高速动车组避雷器在线监测系统设计.pdf

年第 期高速动车组避雷器在线监测系统设计张衍会,赵佳,魏宏斌(中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东 青岛 )摘要:高速动车组避雷器是动车组高压供电系统过电压时的重要保护设备,但在动车组运行和检修过程中避雷器处于监控盲区,无状态监测数据,因此设计了动车组避雷器在线监测系统.阐述了避雷器工作原理、等效模型,利用电压电流采集模块、信号调理模块、主控制模块等搭建了系统硬件平台,采用谐波分析法和傅里叶变换对避雷器电压电流信号进行解析,最后提出了监测系统设计参数和避雷器状态评估方法,对高速动车组避雷器状态监测具有现实意义.关键词:动车组;避雷器;在线监测系统;谐波分析中图分类号:U 文献标识码:A文章编号:X()D e s i g no fO n l i n eM o n i t o r i n gS y s t e mf o rH i g h s p e e dE l e c t r i cM u l t i p l eU n i t sL i g h t n i n gA r r e s t e rZ h a n gY a n h u i,Z h a oJ i a,W e iH o n g b i n(C R R CQ i n g d a oS i f a n gC o,L t d,S h a n d o n gQ i n g d a o )A b s t r a c t:T h eh i g h s p e e dEMUl i g h t n i n ga r r e s t e ri sa ni m p o r t a n te q u i p m e n tw h e nt h eh i g h v o l t a g ep o w e rs u p p l ys y s t e mo ft h eEMUi so v e r v o l t a g e,b u t i nt h ep r o c e s so fo p e r a t i o na n dm a i n t e n a n c eo ft h eEMU,t h el i g h t n i n ga r r e s t e r i s i nt h em o n i t o r i n gb l i n dz o n ea n dh a sn os t a t em o n i t o r i n gd a t a,s o t h eo n l i n em o n i t o r i n gs y s t e mo f t h eEMUl i g h t n i n ga r r e s t e r i sd e s i g n e d T h es y s t e mh a r d w a r ep l a t f o r mi sb u i l tb yu s i n gt h ev o l t a g ea n dc u r r e n ta c q u i s i t i o nm o d u l e,s i g n a lc o n d i t i o n i n gm o d u l e,m a i nc o n t r o lm o d u l e,e t c,a n dt h eh a r m o n i ca n a l y s i sm e t h o da n dF o u r i e r t r a n s f o r ma r eu s e dt oa n a l y z et h ev o l t a g ea n dc u r r e n ts i g n a lo f t h ea r r e s t e r,a n df i n a l l yt h em o n i t o r i n gs y s t e md e s i g np a r a m e t e r sa n dt h es t a t ee v a l u a t i o ns c h e m eo ft h ea r r e s t e ra r ep r o p o s e d,w h i c hh a sp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c e f o r t h es t a t em o n i t o r i n go f t h ea r r e s t e ro fh i g h s p e e dEMU s K e yw o r d s:EMU;A r r e s t e r;O n l i n em o n i t o r i n gs y s t e m;H a r m o n i ca n a l y s i s作者简介:张衍会(),山东泰安人,汉族,工程师,硕士研究生,从事智能控制、嵌入式系统研究.