接触网电压低频波动特征研究

杨志鹏，孙 刚，张文轩，付浩月，盛 良



接触网电压低频波动特征研究

杨志鹏，孙 刚，张文轩，付浩月，盛 良

基于接触网检测车的电压测量方式，分析典型的接触网电压低频波动现象，采用信号变换、数理统计和小波分析等方法对大量检测数据进行分析，总结接触网电压低频波动的幅值、频率、波动动态过程等特征，为接触网电压低频波动故障诊断提供参考。

接触网电压；低频波动；小波

0 引言

接触网检测车是安装有弓网综合检测装置的专用轨道车辆，运用方式为连挂客车车体或自走行，通过测量接触网几何状态、弓网动态作用关系、接触网电气性能等参数，评价弓网受流性能，指导接触网的运营维护工作。

《GB/T 1402-2010 轨道交通牵引供电系统电压》[1]定义接触网电压：受电弓取流处或非取流处接触网与回流回路间的电位差，电压值是指交流电压基波的方均根值。同时，IEC62313、EN50388、UIC796等国际标准均提出了“平均有效电压”的概念，用于反映牵引供电系统与机车车辆运行匹配关系。因此，研究和分析接触网电压特征具有重要意义。

1 国内外研究现状

随着我国新型交直交传动的CRH系列动车组和SS、HXD等系列电力机车的广泛应用，牵引网电压低频波动引发振荡时有发生。牵引网电压的低频波动问题越来越受到国内外学者的关注，文献[2]分析总结了近年来我国出现的多起由网压振荡引起的车网电气匹配问题，提出了从车、网2方面着手调整电气参数治理该问题的技术对策；文献[3]针对徐州枢纽地区的接触网电压波动现象，通过采集机车及所亭不同位置的电流和电压数据，结合理论仿真计算，提出了扩容供电系统和改进机车控制策略的整治措施；文献[4]对国内外的电气化铁路低频振荡研究进行了系统的综述，总结了2种类型的低频振荡特征，归纳了相关分析方法，并从车网匹配角度提出了抑制方法；文献[5～8]从不同角度分析研究了接触网电压低频振荡产生的机理及抑制措施；文献[9，10]分析了瑞典等国外接触网电压低频振荡特征，并进行了理论分析。

上述研究分析局限于某一具体位置的时域原始数据，缺少对多条线路动态运行情况下接触网电压有效值的分析，本文结合接触网检测车动态检测数据对接触网低频波动特征进行研究。

2 接触网检测车电压测量方法

普速接触网检测车是在改进的25T型客车上安装专用的检测受电弓，受电弓升起后与接触网接触形成等电位，但该受电弓不受流。在受电弓附近安装电压互感器，电压互感器的一次侧顶端与受电弓底座相连形成等电位，二次侧接入信号处理、数据采集单元，实现对接触网电压的测量。高速综合检测列车的检测受电弓同时也是取流受电弓，电压互感器及传感器的安装方案与普速接触网检测车一致，测量的电压为动车组运行时的实时接触网电压。设备安装布置如图1所示。

图1 高速综合检测车电压测量装置布置

高速综合检测列车主要在高速铁路和既有提速干线进行周期性检测，部分枢纽车站同时会接入电力机车和动车组，其牵引负荷类型较为复杂。

普速接触网检测车普遍采用在旅客列车尾部挂运的运用方式。目前，我国旅客列车在电气化区段通常采用SS、HXD等电力机车牵引，即在接触网检测过程中，电力机车升弓取流牵引，而接触网检测车升弓不取流检测。检测运用过程中应注意两受电弓距离满足过电分相的要求。此时，接触网检测车所测得的接触网电压数据为电力机车运行状态下实时测量的数据，具有良好的实时性和动态特征。图2为普速接触网检测车运用示意图。

《TB10621-2014 高速铁路设计规范》、《TB10623-2014 城际铁路设计规范》、《TB 10009-2016铁路电力牵引供电设计规范》对牵引供电系统的设计进行了规范，规定电力机车、动车组受电弓及接触网的标称电压为25 kV，短时（5 min）最高电压为29 kV；高速铁路、城际铁路接触网最低工作电压为20 kV，其他铁路接触网最低工作电压为19 kV。

《TG/GD 124-2015 高速铁路接触网运行维修规则》、《TG/GD 116-2017普速铁路接触网运行维修规则》对运营线路的接触网电压进行门限阈值管理，规定其最高值不大于29 kV，最低值不小于19 kV，以公里为基本评价单元，超过门限阈值设为一级缺陷，扣5分，并纳入接触网动态检测评价及供电专业管理评价，有效保证了牵引供电系统的供电能力。

