高速动车组高压设备智能监测系统研究

于 勇

(中国铁路沈阳局集团有限公司 长春车辆监造项目部，吉林 长春 130062)

动车组高压电气设备担负着从接触网取电，为全车提供电能的重要任务，其自身的运行状态直接影响到高速动车组能否安全、稳定的运行。但是，在高速动车组日常运行维护中，高压电气设备处于运维的盲区，其自身运行状态处于未知状态，直到发生事故后才引起大家的关注。

从欧盟Shift2Rail项目的研发进展可以看出，国际上最前沿的轨道交通装备研发企业也正在研究动车组高压电气设备的监测技术，但进展较慢，目前尚无相关应用案例报道。

在中国国家铁路集团有限公司提出建设“智慧铁路、智能高铁”的目标中，对设备在线安全监测提出了明确的要求。但是，作为智能高速动车组电气系统重要组成部分的高压电气设备，其智能化还处于起步阶段。因此，建立一套高速动车组高压设备智能监测系统是非常迫切的。

1 实施意义

高速动车组高压设备智能监测系统可实时监测电气设备运行参数、感知高压电气设备的运行状态，实现安全监测、故障预警；系统经过长期运行，可积累大量的运行状态监测数据，通过大数据分析，建立完整的高压电气设备状态评估模型，最终实现状态诊断、风险预警、智能运维的目的。

高速动车组高压设备智能监测系统的应用，可解决当前面临的几大难题：

(1) 可实现对高压电气设备关键参量的实时监测，运行人员可根据预警信息提前干预、采取措施，防止高压电气设备发生重大事故而造成停车或其他安全问题。

(2) 可自动实时记录监测数据，录入避雷器动作时暂态过电压、冲击电流波形。事故分析时，系统可再现事故时的暂态过程，为事故分析提供技术支撑[1]。

(3) 可提供运行状态的实时数据，建立设备运行寿命数据库，在确保设备可靠运行前提下延长设备使用寿命。

2 监测对象

高速动车组高压设备智能监测系统主要对高压箱中的避雷器、电压互感器、主断路器、电流互感器的状态进行监测，并对受电弓侧的电流异常(例如过流预警、谐波分析等)进行判断。

3 系统功能

(1) 监测功能。对避雷器、电压互感器、主断路器运行状态的关键参量进行实时监测，监测数据存入数据库，可查询、比对。

(2) 趋势分析。通过对监测的数据进行横向和纵向比较，分析设备运行状态的变化趋势。

(3) 风险预警。参照国家电网标准Q/GDW 454—2010《金属氧化物避雷器状态评价导则》的规定，根据监测量越限的程度，系统将给出不同的警示。

(4) 事故追溯。系统中的监测装置具有动作录波功能，可再现高压设备动作时的暂态变化过程，为事故分析提供依据。

(5) 大数据积累。系统可长期保存监测数据，为未来大数据分析、状态评价、全寿命管理、故障诊断等提供数据。

4 子系统介绍

高速动车组高压设备智能监测系统由3个子系统组成，分别为：高压避雷器监测子系统、电压互感器监测子系统、主断路器监测子系统。

目前，高压避雷器监测子系统已完成了全部研发工作，产品已通过国家电气产品质量技术监督中心的产品型式试验。电压互感器监测子系统已经完成监测量的论证，研发工作正在逐步进行中。主断路器监测子系统目前还在论证中。

4.1 高压避雷器监测子系统

4.1.1 高压避雷器监测子系统架构

图1为高压避雷器监测子系统架构。子系统由2层设备组成，即避雷器监测测量装置和高压设备监测主机。避雷器监测测量装置完成电压及电流信号的变换、处理、采样、计算，并将监测获取的状态参量数据通过光纤网络上传至高压设备监测主机。高压设备监测主机完成监测数据的收集、分析、预警、存储等数据管理功能，同时将分析结果及预警信息上传至列车监控系统主机。

图1 高压避雷器监测子系统架构

4.1.2 高压避雷器监测参数的选取及判定标准

金属氧化物避雷器的非线性电阻阀片主要成分是氧化锌，氧化锌的电阻片具有极为优越的非线性特性[2]。正常工作电压下其电阻值很高，实际上相当于一个绝缘体，而在过电压作用下，电阻片的电阻很小，残压很低。在外加电压作用下，整个避雷器上流过的电流称之为全电流，全电流由两部分组成：容性电流和阻性电流。

容性电流是金属氧化物电阻片的自身电容、杂散电容和均压电容(如果使用)共同作用下产生的。金属氧化物电阻片的电容和温度有轻微的关系。阻性电流是电压作用在非线性电阻片上产生的电流。在一定的电压和温湿度下，阻性电流与金属氧化物电阻的伏安特性有很大的关系。

