CN102707196A

CN102707196A - 一种高速铁路牵引网故障新型单端行波测距系统

Info

Publication number: CN102707196A
Application number: CN2012101869848A
Authority: CN
Inventors: 周书民; 汪志成; 仇亚军; 张达响; 鲍廷义; 董晓峰; 余宏涛
Original assignee: East China Institute of Technology
Current assignee: East China Institute of Technology
Priority date: 2012-06-08
Filing date: 2012-06-08
Publication date: 2012-10-03

Abstract

本发明公开了一种高速铁路牵引网故障新型单端行波测距系统，其特征是：所述的高压脉冲发生装置（11）中的高压脉冲开关（5）与高速铁路牵引网母线连接，当高速铁路牵引网线路发生故障时，高压脉冲开关（5）闭合，在高速铁路牵引网线路上产生行波信号；行波信号传感器（12）与高压脉冲开关（5）相邻并安装于高速铁路牵引网母线的下方，与高速铁路牵引网母线不接触，对行波信号进行非接触式测量；行波信号传感器（12）采集到的行波信号通过信号线（9）输入到具有多个通道的高速数据采集系统（13）的输入接口，高速数据采集系统（13）与处理器（14）连接。本发明采用主动式测距的方法，单个通道的最高采样频率达到100MHz，造成的故障点定位误差可控制在3m以内。

Description

一种高速铁路牵引网故障新型单端行波测距系统

技术领域

本发明属于测量技术领域，涉及一种高速铁路牵引网故障新型单端行波测距系统。

背景技术

高速铁路在我国运营范围很广，接触网是高速铁路电力牵引系统的重要组成部分，它担负着不间断地向沿线运行中的电力机车输送电能的重要任务，由于接触网为沿线架设，又无备用，也是电力牵引中一个比较薄弱的环节。由于各种原因，牵引网沿线的高压电器和线路经常出现短路、断路、高阻（闪络性）故障。风吹雨打、飞鸟栖息、风筝搭线等等，都可能引起意外、危险的故障。故障的多寡、抢修的快慢不但会影响铁路运输，还会造成严重的供电、用电设备、物力损失，甚至危及人员生命安全。目前对于牵引网线路故障测距主要有阻抗法和行波法两种。对于阻抗法而言，由于实际铁道线路一般处于单端电源供电状态，在供电臂故障时，只能用单端电气量测距。因此阻抗法不可避免地要受到过渡阻抗和被测试线路阻抗不均匀性的影响，严重影响测距精度。另一方面，对于行波法而言，在现代复杂电网中，任何一点的故障或操作都会在电网内产生为数众多的行波，严重干扰故障定位，易导致误判断。而现有的行波法普遍采用被动式双端测距的形式，由于线路故障行波是一次性的，仅能进行一次性测量、判断，不能有效实现对干扰信号的对比。同时，由于电气化铁道牵引网供电电压高（一般为27.5KV），在检测设备上引起的振荡时间较长，对于近距离故障不能进行有效的识别。且双端行波法由于两端时间同步精度（如GPS时钟）的影响，严重限制了测距精度的提高。

发明内容

针对现有高速铁路牵引网测距装置存在的上述缺陷，本发明的目的在于提出一种新型主动式单端行波测距系统，该系统可以对线路发出多次高压脉冲信号，对于多次测试结果反复地进行比较，排除可能的干扰，提高测量的准确性和精度。同时，采用新型高压脉冲发生装置，有效缩小脉冲信号宽度，以满足对于近距离检测的需要，从而提供一种高速铁路牵引网故障新型单端行波测距系统。

本发明的技术方案为：它包括高压脉冲发生装置、行波信号传感器、高速数据采集系统和处理器，所述的高压脉冲发生装置中的高压脉冲开关与高速铁路牵引网母线连接，当高速铁路牵引网线路发生故障时，高压脉冲开关闭合，在高速铁路牵引网线路上产生行波信号；行波信号传感器与高压脉冲开关相邻并安装于高速铁路牵引网母线的下方，与高速铁路牵引网母线不接触，对高速铁路牵引网沿线路传输的行波信号进行非接触式测量；行波信号传感器采集到的行波信号通过信号线输入到具有多个通道的高速数据采集系统的输入接口，高速数据采集系统与处理器连接。

进一步：所述的高压脉冲发生装置输出高压脉冲信号电压幅值≥27.5KV，将产生的高压脉冲信号宽度限制在100ns以内；行波信号传感器是由罗氏线圈制成的传感器；所述的高速数据采集系统的单个通道最高采用频率达到100MHz。

