CN108362928A - 接触网电压非接触式测量设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种接触网电压非接触式测量设备及方法，其中，该设备包括：非接触式电场耦合传感器，设置在接触网检测车车顶高压设备、电力机车高压设备或接触网线路周围的电场分布均匀区域，用于在电场分布均匀区域耦合感应电场强度信号；数据采集分析装置，与所述非接触式电场耦合传感器连接，用于接收非接触式电场耦合传感器耦合感应的电场强度信号，根据电场强度信号，以及电场强度信号与电压的关系，确定接触网电压。上述技术方案提高了接触网电压检测和维护的效率、安全性、便利性。

Description

接触网电压非接触式测量设备及方法

技术领域

本发明涉及电气化铁道接触网检测技术领域，特别涉及一种接触网电压非接触式测量设备及方法。

背景技术

接触网电压是电气化铁路牵引供电系统能力的重要指标，接触网电压过高影响电气绝缘性能；接触网电压过低，负载设备无法正常工作；接触网电压中谐波成分影响牵引供电系统的稳定性及运行质量，因此接触网电压是一项重要的技术指标。

目前，电气化铁路传统采用的电压互感器包括电磁式电压互感器(PT)和电容式电压互感器(CVT)，两种互感器需要连接带电体，互感器顶部与带电体形成等电势，且传感器体积大、重量大、绝缘要求高，不利于维修。

现有采用的传统电压互感器的检测方法存在如下问题，主要表现在：

(1)电气不安全，采用绝缘材料实现高压电气绝缘，受到外部环境、制作工艺、运行老化等影响，易发生高压击穿问题；

(2)难于维护，安装在车辆、线路、检测系统后需进行周期性测试，受安装环境及安全性要求，周期测试难于实现，存在较多维护缺失；

(3)体积大、重量大，传统电压互感器大量采用绝缘材料，为增大爬电距离，伞裙面积大，重量大。

综上，现有采用的传统电压互感器的检测方法已经不能满足接触网电压检测、安全运用的需求。

发明内容

本发明实施例提供了一种接触网电压非接触式测量设备，用以提高接触网电压检测和维护的效率、安全性、便利性，该设备包括：

非接触式电场耦合传感器，设置在接触网检测车车顶高压设备、电力机车高压设备或接触网线路周围的电场分布均匀区域，用于在电场分布均匀区域耦合感应电场强度信号；

数据采集分析装置，与非接触式电场耦合传感器连接，用于接收非接触式电场耦合传感器耦合感应的电场强度信号，根据电场强度信号，以及电场强度信号与电压的关系，确定接触网电压。

本发明实施例还提供了一种接触网电压非接触式测量方法，用以提高接触网电压检测和维护的效率、安全性、便利性，该方法包括：

非接触式电场耦合传感器在电场分布均匀区域耦合感应电场强度信号；非接触式电场耦合传感器设置在接触网检测车车顶高压设备、电力机车高压设备或接触网线路周围的电场分布均匀区域；

数据采集分析装置接收非接触式电场耦合传感器耦合感应的电场强度信号，根据电场强度信号，以及电场强度信号与电压的关系，确定接触网电压；数据采集分析装置与非接触式电场耦合传感器连接。

本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述接触网电压非接触式测量方法。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述接触网电压非接触式测量方法的计算机程序。

与现有技术中利用需要连接带电体的传统电压互感器，互感器顶部与带电体形成等电势，进行接触网电压的检测方案相比较，本发明实施例提供的技术方案，首先，采用非接触式电场耦合传感器，在无需与接触网检测车车顶高压设备、电力机车高压设备或接触网线路接触的情况下，利用电场耦合原理，在所述电场分布均匀区域耦合感应电场强度信号，电气绝缘安全性高，频率响应宽，装置体积小，重量轻。然后，数据采集分析装置接收非接触式电场耦合传感器耦合感应的电场强度信号，根据所述电场强度信号，以及电场强度信号与电压的关系，确定接触网电压，提高了接触网电压检测和维护的效率、安全性、便利性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1是本发明实施例中接触网电压非接触式测量设备的结构示意图；

