一种电力机车及动车组用避雷器电气绝缘状态评估系统

一种电力机车及动车组用避雷器电气绝缘状态评估系统
所属技术领域
1.本发明涉及一种适用于金属氧化物(氧化锌)避雷器复杂过电压、高次谐波运行工况状态评估系统，尤其适用于铁路电力机车及动车组高压箱避雷器预警保护。


背景技术：

2.车载避雷器凭借其内部氧化锌阀片优良的非线性特性，正常工作时呈现高阻特性，在牵引网过电压侵入时短时限制电压幅值保护后续高压设备，被广泛应用于各型号动车组。然而接触网同电力系统不尽相同，铁路系统27.5kv网压波动较为频繁，列车车载避雷器长期经受接触网中过分相、升降弓等过电压及车网参数不匹配、大量电力电子变流设备产生的高次谐波、潮气的入侵、冷热交替、污秽积压，加速阀片老化，破坏其非线性工作特性，若未及时发现异常工况导致避雷器长时间处于故障状态，严重时可能避雷器发生烧蚀甚至炸裂事故。
3.目前采用对避雷器的监测方式主要有两种：第一种方式是离线检修，将车载避雷器从高压系统中拆下，对避雷器进行较为全面的绝缘性能、耐压能力等测试，可以多方面监测避雷器性能，但对其参数变化识别具有延迟性；另一种方式是在线监测，采用传感器实时采集避雷器运行时电气参数并分析得到其状态信息。但电力机车及动车组避雷器承受电压应力与电力变电站避雷器有很大差别。电力机车及动车组避雷器运行工况极为复杂，要频繁承受接触网操作过电压、谐振过电压及高谐波含量工频电压及热的共同作用，老化过程及老化机理十分复杂，特征量实时提取难度较大，而且难以基于传统的单一特征量变化评估避雷器运行状态，这些因素制约了电力机车及动车组避雷器在线状态评估技术的发展。目前电力机车及动车组上尚未安装在线状态评估系统对避雷器运行状态进行有效评估和预警。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种电力机车及动车组用避雷器电气绝缘状态评估系统。
5.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
6.一种电力机车及动车组用避雷器电气绝缘状态系统，包括避雷器特征量传感器单元、数据采集单元、数据存储与分析单元、继电控制单元。所述避雷器特征量传感器单元通过带屏蔽信号线与数据采集单元相连，所述数据采集单元通过网线与数据存储分析单元相连，所述继电控制单元与数据采集单元的i/o端口相连。
7.所述特征量传感器单元采用有源泄漏电流传感器实时测量避雷器泄漏电流特征量、非接触式电压探测仪实时测量避雷器电压特征量，红外热像仪测量阀片温度。因车载电压互感器的高频响应特性不足，测量高频信号时失真严重，故采用有更高频率响应特性的非接触式电压探测仪。数据采集单元和数据分析和存储单元固定装在金属壳体中，金属壳体包覆有石墨烯电磁屏蔽膜，屏蔽动车组高压箱内强电磁干扰，壳体安装在动车组高压箱内，对外接口统一采用航空插头。
8.非接触式电压探测仪中电场传感器的电容式平行板半径r＝25mm,平板之间距离d＝15mm,则平板面积s＝0.785m2，其电容大小为c＝ε0s/d＝0.12pf。感应电压uc与所加电压u的关系为uc＝0.00374u。测量电压为300v时感应电压标定值为1.12v，测量电压为4800v时感应电压标定值为17.952v。
9.所述采用的数据采集卡的总采集速率不低于500ksps，其中模拟输入通道不少于3个，数字量输出不少于6个通道，主要包含模拟信号调理电路、adc模块、dac模块、自校准模块、数字信号保护电路、fpga控制模块、rj45传输网口。
10.所述数据存储与分析单元为工控机装有高压电气绝缘监测软件系统，对电压电流数据进行多周期模式可选的fft谐波分析，提取出基波和各次谐波中阻性电流分量。主要特征量计算如下，特征相位计算电压、电流相角差阀片绝缘电阻rk＝uk/i
rk
，各次泄漏电流中阻性分量幅值避雷器有功损耗功率
11.所述避雷器状态特征值从吸收能量和老化等角度结合避雷器绝缘电阻、特征相位、有功功率损耗、温度等状态，依据各参数权重设定避雷器安全系数，综合评判动车组避雷器绝缘状态。动车组避雷器综合安全系数特征电阻所占权重为a,基准阈值为20mω；特征相位所占权重为b,基准阈值为60
°
；有功功率损耗所占权重为c,基准阈值为30w；特征温度所占权重为c,基准阈值为60℃。各特征参数阈值由大量实验和理论仿真获得。根据各个特征量与避雷器的健康状态关联程度考虑每一个特征参量的权重。基于大量的实验数据，通过神经网络拟合出各特征参量的权重。根据综合安全系数s判断避雷器处于何种状态(良好:s≤1，异常:1《s《2，危险:s≥2)。