所述高压脉冲发生装置包括直流高压发生器、脉冲电容器和高压脉冲开关，高压脉冲开关为火花开关，当高速铁路牵引网线路发生故障后跳闸，直流高压发生器给脉冲电容器充电，然后由脉冲电容器放电并经过与之相连的高压脉冲开关，对被监测的高速铁路牵引网线路发出多次高压脉冲信号。

所述行波信号传感器采用绝缘塑料包裹罗氏线圈，罗氏线圈下部设有高压瓷瓶，高压瓷瓶底端设有信号线和接地端口。

所述的高速数据采集系统设置4个通道，同步采集4组行波信号传感器输出的低电压和小电流信号，并记录行波信号波头信息。

所述处理器的控制模块设计为：当高速铁路牵引网发生故障后高速铁路牵引网线路跳闸，启动高压脉冲发生装置对被监测的高速铁路牵引网线路发出多次高压脉冲信号；控制行波信号传感器拾取故障行波电流，启动高速数据采集系统进行监测，将采集到的信号传至处理器的分析界面进行波形绘制，确定故障点。

由高速数据采集系统造成的故障点定位误差控制在3m以内。

进一步：所述的一种高速铁路牵引网故障新型单端行波测距系统的测距方法：当高速铁路牵引网发生故障后高速铁路牵引网线路跳闸，处理器的控制模块启动，接通直流高压发生器与脉冲电容器，闭合高压脉冲开关，由脉冲电容器放电经过高压脉冲开关，对被监测的高速铁路牵引网线路发出多次高压脉冲信号；高压脉冲发生装置发射的信号遇到故障点反射回来，行波信号传感器通过信号线拾取故障行波电流，再由高速数据采集系统的采集卡采集由行波信号传感器拾取的故障电流，同步采集4组行波信号传感器输出的低电压和小电流信号，高速数据采集系统将采集到的信号传至处理器的分析界面，处理器绘制出故障波形，计算故障点距离，实现故障定位。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

①本发明采用主动式测距的方法，在高速铁路牵引网线路故障情况下，可多次重复测量，对测量结果进行比较分析，有利于提高测距的准确性。

②高压脉冲信号发生装置采用火花开关技术，该技术具有很多的突出特点，具有良好的触发特性，可将高压脉冲信号宽度限制在100ns以内，可实现对近距离故障的检测。

③行波信号传感器可实现对高速铁路牵引网线路故障的非接触式测量，对于高频信号的响应≥30MHz，可承受高速铁路牵引网线路的电压变化值≥27.5KV，能准确的捕捉到行波信号中的高频成分，相对于低频成分而言，高频成分幅值上升时间短，单位时间内变化量大，更有利于对于行波信号到达时刻的检测。

④高速数据采集系统设置4个通道，可同时采集4条不同馈线的行波测距信号，单个通道的最高采用频率达到100MHz，可准确记录行波信号波头信息，由采集卡造成的故障点定位误差可控制在3m以内。

附图说明

图1是本发明实施例1高压脉冲发生装置结构框图。

图2是本发明实施例1行波信号传感器结构框图。

图3是本发明实施例1工作原理框图。

图4是本发明实施例1流程框图。

图5是本发明实施例1原始信号波形图。

图6是本发明实施例1经处理器分析处理后的定位波形截图。

图中：高压发生器控制面板1，直流高压发生器2，脉冲电容器3，数字高压表4，高压脉冲开关5，绝缘塑料6，罗氏线圈7，高压瓷瓶8，信号线9，接地端口10，高压脉冲发生装置11，行波信号传感器12，高速数据采集系统13，处理器14。

具体实施方式

本发明通过下面的实施例可以对本发明作进一步的描述，然而，本发明的范围并不限于下述实施例。

实施例1：它包括高压脉冲发生装置11、行波信号传感器12、高速数据采集系统13和处理器14。

所述高压脉冲发生装置11如图1所示：由高压发生器控制面板1、直流高压发生器2、脉冲电容器3、数字高压表4和高压脉冲开关5构成，采用直流高压发生器2、脉冲电容器3、高压脉冲开关5搭建高压脉冲信号发生装置，输出高压脉冲信号电压幅值≥27.5KV。其中高压开关采用火花开关技术，将产生的高压脉冲信号宽度限制在100ns内，以满足对近距离（故障点离监测点距离≤50m）测距的需要。该装置的主要技术是当高速铁路牵引网发生故障时由直流高压发生器给脉冲电容器充电，然后由脉冲电容器放电经过高压开关，对线路发出多次高压脉冲信号，进行对初始故障信号和反馈信号的检测。

