铁路直流线缆放电实时测量中扰动信号的抑制

李建华



铁路直流线缆放电实时测量中扰动信号的抑制

李建华

针对铁路直流线缆接线的特殊性，对其放电实时测量时的扰动信号进行分析，并提出相应抗扰动信号的方法，可提高铁路直流线缆放电实时测量的精度。

直流线缆；放电测量；抑制扰动；实时测量

0 引言

牵引变电所的直流反馈线缆是铁路供电设施的重要组成部分，其绝缘性能与铁路运营安全密切相关。对铁路直流反馈线缆的绝缘状况进行实时测量是保障铁路运营安全的一项重要措施。

局部放电测量是评估供电线缆绝缘性能的一种方式[1～5]，而在局部放电测量中如何识别、抑制甚至消除扰动是一个需要研究的问题。本文将对铁路直流供电系统结构及直流线缆放电的特点进行分析，对实时测量铁路直流线缆放电时可能存在的扰动信号进行实验模拟和现场测量，并利用扰动信号在时间分布和频率分布上的特点提出相应的抗扰动方法。

1 铁路直流供电系统

牵引变电所向牵引系统供电，其接线情况如图1所示。牵引变电所通过110 kV/33 kV变压电路与供电网络连接。33 kV端使用单个主线结构，装有4台断路器。1.5 kV隔离开关、整流机与整流/变压器组成2套整流机组。牵引变电所至接触网供电采用直流反馈线缆。柔性线缆采用橡胶进行绝缘，未设防水带和铠装，线缆直接埋设于地下，并且多根并联。线缆的电压随负荷变化，其峰值最高可达 3.0 kV，明显高于正常工作时电压1.8 kV，且电压中包含高阶谐波[6～9]。

图1 牵引变电所接线示意图

2 1.5 kV直流线缆放电的特点

虽然1.5 kV直流线缆工作电压相对较低，产生局部放电的几率较小，但当线缆的橡胶层出现细微破损时，线缆将发生对地放电。在橡胶层破裂的初始阶段，线缆放电的重复频率较高，放电可对橡胶层造成持续的破坏，且放电重复频率会逐渐降低，放电电压信号在频域上的分布较宽。

图2所示为实验模拟线缆橡胶层出现细微破损时放电电压信号及其频域分布。实验所得信号与现有直流局部放电理论并不十分相符。该类线缆工作电压相对较低，在橡胶层出现细微破损带来绝缘性能减弱出现放电时，线缆仍能继续工作，仍可实时地测量有无放电电压信号，以评价线缆的绝缘状况。

图2 1.5 kV直流线缆放电信号波形及其频率分布

3 扰动信号的特点

铁路直流线缆的接线具有一定特殊性，使得放电测量时的扰动信号复杂多样。铁路直流线缆放电测量时可能出现的扰动来源主要包括：整流设备的脉冲、列车制动/启动的脉冲、随机扰动脉冲、其他设备的周期窄频带扰动、直流端其他设备的局部放电脉冲、交流端设备的局部放电脉冲、白噪声等。本文主要讨论前4种扰动信号的特点。

在实验模拟中发现，交流端出现局部放电时，所有被测直流线缆均可测量到极性相同的局部放电信号。多根线缆并联时，若其中一根发生局部放电，其他线缆上均可测得与放电源极性相反的扰动放电信号脉冲。

3.1 整流设备的脉冲扰动

整流设备关断及打开时将会产生整流扰动脉冲[10～12]，其幅度与负荷电流有关，2个脉冲之间的时间间隔与整流设备的运行模式有关，单个整流脉冲的脉宽相对较大（＞4 μs）。

现场实测的整流脉冲扰动信号如图3所示，在20 ms内出现了12个脉冲，整流脉冲频谱中，3 MHz附近的功率较多，并联线缆上可同时测得幅度相近的整流信号脉冲。

图3 整流信号脉冲及其频率分布

3.2 列车制动/启动脉冲扰动

在列车制动和启动时会产生电流脉冲，图4为现场测得的列车制动电流脉冲波形。可以看出，列车制动时的电流信号脉冲脉宽约为0.1 ms，频率分布较窄，频谱上小于2 MHz的低频成分较多。并联线缆上可同时测得列车制动信号脉冲。