引言高速动车 组 在 运 行 过 程 中 易 受 到 过 分 相 过 电 压、弓网离线过电压的冲击,在停车状态下易受到升、降受电弓瞬间电压的冲击,此外,接触网跳闸等异常情况也会对车组造成巨大的电压冲击.车载避雷器是列车高压供电系统 中 抑 制 电 压 冲 击、保 护 车 载 电 气 设 备 的重要装置,当车组遭到大电压冲击时,正常性能的避雷器会瞬间由高 阻 态 变 为 导 通 状 态 来 卸 掉 电 压,然 而 多次的电压 冲 击 容 易 导 致 避 雷 器 老 化,性 能 下 降.目前,在动车组运行时并没有避雷器状态数据监测,运用检修过程中也 只 是 目 视 检 查 外 观,因 此 研 究 设 计 动 车组避雷器在线监测系统十分必要.于勇针对动车组整体高压供电系 统 提 出 了 在 线 监 测 系 统 的 设 计 框 架,未阐明详细 的 软 硬 件 设 计 方 案.罗 毅、张 茜 等 人 提 出了避雷器监测 系 统 的 软 硬 件 设 计 方 案,但 未 给 出 系 统中对于监 测 信 号 的 数 据 处 理 方 法 .陈 丹 等 人 基 于基波分析提出 了 避 雷 器 监 测 电 压、电 流 数 据 的 提 取 处理方法.侯红学等人阐述了动车组避雷器状态评估的相关数据和方法.本文基于动车组避雷器电压和泄露电流数据 采 集 分 析,从 硬 件 平 台 和 软 件 程 序 两 方面提出了避雷 器 在 线 监 测 系 统 设 计 方 案,并 阐 述 了 系统监测信号的谐波分析数据处理方法.总体设计方案 设计原理动车组高压供电系统中采用的是氧化锌避雷器,正常情况下避雷器处于高阻态,泄露电流极为微小,当受到雷击或大电压冲击时会呈现出极强的非线性伏安特性,泄露电流在短时间内迅速增大,避雷器瞬间导通将电压释放,根据此特性,避雷器在供电系统中可等效为以下电路.图中,U为系统输入电压,IX为泄露电流,IR为阻性电流,IC为容性电流,关系式为:IXIRIC()图避雷器等效电路对于阻性电流,包含基波量和各奇数次谐波量,偶数次谐波量可忽略不计.动车组氧化锌避雷器性能劣化主要因为受到电压冲击而老化,当避雷器老化时阻性电流的各次谐波增长快于基波量增长、,如图所示.因此,分析避雷器阻性电流的基波分量和各次谐波分量变化可以实现对避雷器状态监测评估.然而,阻性电流内燃机与配件w w w n r j p j c n图泄露电流奇次谐波相对基波含量比率无法直接测量,需要采集避雷器的泄露电流和电压信号并计算二者之间的相位差,泄露电流在电压方向的分量即为阻性电流,再使用傅里叶变换分解出阻性电流的基波分量和各次谐波电流及其相位角,即可对避雷器老化状态进行评估.结构设计避雷器监测系统结构设计如图所示.本结构中采用C T模块采集避雷器泄漏电流,采用P T模块采集母线电压信号,随后采集信号进入信号调理电路进行放大、滤波等调制处理,同时为保证电压与电流信号同步性,系统采用通信总线对两种信号进行同步采集,调制后的信号再经过A/D转换电路进入主控制电路进行傅里叶计算得出监测数据,车载显示模块对数据进行显示,同时为了实现铁路局对配属所有列车避雷器进行大数据监测和故障诊断,每列车避雷器数据可通过远程通信模块传输到远程健康专家系统.图避雷器监测系统硬件设计避雷器监测系统硬件结构包括采集电路、调理电路和控制模块电路,结构如图所示.图避雷器检测系统硬件电路 信号采集及调理电路设计图中,避雷器泄露电流采用高精度、稳定性强的零磁通电流互感器采集,该传感器并不直接与避雷器线路连接,而是利用电磁耦合采集电流,由于系统中模数转模块需要输入电压信号,因此采用I/U电路把传感器电流信号转换为电压信号.电压信号采用电磁式电压互感器采集,该传感器与高压母线连接并从传感器二次侧取得标准电压,由于采集的电压信号较大不能直接接入控制系统,因此需要通过降压电路把信号降为微安级别.采集到的电压、电流信号还需要经滤波电路过滤去除干扰,此时电压信号变为在一定范围内正负交替模拟信号,再经过抬压电路把电压转换成A D转换模块所需要的正电压.控制模块电路设计图中,主 控 制 模 块 电 路 中 央 处 理 器 选 择S TM F 芯片,该芯片自带模数转换模块,且具有较强的运算能力,可用于计算傅里叶变换.系统显示模块可采用目前动车组已有的HM I或MON屏,处理器与显示屏之间通过 动 车 组 已 有 的MV B或 光 纤 网 络 进 行 数 据 传输.远程通信模块可采用 G模块进行网络接入.