量之前必须要对每个设备进行检测，确保设备的绝缘性，通过加入绝缘环提高电阻的绝缘能力，设置测量的高速铁路牵引供电网为空载状态，电压为额定电压，频率为额定频率。测量次数共有2次，第一次测量利用导线A连接大地和轴承座一端，利用导线B连接大地和轴承座另一端，得到图中轴电压U1和U2，测量结束后将导线拆除，调整引线；第二次测量采用直接直接测量的方法得到电压U3。文中采取的测量方法基本设备为高内阻毫伏表，能够直接测量出高速铁路牵引供电电压，根据测量的电压结果得到电流数值。为了提高测量的精准度，在电路中要以串联的方式加入一个较大电阻，防止电流过大烧毁测量仪器，通常加入的电阻要大于500Ω。电压表并联在电路中，利用欧姆定律，得到精准地电压测量值。实际测量时，需要重点检验电机轴承对地绝缘是否合格，所有的绝缘层都要放在轴瓦外侧，便于测量电压。
高内阻电压表测量数值较多，需要在众多数值中找到有效值（RMS）。设定一个测量周期为T，如果交流电流i与直流电流I通过同一电阻R时产生的热量相同，那么直流电流I的数值，就是交流电流i的有效值，计算过程为：.png)
（1）
需要特别指出的是，由于对地绝缘Ro为测量电阻R最主要的构成部分，因此本文中的测量电阻R数值与对地绝缘Ro相等，其它电阻数值Rc忽略不计。
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（2）
通过得到的电流有效值计算出电压有效值U。
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（3）
分析上述计算公式，可以发现本文得到的电流值和电压值都是方均根值，指的是电压和电流在一段时间内产生的积分，这样的测量方式可以避开电流表自身内阻对测量结果产生的影响，提高准确性。如果在测量时，必须要加入电流表，需要增大电流表内阻，电流表内阻越大，测量结果越准确。
2、高速铁路牵引供电电压值分析
由于高速铁路牵引供电电压是从地方引入的电压，所以传统的分析方式很容易受到场地限制，实时分析比较困难。为了实现高速铁路牵引供电电压的在线分析，本文利用三表法记录电压滤波，将线电压转化成相电压，通过录波分析得到精准地分析结果。
在分析高速铁路牵引供电电压时，首先连接两端的接地地刷，然后判断电机是否运行到额定状态，如果电机运行到额定状态中，搭棒要与转轴连接，接线一端连接示波器输入端，另一端接地，从而分析示波器中的电压波形。利用MATLAB算法对录波电压进行傅里叶分解。
接入的电压为标准的三相正弦电压，电压波形分为A、B、C三项，波形基本对称，分解之后第5次、第9次、第17次的谐波含量最小，分解的基波电压与实测电压幅值一致。
3、高速铁路牵引供电电压监测结果验证
在得到高速铁路牵引供电电压的监测结果后，要对监测到的数值进行时域验证，判断监测结果的准确性，验证分为A、B两组。将得到的电压信号在CVT和分压器中进行分解，A组利用信号发生器在CVT和分压器中施加150ms/60μs的电压信号，通过得到的时域电压波形判断监测结果是否准确。B组利用雷击浪涌发生器在CVT和分压器中施加140μs/50μs的电压信号，测得的时域电压波形图。对A组、B组得到的时域电压波形图进行求取，进而得到高速铁路牵引供电电压实际值，利用反演计算对比得到的结果，如果A组和B组得到的结果基本吻合，则证明高速铁路牵引供电电压在线监测结果准确（小的数值振荡可忽略不计）；如果A组和B组得到的结果存在很大的数值波动，数值也很难达成一致，则证明得到的监测结果不准确，需要二次监测。
二、验证实验
1、实验目的
为了检测本文研究的高速铁路牵引供电电压在线监测方法实际效果，与传统监测方法进行对比，得到实验结论。
2、实验参数设置
设置实验参数如表2所示。
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表2 实验参数
3、实验结果与分析
根据上述实验参数进行实验，在进行在线监测方法工作效果前，需要对变压器进线电压和电流、馈线电压和电流进行测试。利用继电保护要求，在实验室中安装互感器，再从计量屏中获取电压数值。选取本文研究的诊断方法和传统诊断方法，对高速铁路牵引供电电压进行在线监测，记录两种监测方法的误差率。由于在测试过程中，会受到谐波影响，所以测量周期共有20组，正馈线和负馈线各10组。
对电压在线监测结果进行对比分析，计算20次测量结果的相对标准偏差，结果表明，传统监测方法的误差率＞0.1%，本文监测方法的误差率＜0.01%。传统监测方法不具备在线监测的能力，采集到的电压，必须要反馈到中心系统进行分析后，才能显示电压结果，高速铁路牵引供电电压时刻都在变化，由于工作延时的存在，中心系统显示的电压值为采集时刻得到的电压值，并非显示时刻的牵引供电电压值。综上所述，相较于传统监测方法，本文研究的监测方法监测效果更好，能够大大减少误差，准确率更高，工作环节更加简单，消耗成本更低。
结束语
文中利用矢量匹配和反演计算研究了一种新的监测方法，该方法能够针对高速铁路牵引供电电压进行有效监测，通过测量牵引电流得到电压有效值，消除测量误差；在示波器上分析得到的电压数值，实现在线监测，避免外界信息干扰；在CVT和分压器中对监测结果进行分析，确保输出结果的精准度。本文对多项参数进行优化，提高监测的准确性，降低误差率。为了研究方向，由于监测时设备能耗较大，所以如何降低设备能耗，也是值得深化思考的问题之一。
参考文献：
[1]罗世界，王维博，王海滨，等.高速铁路牵引供电系统建模及仿真分析[J].西华大学学报：自然科学版，2017，36（2）：28-32.
论文作者:余海滨
论文发表刊物:《建筑模拟》2020年第1期
论文发表时间:2020/3/27
标签：电压论文; 在线论文; 测量论文; 高速铁路论文; 方法论文; 数值论文; 电流论文; 《建筑模拟》2020年第1期论文;