3.3 牵引设备的周期窄频带扰动脉冲

牵引设备产生的窄频带周期性扰动波形及频率分布如图5所示。现场测得窄频带扰动信号大多分布在500 kHz～1 MHz之间。

图4 列车制动时的信号电流脉冲及其频率分布

图5 窄频带周期性扰动及其频率分布

3.4 随机扰动脉冲

图6为现场实测的随机扰动脉冲信号波形及频率分布，该扰动信号随机出现，频谱较宽。

图6 随机扰动脉冲及其频率分布

4 抗扰动的方法

直流线缆放电信号的频率分布宽，而窄频带周期性扰动和列车反馈电流扰动频率较低，因此可以选用具有合适响应频率范围的传感器、具有滤波功能的电路硬件与数字化频域处理来抑制甚至消除这2类扰动。整流扰动脉冲具有明显的规律性和周期性，并且会同时出现在并联的多个线缆上，因此可采用同步测量和差动平衡结合时域窗方法消除[13～16]。随机扰动脉冲的重频与线缆放电的重频数量级有差别，可采用数理统计进行判断。目前，针对减小白噪声的研究较多[17，18]，其中小波分析比较常用[19，20]。抗扰动算法流程如图7所示。

DFT（离散的傅里叶变换）定义为

式中，为采样点个数，为采样点序号，x为第个采样点幅值，为频率序号，X为第个频率的幅值。

DFT可实现从时序信号到频域信号的转换，但直接采用DFT的运算量相对较大，运算速度也较慢。在DFT的基础上利用奇数、偶数、虚部、实部的对称特征进行改进的FFT（快速傅里叶变换）可减小运算量，提高运算速度。

图7 抗扰动算法流程

Cooley算法是目前常用的一种FFT算法，递归地将DFT过程分解为更小的DFT过程。首先计算下标为偶数的点的DFT和下标为奇数的点的DFT，然后结合2个DFT的结果。该过程可以递归地进行，将2个DFT过程进一步分割。

通过FFT可提取信号的频域分布，然后去除频域中的尖峰，可有效抑制铁路牵引设备产生的窄频带周期性干扰。

在局部傅里叶变换的基础上发展起来的小波分析，可识别出被伸缩和平移的信号波形，从而识别出一些特征。例如()为平方可积函数，对应的经伸缩和平移的子小波为

小波变换的积分过程为

式中，为时间，为伸缩因子，为平移因子；,b()为经伸缩和平移的函数，(a,b)为伸缩倍平移的函数的相对比例。

通过小波变换的积分过程识别出经过伸缩和平移的波形，可抑制白噪声。

随机扰动脉冲信号频谱较宽，不易通过频域中的处理去除，可采用数理统计进行判断，然后采用时域窗函数在时域中去除扰动脉冲从而进行抑制。

图8为抗扰动处理前后的波形对比。可以看出，结合多种抗扰动算法可大幅抑制扰动信号，有利于更好地识别线缆放电信号。

图8 抗扰动处理前后的波形对比

5 结语

本文研究了在1.5 kV直流线缆放电实时测量中存在的整流脉冲、随机脉冲、电流脉冲等干扰信号的特点。结果表明，1.5 kV铁路直流线缆放电的实时测量中存在较多扰动，利用扰动信号在时间分布和频率分布上的特点，提出相应的抗扰动方法，可提高线缆实时测量的精度，及时掌握线缆的运行状态。

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With regard to the special characteristics of connection of DC cables for railways, the analysis is made for interfering signals during real time measurement of discharge of cables, and the methods are put forward for suppression of interfering signals, they are able to improve the accuracy of real time measurement of discharge of DC cables for railways.

DC cables; discharge measurement; suppression of interference; real time measurement

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.010

U226.5

B

1007-936X(2018)06-0041-05

2018-05-07

李建华.中铁十二局集团电气化工程有限公司，工程师。