图2是本发明实施例中平板电极式耦合传感器的结构示意图；

图3是本发明实施例中接触网电压非接触式测量方法的流程示意图；

图4是本发明实施例中对非接触式电场耦合传感器进行标定的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

由于发明人考虑到了现有技术中存在的技术问题，一种接触网电压非接触式电压测量方案，该方案主要包括：通过对接触网检测车车顶高压设备、动车组(电力机车)高压设备、接触网周围电场分析，选取电场分布均匀区域，在保障电气绝缘距离条件下，安装非接触式电场耦合传感器；根据电场分布原理，对数据采集系统采集的传感器输出的信号进行分析，计算出接触网电压。本发明的接触网电压非接触测量方法及设备，利用电场耦合原理，采用非接触式电场耦合传感器，电气绝缘安全性高，频率响应宽，装置体积小，重量轻，为接触网电压的测量提供了一种可靠的技术手段，提升了供电设备检测的安全性、效率和便利性。下面对该方案做详细介绍如下。

图1是本发明实施例中接触网电压非接触式测量设备的结构示意图，如图1所示，该设备包括：

非接触式电场耦合传感器1，设置在接触网检测车车顶高压设备、电力机车高压设备或接触网线路周围的电场分布均匀区域，用于在所述电场分布均匀区域耦合感应电场强度信号；

数据采集分析装置2，与所述非接触式电场耦合传感器连接，用于接收非接触式电场耦合传感器耦合感应的电场强度信号，根据所述电场强度信号，以及电场强度信号与电压的关系，确定接触网电压。

与现有技术中利用需要连接带电体的传统电压互感器，互感器顶部与带电体形成等电势，进行接触网电压的检测方案相比较，本发明实施例提供的技术方案，首先，采用非接触式电场耦合传感器，在无需与接触网检测车车顶高压设备、电力机车高压设备或接触网接触的情况下，利用电场耦合原理，在所述电场分布均匀区域耦合感应电场强度信号，电气绝缘安全性高，频率响应宽，装置体积小，重量轻。然后，数据采集分析装置接收非接触式电场耦合传感器耦合感应的电场强度信号，根据所述电场强度信号，以及电场强度信号与电压的关系，确定接触网电压，提高了接触网电压检测和维护的效率、安全性、便利性。

具体实施时，本发明实施例提供的方案中，非接触式电场耦合传感器耦合感应电场强度信号，根据所述电场强度信号，以及电场强度信号与电压的关系，确定接触网电压，即根据感应电场强度信号反算了接触网电压，与现有技术中利用需要连接带电体的传统电压互感器，互感器顶部与带电体形成等电势，进行接触网电压的检测方案相比较，本发明实施例提供的确定接触网电压的方案是重大的突破。目前非接触式电场耦合传感器是应用在气象或地质勘探领域，通过上述耦合感应电场强度信号，根据耦合感应电场强度信号来反算接触网电压的方式，是重大的突破，提高了接触网电压检测和维护的效率、安全性、便利性，具有重大的意义。

具体实施时，能表示接触网电压的有三个场景：①接触网检测车车顶高压设备附近，②电力机车高压设备附近，以及③接触网线缆周围。具体地，接触网电压涉及的①接触网检测车车顶高压设备、②电力机车高压设备是由于车辆受电弓升起与接触网形成等电位，该位置电压等同于接触网电压。另外，③接触网是铁路供电专业术语，是指为铁路供电的在轨道上方的线索，其所有线索及与之相连的金属体(如受电弓)均会形成等电势体。因此，以上①、②和③的电压均能代表接触网电压。

