列车过分相过电压谐波特性分析与智能识别

张新星

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102611）

列车过分相引起的过电压对车顶高压设备具有较大危害，了解并掌握过电压产生的机制和特性是解决问题的关键。随着在线监测装置在行车记录中的应用，大量的过电压信号被自动检测和记录，但对过电压的分类和识别非常困难。常用的对电压或电流信号分类方法主要包括特征量提取和决策，其中提取信号特征量尤为重要，特征量的准确与否将直接关系到分类的精度和效率。用于特征量提取的信号处理方法有均方根值法[1]、Fourier变换[2]、S变换[3]、dq变换[4]、小波变换[5-7]、多重分形分析[8]。本文基于实测数据，对列车过分相引起的过电压进行了分类，对测得的大量过电压数据进行了频谱分析，得到了不同种类过电压的频率特性，从其中提取了用于过电压识别的特征量，提出了一种基于傅里叶变换的过电压信号识别方法。

1 过电压产生机制及分类

列车过分相如图1所示。

列车由左向右运行，在到达位置1前机车完成退级和断主断操作，在1位置与中性线接触，在2位置进入无电区，在3位置与供电臂B接触，在4位置离开中性线，之后机车完成合主断操作。等高区中受电弓跨接中性线与供电臂，在无电区受电弓只与中性线相连。

列车在经过1、2、3、4位置以及在中性区位置均可能有过电压现象产生。

高压互感器用于测量网压，二次侧负荷阻抗较大，正常工作时接近空载状态。空载状态下很容易发生铁磁谐振，在列车位置1和位置2产生的过电压激励下，高压互感器可能在饱和区和非饱和区发生周期性的振荡，从而发生铁磁谐振。

分析列车过分相过程，过电压可能发生在1、2、3、4位置以及2、3之间。按过电压产生的原因列车过分相过电压主要分为三类：第一类是线路拓扑结构改变引发的过电压，第二类是电压叠加引发的过电压，第三类为铁磁谐振过电压。按过电压性质进行划分，第一类与第二类均属于暂态过电压，第三类属于铁磁谐振过电压。

2 离散傅里叶变换与谐波含量百分比

在对实测信号处理过程中主要应用傅里叶变换，信号的特征量提取主要应用谐波含量百分比。

任何周期信号只要满足狄里赫利条件，都可以进行离散傅里叶变换，分解后的各次谐波的幅度和相位与频率的关系构成了周期性信号的幅度频谱特性和相位频谱特性。

周期为T1的信号f(t)经过采样得到序列x(n)，其复数形式的变换为：

傅里叶变换后为一个复数，复数的模值与频率、相位角与频率分别表示幅频特性和相频特性。

谐波含量百分比为谐波有效值与信号总有效值之比，计算公式为：

式中：Ve——M～N次谐波的总有效值；Vi——经傅里叶分解后第i次谐波的有效值（i为正整数）；d——谐波含量百分比；V——所测信号总有效值。

3 不同过电压信号的频率特性

3.1 过电压实测波形

为研究列车过分相过电压，在京广、沈山线对HXD3型电力机车进行跟踪测试。触发电平为42 kV，采样频率为20 Hz，每次触发记录10 s数据。通过测试实验，得到了大量过电压数据。

非过分相过电压波形如图2所示。

图2 非过分相引发过电压波形

过分相过电压如图3所示。

图3 过分相引发过电压波形

3.2 不同过电压频率特性及特征量提取

考虑到不同类型过电压持续时间不同，暂态过电压持续时间较短，一般不超过100 ms。过分相引起的暂态过电压可能为两次过电压连在一起，故一般不超过200 ms，从实测数据也可得到。铁磁谐振过电压持续时间较长，一旦发生持续时间从几个工频周期到列车出分相时长不等，综合考虑各种过分相过电压持续时间和波形特征，以过电压发生时刻为基准，选取5个工频周期，即100 ms为特征量计算区间。

特征量计算时间区间划分如图4所示。

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图4 特征量计算时间区间划分

3.2.1 入分相、出分相暂态过电压特征量提取

列车入分相、出分相时产生的过电压波形基本一致，为了研究其频率特性对信号进行频谱分析[9]。

在所有入分相、出分相暂态过电压中随机抽取50组数据进行了傅里叶分解，并对不同频率范围内的谐波做统计。

有效值大于500 V的谐波主要集中在0～800 Hz，2 700～2 900 Hz之间也有少量达到500 V。统计实测数据谐波含量，此类过电压主要能量为50 Hz，800～2 700 Hz能量很小，统计过程中将0～3 000 Hz谐波分为4个部分进行统计，分别为0～50 Hz、50 Hz、60～800 Hz、2 700～2 900 Hz。

过分相引发过电压谐波有效值占比如表1所示，非过分相引发过电压谐波有效值占比如表2所示。

表1 过分相引发过电压谐波有效值占比

表2 非过分相引发过电压谐波有效值占比

与过分相暂态过电压相比，非过分相过电压在60～800 Hz、2 700～2 900 Hz谐波处存在较大差异。所以可用这两个频率段的谐波含有率区分暂态过电压是否为进出分相引发的过电压。

3.2.2 铁磁谐振过电压频率特性及特征量提取

图5 铁磁谐振波形的谐波含量

由图5可知，铁磁谐振过电压中50 Hz谐波不是主要谐波，谐波含量最大次数为10 Hz，占总有效值的91%。

4 过电压识别流程

通过理论分析和实测统计，列车过分相时铁磁谐振的发生是以列车入分相时产生暂态过电压为基础的，故在判断列车过分相是否发生铁磁谐振过电压之前，需要先判断列车是否发生了暂态过电压[10]。

首先判断过电压是否为列车出入分相产生的暂态过电压。对采集的过电压进行周期为0.1 s最高谐波为3 000 Hz的傅里叶分解，而后判断50 Hz谐波含量是否最大来判定是否为工频暂态过电压，若50 Hz谐波含量最大，则判断60～800 Hz、2 700～2 900 Hz的谐波含量百分比。如果60～800 Hz谐波含量大于25%，2 700～2 900 Hz谐波含量介于5%～10%，则判定该过电压为进出分相时产生的暂态过电压；否则为非过分相产生的过电压。

判定为过分相引发的暂态过电压后，入分相引发的暂态过电压最长维持200 ms，最短为100 ms，故从过电压发生时刻起向后推100 ms、120 ms、150 ms、200 ms为起始点，进行周期为100 ms的傅里叶分析。如果50 Hz谐波含量均为最大，则过分相过程没有发生铁磁谐振；如果存在50 Hz谐波含量不是最大且10 Hz谐波含量占90%以上，则说明发生频率为10 Hz的铁磁谐振；如果10 Hz谐波含量不是最大，则对过电压信号做周期为0.06 s的傅里叶变换，16.67 Hz谐波含量占90%以上则说明发生了50/3 Hz的铁磁谐振。如果以上情况均不满足，则此次过电压判定失败。

5 结语

本文从理论上说明了列车过分相过电压发生的过程，并对列车过分相引起过电压的原理及其波形特点进行了分析。通过对实测数据进行频谱分解，得到了列车过分相过电压与非过分相过电压的不同谐波特性。统计得到了识别列车出入分相时产生的过电压和铁磁谐振过电压的谐波特征量，提出了一种仅用DFT算法便可识别过分相过电压的方法。研究结果对研究列车过分相产生的过电压有一定的参考价值，对过电压信号的识别提供了新的思路。