行波信号传感器12如图2所示：安置在高压脉冲发生器端，采用铁磁材料以提高其灵敏度，采用绝缘塑料6包裹罗氏线圈7，罗氏线圈7下部装备高压瓷瓶，实现行波信号传感器12与高电压的可靠隔离，并设置了专用的信号线9和接地端口10，本行波信号传感器的主要技术是可实现对高速铁路牵引网线路故障的非接触式测量，对于高频信号的响应≥30MHz，能准确的捕捉到行波信号中的高频成分，相对于低频成分而言，高频成分幅值上升时间短，单位时间内变化量大，更有利于对于行波信号到达时刻的检测。

根据电磁感应原理，只要行波强脉冲电流所产生的变化磁场的磁力线穿过线圈中心，就会产生感应电动势u_c。

式中，φ——磁通量；Β——磁感应强度；μ——磁导率； n——线圈匝数； Ac——线圈截面积； r——线圈与馈线距离； i——行波信号拾取线电流。

实施例所示行波信号传感器12的特点在于：

①从实际情况看，在现代高速铁路复杂牵引网中某些操作也会在电网内产生为数众多的行波，但它的电流变化率要比故障行波慢得多；当电流变化率越大它的灵敏度越高，因此有利于拾取故障行波电流，抑制干扰行波。

②图2中，行波信号拾取线和线圈垂直；通过改变罗氏线圈7的匝数，调整距离远近等，就可改变感应电压的大小。因此，具有制作容易，成本低廉，调整方便的特点。

③采用铁磁材料提高其灵敏度。

④采用绝缘塑料包裹线圈，线圈下部装备高压瓷瓶，实现传感器与高电压的可靠隔离，并设置了专用的接地端口。

⑤由于电感很小，分布电容也很小，它的高频响应可以很高，实际高频响应≥30MHz；

⑥输出低电压，小电流信号。

高速数据采集系统13设置4个通道，可同步采集4组行波传感器输出的低电压和小电流信号，以实现对多条馈线同时进行监测。高速数据采集系统13将采集到的模拟信号转换为数字信号，传输给后端的数据处理模块即处理器14进行算法分析和定位。为提高故障行波波头记录的准确性，4通道采集卡的单个通道的最高采用频率达到100MHz，即两相邻采样点之间的时间间隔为t=10ns，由于行波速度小于光速c（c取3×10⁸m/s），因此两相邻采样点之间的距离差ΔS＜t×c=3m，即采集卡造成的故障点定位误差小于3m。

所述处理器14（电脑）的控制模块设计为：当高速铁路牵引网发生故障后高速铁路牵引网线路跳闸，启动高压脉冲发生装置11对被监测的高速铁路牵引网线路发出多次高压脉冲信号；控制行波信号传感器12拾取故障行波电流，启动高速数据采集系统13进行监测，将采集到的信号传至处理器14的分析界面进行波形绘制，确定故障点。

本实施例高速铁路牵引网故障新型单端行波测距系统的测距方法：当高速铁路牵引网发生故障后高速铁路牵引网线路跳闸，处理器14的控制模块启动，接通直流高压发生器2与脉冲电容器3，闭合高压脉冲开关5，由脉冲电容器3放电经过高压脉冲开关5，对被监测的高速铁路牵引网线路发出多次高压脉冲信号；高压脉冲发生装置11发射的信号遇到故障点反射回来，行波信号传感器12通过信号线拾取故障行波电流，再由高速数据采集系统13的采集卡采集由行波信号传感器12拾取的故障电流，同步采集4组行波信号传感器12输出的低电压和小电流信号，高速数据采集系统13将采集到的信号传至处理器14的分析界面，处理器14绘制出故障波形，计算故障点距离，实现故障定位。

结合图4，以天津南仓牵引变电所，实验线路选择为上海方向

馈线为例，进行一次分析。当牵引网馈线出现故障时，在80ms时间内启动馈线保护动作；再经过50ms的时间断路器跳闸；此时，负荷开关合闸并向脉冲电容器3充电，当充到脉冲电容器3的设定电压后停止充电，并且通过高压脉冲开关5向故障线路放电；当故障信号经过行波信号传感器12时，行波信号传感器12将会拾取故障电流信号并将其传至高速数据采集系统13；然后由高速数据采集系统13将数据传至处理器14进行故障波形的绘制与定位。