基于以上陈述，具体实施时，非接触式电场耦合传感器1可以设置的场景可以包括三个：①接触网检测车车顶高压设备、②电力机车高压设备或③接触网。这个三个位置是使用场景不同，均只安装1个。如在接触网检测车上使用，就安装在接触网检测车车顶高压设备带电体低压侧附近；如在电力机车上使用，就安装在电力机车高压设备带电体低压侧附近；如在接触网附近用，就安装在接触网周围，例如带电体低压侧绝缘子处。

具体实施时，非接触电场耦合传感器与上述“①接触网检测车车顶高压设备、②电力机车高压设备和③接触网”不连接，是指在上述三处特殊位置进行安装，上述位置周围会形成较为稳定的电场分布(电场分布均匀)，非接触电场耦合传感器在分布均匀区域电场中产生耦合感应电场强度信号，该耦合感应电场强度信号传输至数据采集分析装置，进行接触网电压的测量。

具体实施时，电场强度信号与电压的关系可以是预先存储的，该关系可以以表格、图表或数学模型的形式存储，数据采集分析装置确定接触网电压的方法可以是：接收到耦合感应电场强度信号后，将耦合感应电场强度信号在电场强度信号与电压的关系中进行匹配，找到耦合感应电场强度信号对应的电压，即为接触网电压。

具体实施时，非接触式电场耦合传感器与数据采集分析装置可以通过信号线缆进行有线连接，二者之间也可以是集成无线通讯模块，进行数据无线传输。

具体实施时，本发明实施例提供的方案，首先确定电场分布均匀区域：对接触网检测车车顶设备、动车组(电力机车)高压设备、接触网周围电场分布情况进行分析，选取电场分布均匀区域。具体确定过程可以包括：对接触网检测车车顶设备、动车组(电力机车)高压设备、线路接触网周围电场分析，搭建接触网检测车车顶高压设备、动车组高压设备、接触网的仿真模型，根据电磁场基本原理，采用有限元分析方法，设置边界条件，可利用ANSYS，COMSOL，MATLAB等计算软件，分析上述高压设备周围电场分布情况。

具体实施时，上述电场分布分析包括交流电场和直流电场。

在一个实施例中，所述非接触式电场耦合传感器与接触网检测车车顶高压设备、电力机车高压设备或接触网线路之间的距离是根据高压设备或接触网线索(线路)所处电压等级、海拔高度因素进行确定的。

具体实施时，本发明实施例提供的方案，其次在保障电气绝缘距离条件下，安装非接触式电场耦合传感器，具体过程可以包括：保障电气绝缘距离条件下，在上述选取电场分布均匀区域，安装非接触式电场耦合传感器，根据高压设备所处电压等级、海拔高度等因素，按照相关规范要求，设置合理的安装距离，满足电气绝缘要求，具体地，确定安全距离的方法可以是：在实验室，模拟非接触式电场耦合传感器与接触网等高压设备的相互安装位置，搭建接触网检测车车顶高压设备、电力机车高压设备和接触网线路的模型，通过该模型进行实时模拟，确定出非接触式电场耦合传感器的距离，即安全距离，在现场实际安装时，就可以根据该安全距离，安装非接触式电场耦合传感器，与在现场确定安全距离后，再安装的方式相比，不仅安全，而且效率高。按照TB10621-2014《高速铁路设计规范》要求，不同电压等级带电体至周围物体有不同绝缘距离要求；按照GB 311.1-2012《绝缘配合第1部分定义、原则和规则》根据使用环境，可对海拔修正因数进行修正。这样的方案提高了接触网电压检测的安全性。

在一个实施例中，如图2所示，所述非接触式电场耦合传感器可以包括：平板电极式耦合传感器；所述平板电极式耦合传感器可以包括：

绝缘防水材料制密封封装壳体1；

第一电极板2，设置在所述绝缘防水材料制密封封装壳体内，与电场强度信号输出正极端连接；

第二电极板3，设置在所述绝缘防水材料制密封封装壳体内，与电场强度信号输出负极端连接；

极板间浇筑绝缘树脂4，设置在所述绝缘防水材料制密封封装壳体内的第一电极板和第二电极板之间。

在一个实施例中，所述非接触式电场耦合传感器可以包括：微机电系统MEMS式电场耦合传感器，用于在所述电场分布均匀区域耦合感应电场强度信号。

在一个实施例中，所述非接触式电场耦合传感器可以包括：所述非接触式电场耦合传感器包括：光纤式电场耦合传感器，用于检测所述电场分布均匀区域中的光信号的变化，根据所述光信号的变化，输出耦合感应电场强度信号。