3 接触网电压低频波动现象

3.1 高速铁路车站枢纽接触网电压低频波动

某高速综合检测列车在某条客运专线进行检测时网压发生低频波动现象（在该区段下行、上行均存在网压低频波动现象），以上行检测数据进行分析，低频波动过程如图3所示。列车自枢纽车站（该枢纽承接普速列车与动车组）驶出，在第1个供电臂内，接触网电压、受电弓电流低频波动严重，电压振荡幅值为0.1～0.5 kV，通过采样距离和列车速度计算将信号还原成时域信号，分析得出低频波动频率分别为0.1～0.3 Hz，4～5 Hz，受低频波动影响，列车提速缓慢，时域转换后的局部数据如图4所示；经过第1个分相后进入第2个供电臂，列车逐渐提速，但低频波动现象仍未消失；列车经过第2个分相后进入第3个供电臂，接触网电压、受电弓电流低频波动现象消失。

3.2 普速铁路接触网电压低频波动

接触网检测车连挂在电力机车牵引的普速旅客列车尾部，检测过程中出现网压低频波动现象较为普遍。以下选取一典型区段数据进行分析，该区段位于列车驶入过分相前端，通过将空间采样输出数据还原为时域采样数据，利用小波分析法分析其时频特征，结果如图5所示。

由图5可以看出，随列车运行网压低频波动并非在一个稳定的频率上波动，而是在一定的范围内波动，大部分低于10 Hz。在该区段数据中，0～ 30 s区段低频波动频率小于1 Hz，30～70 s区段低频波动频率为2～5 Hz，77～100 s区段列车过分相，电力机车主断路器断开，惰性驶入分相区，低频波动消失。

图3 某客运专线接触网电压低频波动过程

图4 低频波动时域接触网电压、受电弓电流局部图

图5 网压低频波动时域局部图

4 接触网电压低频波动特征

通过对接触网检测车检测数据进行分析，接触网电压低频波动现象时有发生，其中高速铁路较少（偶发的区域多为承接普速机车和动车组的枢纽地区），普速铁路较为普遍。以下选取典型普速铁路发生接触网电压低频波动区段，涉及累计里程 4 500余公里的数据检测，对接触网电压低频波动特征进行分析。

4.1 低频波动幅值

对低频波动幅值进行数据统计，低频波动幅值大部分小于2 kV，均值为0.55 kV，标准偏差为0.18 kV，其中波动峰值大于5 kV的现象占比1.25%，低频波动幅值数据分布如图6所示。

图6 接触网电压低频波动幅值分布

4.2 低频波动频率

接触网电压低频波动由交直交机车与牵引供电系统匹配问题引起，低频波动频率随着牵引传动系统控制过程而变化。通过数据统计分析发现，低频波动频率分布主要集中在10 Hz以下，其中0.22，0.55，1.1，2 Hz附近出现峰值，幅值主要集中在0.55 kV附近。低频波动频率分布如图7所示。

图7 接触网电压低频波动频率分布

4.3 低频波动动态过程

通过对检测数据分析发现，接触网电压低频波动存在典型过渡过程：振荡过程中频率实时变化，呈现频率从低到高再消失而后重新发生的趋势；振荡幅值存在衰减过程。该现象与相关参考文献中仿真计算得出的稳态振荡不同，表明电力机车-接触网供电系统是一个动态系统。图8所示为2组典型的接触网电压低频波动频率分布。

图8 接触网电压低频波动频率分布

5 结语

本文通过对接触网检测车的大量电压检测数据进行分析，总结了接触网电压低频波动的幅值、频率及动态过程变化规律。研究结果表明，接触网电压低频波动现象为电力机车-接触网供电系统匹配的动态过程，为接触网电压波动的有效治理提供依据，以提高牵引供电质量。

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On the basis of the voltage measurement mode adopted by OCS inspection car, the phenomenon of typical OCS voltage low frequency fluctuation is analyzed, and large quantity of inspection data has been analyzed by methods of signal conversion, mathematical statistics and wavelet analysis so as for summarizing the characteristics of amplitude, frequency and dynamic process of OCS voltage low frequency fluctuation, these will provide the references for diagnosis of fault of OCS voltage low frequency fluctuation.

OCS voltage; low frequency fluctuation; wavelet

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.05.009

U225.3

B

1007-936X(2018)05-0033-04

2018-03-05

杨志鹏，盛 良.中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，助理研究员；

孙 刚.中国铁路沈阳局集团有限公司供电处，高级工程师；

张文轩.中国铁道科学研究院基础设施检测研究所，副研究员；

付皓月.中国铁路沈阳局集团有限公司供电处，工程师。

本研究受中国铁道科学研究院科研课题（2016YJ138）资助。