正常工作电压下，由于阀片长期承受工频电压和随机的过电压作用而产生劣化，引起电阻特性的变化，会导致流过阀片的泄漏电流增加。目前，还没有证据说明金属氧化物电阻片的伏安特性劣化而导致容性电流发生变化，因此容性电流不能说明金属氧化物避雷器的状态。金属氧化物电阻片的伏安特性主要体现在电阻片的电阻上，电阻片劣化，导致同等电压条件下电流中的阻性分量急剧增加，会使阀片温度上升，从而发生热崩溃，严重时甚至会引起避雷器的爆炸事故。因此，同等电压条件下，金属氧化物避雷器阻性电流可以真实反映避雷器的状态，依此可以对避雷器的状态进行诊断。

高压避雷器监测系统通过测量金属氧化物避雷器的全电流、阻性电流和功耗(阻容比)的微小变化来诊断避雷器的运行状态[3]。阻性电流和功耗的增加意味着避雷器可能出现了劣化。

Q/GDW 454—2010标准规定，全电流越限告警值为投运初值的1.2倍、1.4倍、2倍，阻性电流越限告警值为投运初值的1.3倍、1.5倍、2倍。

根据避雷器厂家的现场测试数据验证，此标准具备科学性，因此本系统选用该评判标准。阻容比在上述标准中未加明述，经避雷器厂家提供数据，阻容比预警、告警参数按0.22和0.25执行。

4.1.3 高压避雷器监测子系统功能

4.1.3.1系统功能

高压避雷器监测子系统具有以下功能[4]：

(1) 电压监测。监测接触网电压。

(2) 频率监测。监测接触网供电频率。

(3) 谐波电压监测。监测接触网2～20次谐波量。

(4) 全电流监测。监测避雷器运行电压下的泄漏全电流。

(5) 阻性电流监测。监测避雷器运行电压下的阻性电流。

(6) 阻容比监测。监测避雷器阻性电流与容性电流的比值。

(7) 动作次数监测。记录避雷器动作次数，最后一次动作时刻。

(8) 录波功能。当泄漏全电流大于设定的定值或避雷器计数器动作时，系统会自动记录接触网电压、避雷器全电流、冲击电流3个电量波形。

(9) 数据管理功能。包含历史数据查询、删除、报表生成、数据变化趋势曲线生成。

(10) 报警管理。告警定值管理、告警解除、历史告警查询。

(11) 显示功能。显示实时监测数据、实时告警信息、设备运行状态。

4.1.3.2监测量及技术指标

高压避雷器监测子系统监测量及技术指标见表1。

表1 高压避雷器监测子系统监测量及技术指标

4.1.4 高压避雷器监测子系统测量原理

图2为高压避雷器监测子系统测量原理及测量功能实现框图。

图2 高压避雷器监测子系统测量原理及测量功能实现框图

同步高速采样高压避雷器承受的电压U和泄漏全电流Io，经FFT算法计算出电压、电流的频率、幅值、相位，通过电压U和电流Io的相位折算出阻性电流Ir、容性电流Ie以及阻容比的大小。

高压避雷器监测子系统内设2个电流传感器，即零磁通微电流传感器和雷电冲击电流传感器，以实现避雷器正常运行时泄漏全电流信号的获取和雷电冲击时雷电冲击电流信号的获取[5]。避雷器接地线采用一匝穿芯模式穿过取样传感器，然后返回原接地点。此外，高压避雷器监测子系统内设1个电压互感器，实现高压PT(电压互感器)二次信号转换为可供测量的小信号。高压PT需提供1路二次信号给本监测子系统。

经变换获取的小信号经放大、滤波后分别接入16位高速测量A/D(模拟量转换数字量模块)和14位高速录波A/D。FPGA控制A/D实时采样并将采样数据存储至大容量DDR存储器；ARM微处理器从DDR存储器中提取采样信号，经过一系列运算处理，计算出监测的各个量，同时经过光网络接口将数据上传至监测数据管理装置。

5 结论

高压设备智能监测系统能够有效解决目前高速动车组运用中暴露的高压部件状态监测缺失的问题，且具有大数据应用的预留功能。可以按照更加科学的规划，将避雷器运行数据实时传递到地面服务器，对避雷器的全寿命周期状态数据长期跟踪，自动绘制寿命表征参数的变化曲线，更加准确地实现避雷器状态判断，是一项值得推广的技术。

此方案突破性采用避雷器参数动态检测技术，可为轨道交通车辆避雷器的状态监测提供依据，但具体状态判据尚需进一步验证，并根据实际应用数据进行优化。