具体实施时，上述微机电系统MEMS式电场耦合传感器和光纤式电场耦合传感器可以是现有的微机电系统MEMS式电场耦合传感器和光纤式电场耦合传感器。

具体实施时，非接触式电场耦合传感器包括：平板电极式、MEMS(微机电系统)式和光纤式。平板电极式耦合传感器对处于不同电场中的两极板间感应电压进行信号输出；MEMS(微机电系统)式对处于不同电场中对内部微机电系统装置作用不同，输出不同信号；光纤式对处于不同电场中的光信号的变化输出不同信号。

基于同一发明构思，本发明实施例中还提供了一种接触网电压非接触式测量方法，如下面的实施例。由于接触网电压非接触式测量方法解决问题的原理与接触网电压非接触式测量设备相似，因此接触网电压非接触式测量方法的实施可以参见接触网电压非接触式测量设备的实施，重复之处不再赘述。以下所使用的，术语“单元”或者“模块”可以实现预定功能的软件和/或硬件的组合。尽管以下实施例所描述的装置较佳地以软件来实现，但是硬件，或者软件和硬件的组合的实现也是可能并被构想的。

图3是本发明实施例中接触网电压非接触式测量方法的流程示意图，如图3所示，该方法包括如下步骤：

步骤101：非接触式电场耦合传感器在所述电场分布均匀区域耦合感应电场强度信号；所述非接触式电场耦合传感器设置在接触网检测车车顶高压设备、电力机车高压设备或接触网线路周围的电场分布均匀区域；

步骤102：数据采集分析装置接收非接触式电场耦合传感器耦合感应的电场强度信号，根据所述电场强度信号，以及电场强度信号与电压的关系，确定接触网电压；所述数据采集分析装置与所述非接触式电场耦合传感器连接。

在一个实施例中，可以按照如下方法，确定所述电场分布均匀区域：

根据电磁场基本原理，采用有限元分析方法，设置边界条件，分析搭建的接触网检测车车顶高压设备、电力机车高压设备或接触网线路的模型的周围电场分布情况；

根据分析结果，确定所述电场分布均匀区域。

在一个实施例中，按照如下方法确定所述电场强度信号与电压的关系：

通过控制升压变压器加载不同等级电压，对搭建的接触网检测车车顶高压设备、电力机车高压设备或接触网线路的模型中非接触式电场耦合传感器输出信号进行多次标定，形成电场强度信号与电压的关系。

具体实施时，电场强度信号与电压的关系的确定方法可以根据搭建的模型(关于改模型详见上文介绍和附图4)，对非接触式电场耦合传感器进行多次标定确定，详见下文介绍。

发明人考虑到为了提高电气绝缘安全性能，减少设备维护工作，提出了如下设备标定方法：

如图4所示，在实验室或设备安装现场，模拟非接触式电场耦合传感器与接触网等高压设备的相互安装位置，通过升压变压器加载不同等级电压，对非接触式电场耦合传感器输出信号进行标定，形成电压与输出信号(电场强度信号)的标定关系。在多次标定过程中除了确定了电场强度信号与电压的关系之外，同时可以使非接触式电场耦合传感器更加精确，实际应用后，可以耦合感应更加精确的电场强度信号，进而提高接触网电压确定的精确度。

以上方法，采用非接触式电场耦合传感器，测量接触网检测车车顶设备、动车组(电力机车)高压设备、接触网的电压，提出了设备标定方法，提高了电气绝缘安全性能，减少了设备维护工作，有利于提高我国电气化铁路接触网检测及维护的效率。

