基于馈线电流波形分析防止接触网断线的探讨

侯文凯

（柳州供电段，高级工程师，广西 柳州 545007）

铁路牵引供电接触网断线属于C类铁路行车事故，抢修不及时将引发更加严重的后果，对铁路运输安全有很大的影响。为此有必要对铁路牵引供电接触网断线的主要原因进行分析，并在此基础上研究防止接触网断线的措施，以避免事故的发生。

1 接触网断线的主要原因

根据全路近年接触网断线事故统计，接触网断线主要原因有：

1）接触网或受电弓尺寸超差，接触网被机械拉断。

2）机车车顶绝缘击穿，受电弓重复升弓拉弧烧断接触线。

3）机车带电过分相拉弧烧断接触线。

4）机车受电弓与接触线接触不良，拉弧烧断接触线。

5）线间距离不足，拉弧烧断接触网。

6）非导体与接触网接触拉弧烧断接触网。

根据南宁铁路局近年接触网断线事故统计，大部分断线的情况是电流拉弧造成承力索或接触线断。如2012年9月28日和2013年1月16日，盗窃者在南昆线侧亨隧道口和黔桂线太阳村站跨线上，将剥离的电缆绝缘皮扔在承力索上致使承力索放电拉弧，过热软化被拉断。

可见拉弧对接触网危害极大，其特征是接触网持续的拉弧，而拉弧电流未达到变电所保护电流整定值进行保护跳闸。目前接触网故障保护主要是针对过载、短路、接地故障产生的过流。但对于小电流造成的接触网两相间、对地间、机车受电弓与接触线间的拉弧无法保护。因此接触网拉弧是接触网故障的一个重要信息，及时扑捉故障信息、识别、判断、处理故障对牵引供电设备安全可靠运行有很大的意义。

2 电流速断保护及拉弧断线过程

接触网放电拉弧是造成断线的主要原因之一，要防止接触网拉弧首先要明确防止拉弧的电流速断保护的有关规定和电弧的特点及拉弧断线过程。

2.1 电流速断保护的有关规定 《铁路电力牵引供电设计规范》（TB10009-2005）的4.7.16规定：“变电所、开闭所、分区所的保护应与电力机车内部保护相配合，其速断保护应有适当的延时，此延时宜为0.1 s”。遵循这一原则，我国电气化铁路接触网电流速断保护动作时限一般均整定为0.1 s。该规范作了条文说明：考虑到电力机车的保护动作时间一般为0.05 s，因此规定馈电线速断保护的延时以0.1 s为宜。《电气化铁道电力牵引与牵引供电系统继电保护及自动装置配合的技术要求》（TB/T2808-1997）有更明确的规定：“电力机车25 kV侧电流速断保护装置应能区分正常工况和故障，包括断路器全断开时间在内的整组动作时间不应大于60ms，牵引网电流速断和距离保护1段动作时间宜为100ms。馈线保护跳闸时电流最大可达2 000多A，根据焦耳热Q=I2RT，在这样短的时间，导线发热量不足以软化材质被拉断。

2.2 电弧特点及拉弧断线过程 电孤是一种气体放电现象，它的特点：一是电弧中有大量的电子、离子，因而是持续导电的；二是电弧的温度很高，弧心温度达4 000～5 000℃以上，接触网拉弧电流与断线速度成正比。其机理是绝缘体在一定的电压下产生放电，随着绝缘的破坏，放电电流密度就不断增大，绝缘电阻就越来越小，在电场作用下金属表面电子不断从金属表面飞逸出来，成为自由电子绝缘电阻间运动，这种现象称为场致发射。热电子发射、场致发射产生的自由电子在电场力作用下加速飞向阳极，途中不断碰撞中性质点，将中性质点中的电子又碰撞出来，这种现象称作碰撞游离。由于碰撞游离的连锁反应，自由电子成倍地增加，大量的电子奔向阳极，大量的正离子向负极运动，绝缘体便成了电流的通道维持持续的电弧。由于电弧温度很高，在高温的作用下，接触网承力索或接触线材质被软化，最终被自生的预拉力拉断。