软件设计 软件流程设计本系统中软件程序设计包含系统初始化、信号采集、信号滤波、傅里叶变换谐波分析、数据存储,数据显示和发送,流程如图所示.系统初始化主要是主控制电路、采集电路、显示模块、通信模块、存储模块的硬件自检和初始配置,信号采集主要是同步采集三相电压、电流信号,信号滤波是在硬件滤波之外在软件程序上对信号做进一步的抗干扰处理,提高采集数据的准确性,傅里叶变换进行谐波分析提取信号特征量是程序设计中的重要环节,主要是计算电压幅值、相位,计算阻性电流的基波量和奇次谐波量,数据存储、显示和发送则是对系统采集并处理后的数据进行系统保存、HM I屏显示以及远程发送给健康专家系统.图系统软件设计流程图 谐波分析氧化锌避雷器电压信号U和泄露电流都是连续的周期信号且满足狄利克雷条件,根据傅里叶变换公式可将他们分解成多个正弦波的叠加.UUkUks i n(k tk)IXIkIks i n(k tk)()其中U是电压信号直流分量,I是电流信号的直流分量,Uk、Ik是K次谐波的电压幅值和电流幅值,和是K次谐波的电压相位和电流相位.由于氧化锌避雷器阻性电流与系统电压信号相位相同,且各次谐波的相位也相同,通过傅里叶变换可得到阻性电流:IRIkIR ks i n(k tk)()避雷器在正常工况下容性电流分量值几乎不变,且容 年第 期性电流与电压相位相差 度,其计算公式为:ICCd ud tkIC kc o s(k tk)()把()()()带入()式中,可得到:IXIkIR ks i n(k tk)kIC kc o s(k tk)()等式()两边同乘s i n(n w tn),然后再对两端在一个周期T内进行定积分可得到:TkIks i n(k tk)s i n(n tn)d tTkIR ks i n(k tk)s i n(n tn)d tTkIC kc o s(k tk)s i n(n tn)d t()由于三角函数的正交性,即:Ts i nm xs i nn x d x(mn)Ts i nm xc o sn x d x()利用()式可把()式简化为:TIks i n(k tk)s i n(k tk)d tTIR ks i n(k tk)d t()利用三角函数积化和差公式把()变形如下:TIkc o s(kk)c o s(k tkk)d tTIR kc o s(k tk)d t()再由三角函数的正交性可得:TIkc o s(kk)d tTIR kd t()即:IR kIkc o s(kk)()根据以上计算过程,使用公式()把避雷器监测电压和泄露电流进行快速傅里叶变换得到各次谐波,再使用公式()和()即可解得总电流、阻性电流基波分量、各次谐波分量.系统评估要求 避雷器监测数据指标高速动车组避雷器监测系统对于监测的电压、电流信号应有一定的测量范围和可允许的一定误差,监测数据指标如表所示.表避雷器监测数据指标避雷器监测数据量数据指标范围允许误差泄露电流测量 mA(标准读数)A阻性电流测量范围 mA(标准读数)A网压测量范围 V(P T二次侧)(标准读数)V谐波电压测量范围 次谐波测量(标准读数)V 避雷器状态评估避雷器监测系统监测过程中根据避雷器出厂检测参数、采购技术规范要求值以及两者之差的 分别把避雷器状态设置为正常、故障(老化还是受潮)以及预警三种状态,以YH WT/避雷器为例,其状态界限指标如表所示.表避雷器状态指标指标正常预警故障运行里程/k m万 万 万运行时间/天 U泄露电流/A 运行电压全电流/A 阻性电流/A 结论本文针对高速动车组避雷器提出了在线监测系统设计方案,从监测原理、硬件结构、软件程序、数据分析方面阐述了具体设计方法,并且提出了系统评估要求.本系统可对运行和检修状态下列车的避雷器进行实时监测,可将查看、分析系统监测数据纳入列车运用检修过程中避雷器的检查执行步骤,丰富列车检 修作业项点.在实际工况下,动车组长途运行所取电的接触网在不同线路可能会受到在不同干扰,避雷器监测系统监测和计算的精度对多线路不同电网干扰情况的适应是未来可进一步研究的方向.参考文献:苑丰彪,何朝保,李静源,等动车组高压系统过电压及其抑制技术研究J铁道机车与动车,():于勇高速动车组高压设备智能监测系统研究J铁道车辆,():罗毅,李莺,姚毅,等基于A RM的金属氧化物避雷器在线监测系统设计与实现J西南师范大学学报(自然科学版),():张茜氧化锌避雷器在线监测系统的设计J电子世界,():陈丹,傅中君,柳益君,等一种氧化锌避雷器阻性电流 的 提 取 方 法 J电 测 与 仪 表,():侯红学,宋彦君,李英动车组车顶避雷器状态评估系统设计实现J计算机时代,():朱露露避雷器智能在线监测系统的研究与设计D安徽建筑大学,李申龙,孔元,郑雪洋高速动车组MV B通讯故障诊断软件设计与实现J铁道机车车辆,():