本发明实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述接触网电压非接触式测量方法。

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述接触网电压非接触式测量方法的计算机程序。

本发明实施提供的技术方案的有益技术效果为：本发明的接触网电压非接触测量方法及设备，利用电场耦合原理，采用非接触式电场耦合传感器，电气绝缘安全性高，频率响应宽，装置体积小，重量轻，为接触网电压的测量提供了一种可靠的技术手段，提升了供电设备检测和维护的效率、安全性、便利性。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明实施例的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明实施例不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明实施例可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种接触网电压非接触式测量设备，其特征在于，包括：

非接触式电场耦合传感器，设置在接触网检测车车顶高压设备、电力机车高压设备或接触网线路周围的电场分布均匀区域，用于在所述电场分布均匀区域耦合感应电场强度信号；

数据采集分析装置，与所述非接触式电场耦合传感器连接，用于接收非接触式电场耦合传感器耦合感应的电场强度信号，根据所述电场强度信号，以及电场强度信号与电压的关系，确定接触网电压。

2.如权利要求1所述的接触网电压非接触式测量设备，其特征在于，所述非接触式电场耦合传感器包括：平板电极式耦合传感器；所述平板电极式耦合传感器包括：

绝缘防水材料制密封封装壳体；

第一电极板，设置在所述绝缘防水材料制密封封装壳体内，与电场强度信号输出正极端连接；

第二电极板，设置在所述绝缘防水材料制密封封装壳体内，与电场强度信号输出负极端连接；

极板间浇筑绝缘树脂，设置在所述绝缘防水材料制密封封装壳体内的第一电极板和第二电极板之间。

3.如权利要求1所述的接触网电压非接触式测量设备，其特征在于，所述非接触式电场耦合传感器包括：微机电系统MEMS式电场耦合传感器，用于在所述电场分布均匀区域耦合感应电场强度信号。

4.如权利要求1所述的接触网电压非接触式测量设备，其特征在于，所述非接触式电场耦合传感器包括：光纤式电场耦合传感器，用于检测所述电场分布均匀区域中的光信号的变化，根据所述光信号的变化，输出电场强度信号。

5.如权利要求1所述的接触网电压非接触式测量设备，其特征在于，所述非接触式电场耦合传感器与接触网检测车车顶高压设备、电力机车高压设备或接触网线路之间的距离是根据高压设备或接触网线路所处电压等级、海拔高度因素进行确定的。

6.一种接触网电压非接触式测量方法，其特征在于，包括：

非接触式电场耦合传感器在所述电场分布均匀区域耦合感应电场强度信号；所述非接触式电场耦合传感器设置在接触网检测车车顶高压设备、电力机车高压设备或接触网线路周围的电场分布均匀区域；

数据采集分析装置接收非接触式电场耦合传感器耦合感应的电场强度信号，根据所述电场强度信号，以及电场强度信号与电压的关系，确定接触网电压；所述数据采集分析装置与所述非接触式电场耦合传感器连接。

7.如权利要求6所述的接触网电压非接触式测量方法，其特征在于，按照如下方法，确定所述电场分布均匀区域：

根据电磁场基本原理，采用有限元分析方法，设置边界条件，分析搭建的接触网检测车车顶高压设备、电力机车高压设备或接触网线路的模型的周围电场分布情况；

根据分析结果，确定所述电场分布均匀区域。

8.如权利要求6所述的接触网电压非接触式测量方法，其特征在于，按照如下方法确定所述电场强度信号与电压的关系：

通过控制升压变压器加载不同等级电压，对搭建的接触网检测车车顶高压设备、电力机车高压设备或接触网线路的模型中非接触式电场耦合传感器输出信号进行多次标定，形成电场强度信号与电压的关系。

9.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求6至8任一所述方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求6至8任一所述方法的计算机程序。