3 电路故障电弧识别过程

当接触网拉弧时电弧电流具有一定的特征波形成分，通过分析变电所馈线电流电弧的特有波形，识别电路是否存在拉弧，分析拉弧的性质采取相应措施，如警示和跳闸保护。目前有关单位已进行了电路电弧故障识别研究，主要是基于电流高频分量时频特征的电弧故障检测方法，通过检测被保护回路电流的高频分量，进行FFT和数学形态滤波处理，提取出信号频谱的轮廓特征构造特征向量作为识别故障电弧的特征参数，确定产生电弧故障。

电路故障电弧识别过程包括以下步骤：

1）将被保护回路导线穿过电弧采集线圈，导线中电流通过耦合在电弧采集线圈的磁场产生感应电流，感应电流经取样电阻转换为电压信号，再经过高频信号调理电路，转化为输入A/D转换电路和触发检测电路的模拟信号；由触发检测电路产生的预触发信号送入数据采集控制电路；在数据采集控制电路的控制下，通过A/D转换电路将调理后的信号转化为数字量，并存储在数据存储模块中，同时被保护回路导线穿过工频电流传感器，工频电流传感器的输出信号经过工频信号调理电路，转化为输入过零比较电路的工频模拟信号，再经过过零比较电路处理后，生成工频电流过零信号，并以边沿触发信号数据处理模块内部的定时/计数器，当检测到数据采集控制电路发出的内部触发信号时，以中断方式启动高频电流出现时工频电流相位和高频电流频谱特征分析的计算任务；

2）数据处理模块中，依据内部的定时/计数器的当的形式分别输入到数据采集控制电路和数据处理模块；

3）数据采集控制电路接收到工频电流过零信号后，启动内部的定时/计数器；数据采集控制电路启动A/D转换，并将转换结果连续地记录在数据存储模块的缓冲区中；当数据缓冲区满时，数据采集控制电路停止A/D转换和内部的定时/计数器，并向数据处理模块发出内部触发信号；

4）数据处理模块检测到过零比较电路输出的触发信号时，启动前计数值和工作频率计算高频电流出现时的工频电流相位，将求取的高频电流出现的时刻值与上个工频电流半波周期的计算结果比较，若相位误差大于π/50弧度或时间误差大于0.2ms，则复位电弧故障计数器；存储当前的相位计算结果，作为后续比较的参考值；

5）数据处理模块中，利用数据存储模块中记录的波形数据计算高频电流的特征频率值序列以及其与参考值序列的平均相对误差，若高频电流特征频率值与参考值的平均相对误差大于5%，则复位电弧故障计数器；存储当前高频电流的特征频率值序列作为后续比较的参考值，并关闭内部的定时/计数器；

6）重复上述步骤2～5，计算下个工频电流半波周期内，高频电流出现的工频电流相位、高频电流特征频率等参数，并将其与上次结果作比较，若在设定误差范围内即按照电弧故障处理。

4 接触网故障电弧识别研究

铁路牵引供电系统会产生一些正常电弧，如机车主断路器投切产生电弧，机车升降弓和运行中瞬间离线产生电弧，变电所断路器其动作产生电弧，这些电弧的特征是时间短。可以以电弧持续时间来区分正常电弧和非正常电弧。因此通过建立接触网电弧电流模型来开辟新的故障诊断技术领域。

4.1 故障模型研究 模拟铁路牵引供电系统产生的正常电弧和故障电弧进行采集，分析各种电弧电流的高频分量和其他特征，进行FFT和数学形态滤波处理，提取出各种不同情况下电弧信号频谱的轮廓特征、构造特征向量作为各种情况下产生电弧的模型。研究采用共振解调技术将故障电弧信号提取出来。

4.2 故障处理的研究 界定需要立即跳闸和可不立即跳闸而仅进行报警的研究，建立报警故障模型和立即跳闸故障模型，如非导体接触接触网产生拉弧，电弧电流有时间长，持续增加并的特点需要立即跳闸，。绝缘子污闪电弧电流小，电流较稳定的特征，可以不跳闸处理，提示进行检查。

5 结束语

铁路牵引供电设备运行中的故障诊断是保障其稳定运行的必要手段，对牵引供系统电流波形的研究分析，将开辟新的故障诊断技术领域，极大地推动牵引供电系统的故障诊断技术，对降低牵引供电系统故障有很大的意义。