图5、图6中，圆圈所标记点为初始行波波头和第一次反射点故障波头位置。由此可以得出第一次反射波和初始波的时间差，然后再乘以波速即可对故障点进行准确定位。由图可见，经算法处理后的波形有效的滤除掉了噪声信号及行波自身产生的振荡信号的干扰，实现了对故障点的精确定位。

Claims

1.一种高速铁路牵引网故障新型单端行波测距系统，它包括高压脉冲发生装置（11）、行波信号传感器（12）、高速数据采集系统（13）和处理器（14），其特征是：所述的高压脉冲发生装置（11）中的高压脉冲开关（5）与高速铁路牵引网母线连接，当高速铁路牵引网线路发生故障时，高压脉冲开关（5）闭合，在高速铁路牵引网线路上产生行波信号；行波信号传感器（12）与高压脉冲开关（5）相邻并安装于高速铁路牵引网母线的下方，与高速铁路牵引网母线不接触，对高速铁路牵引网沿线路传输的行波信号进行非接触式测量；行波信号传感器（12）采集到的行波信号通过信号线（9）输入到具有多个通道的高速数据采集系统（13）的输入接口，高速数据采集系统（13）与处理器（14）连接。

2.根据权利要求1所述的一种高速铁路牵引网故障新型单端行波测距系统，其特征是：所述的高压脉冲发生装置（11）输出高压脉冲信号电压幅值≥27.5KV，将产生的高压脉冲信号宽度限制在100ns以内；行波信号传感器（12）是由罗氏线圈制成的传感器；所述的高速数据采集系统（13）的单个通道最高采用频率达到100MHz。

3.根据权利要求1或2所述的一种高速铁路牵引网故障新型单端行波测距系统，其特征是：所述高压脉冲发生装置（11）包括直流高压发生器（2）、脉冲电容器（3）和高压脉冲开关（5），高压脉冲开关（5）为火花开关，当高速铁路牵引网线路发生故障后跳闸，直流高压发生器（2）给脉冲电容器（3）充电，然后由脉冲电容器（3）放电并经过与之相连的高压脉冲开关（5），对被监测的高速铁路牵引网线路发出多次高压脉冲信号。

4.根据权利要求1或2所述的一种高速铁路牵引网故障新型单端行波测距系统，其特征是：所述行波信号传感器（12）采用绝缘塑料（6）包裹罗氏线圈（7），罗氏线圈（7）下部设有高压瓷瓶（8），高压瓷瓶（8）底端设有信号线（9）和接地端口（10）。

5.根据权利要求1或2所述的一种高速铁路牵引网故障新型单端行波测距系统，其特征是：所述的高速数据采集系统（13）设置4个通道，同步采集4组行波信号传感器（12）输出的低电压和小电流信号，并记录行波信号波头信息。

6.根据权利要求1或2所述的一种高速铁路牵引网故障新型单端行波测距系统，其特征是所述处理器（14）的控制模块设计为：当高速铁路牵引网发生故障后高速铁路牵引网线路跳闸，启动高压脉冲发生装置（11）对被监测的高速铁路牵引网线路发出多次高压脉冲信号；控制行波信号传感器（12）拾取故障行波电流，启动高速数据采集系统（13）进行监测，将采集到的信号传至处理器（14）的分析界面进行波形绘制，确定故障点。

7.根据权利要求5所述的一种高速铁路牵引网故障新型单端行波测距系统，其特征是：由高速数据采集系统（13）造成的故障点定位误差控制在3m以内。

8.权利要求1—7任一所述的一种高速铁路牵引网故障新型单端行波测距系统，它的测距方法，其特征是：当高速铁路牵引网发生故障后高速铁路牵引网线路跳闸，处理器（14）的控制模块启动，接通直流高压发生器（2）与脉冲电容器（3），闭合高压脉冲开关（5），由脉冲电容器（3）放电经过高压脉冲开关（5），对被监测的高速铁路牵引网线路发出多次高压脉冲信号；高压脉冲发生装置（11）发射的信号遇到故障点反射回来，行波信号传感器（12）通过信号线拾取故障行波电流，再由高速数据采集系统（13）的采集卡采集由行波信号传感器（12）拾取的故障电流，同步采集4组行波信号传感器（12）输出的低电压和小电流信号，高速数据采集系统（13）将采集到的信号传至处理器（14）的分析界面，处理器（14）绘制出故障波形，计算故障点距离，实现故障定位。