12.由动车组避雷器综合安全系数s决定存储运行数据的速率。针对良好工况(s≤1)选择低速(20ksps)存储；针对异常及危险工况(s》1)选择全速(120ksps)存储运行数据。
13.所述继电控制单元在监测到避雷器异常时(1《s《2)输出预警信号，在监测到避雷器故障时(s≥2)输出报警信号。预警或报警信号由上位机控制i/o口输出电平，驱动电流驱动继电器动作，常开触点闭合，在动车组驾驶室显示预警或报警灯光常亮、闪烁等或其他预警报警装置动作。
附图说明
14.图1泄漏电流传感器安装示意图
15.图2在线监测系统及高压箱内安装位置示意图
16.图3高低速数据采集流程图
具体实施方式
17.为了使本发明所述的内容更加便于理解，下面结合具体实施方式对本发明所述的技术方案做进一步的说明，但是本发明不仅限于此。
18.具体实施方式1：所述特征量传感器单元采用有源泄漏电流互感器选用高磁导率磁芯实现对避雷器毫安级电流准确测量，额定输入电流：5ma，额定输出电压：5v，测量精度：
±
0.02％，工作频率范围：50～5khz，供电电压为直流
±
12v或
±
15v，由监测系统电源模块将列车110v常用供电输入转为系统各模块电源输出。传感器通过底座4个预留孔位加装m7螺丝螺母固定在避雷器接地处，使接地线穿过传感器直径20mm白色保护芯套既可完成安装，图1所示为泄漏电流传感器安装示意图。传感器输入输出接口为四口航插母头，1、2号接口为电源的正负极输入接口，3号为传感器输出信号接口，4号接口为电源地。采用额定变比为300:5的jdz6-0.5型电压互感器测量接触网波动电压。
19.所述数据采集单元采用多功能数据采集卡，可以实现16路模拟量单端输入或8路差分输入，2路模拟量输出，8路数字量输入输出，采集卡整个数据采集系统核心控制模块采用fpga模块，可以根据上位机控制命令操控外围电路。其ad模拟量输入模块，分辨率为16位，输入量程为
±
10v，总采样速率为500ksps，各通道平均分配采样率，输入阻抗为10mω，利用模拟信号调理电路可以对多通道输入进行选择、放大、滤波等操作预处理输入信号。而ttl兼容的8路di/do口可以输出最大5v高电平，适用于后续驱动继电器实现相关预警功能。数据采集单元和数据分析和存储单元固定装在5mm厚的铝壳中，屏蔽动车组高压箱内强电磁干扰，壳体安装在动车组高压箱主断路器基座处，对外接口统一采用两芯及四芯航空插头，使用m6及m12螺钉固定，通过网线同动车组实现通讯。图2所示为整体在线监测系统及高压箱内安装位置示意图。
20.所述数据存储与分析单元主要为上位工控机高压电气绝缘监测软件系统，首先对满足狄里赫利条件的电压电流数据按照单周期0.02s或多周期做快速傅里叶变换(fft)，将时域中非正弦交流信号分解转换为频域不同频率正弦量叠加，并根据频域分量特征幅值(uk、ik)、相角计算电压、电流相角差同时计算各次泄漏电流中阻性分量幅值阀片电阻rk＝uk/i
rk
、避雷器有功损耗功率、避雷器有功损耗功率综合多方面特征值设定不同权重加权评判避雷器整体健康状态，动车组避雷器综合安全系数车组避雷器综合安全系数本具体实施案例设定特征电阻所占权重a为0.3,基准阈值为20mω；特征相位所占权重b为0.2,基准阈值为60
°
；有功功率损耗所占权重c为0.2,基准阈值为30w；特征温度所占权重c为0.3,基准阈值为60℃，正常工作下避雷器综合安全系数s数值大致低于标准值1，变化范围小。当避雷器在过电压作用或阀片本身电气特性劣化时，安全系数s计算公式中各项特征量比值皆呈增大趋势,s大于1需及时预警避雷器整体工作特性已发生大幅下降，s值越大其劣化情况越严重，当s大于2时避雷器已处于危险状态。图3所示为电气绝缘监测软件系统针对正常及异常工况采用的高低速采集流程图，保证在监测系统硬盘容量可以连续存储动车组一个检修周期内的运行数据。
21.所述继电控制单元根据实时判断避雷器各参数特征值，利用采集卡数字量输入输出(di/do)功能可以实现最多8路高电平数字信号输出，当高压监测系统判断避雷器综合安全系数s超出设定阈值后，采集卡向继电器模块发出触发信号，驱动电磁继电器常开触点闭合，将继电器触点开关设置为警报灯等报警装置的控制开关，及时对列车控制室预警避雷器异常、危险等运行状态。本发明已在crh380列车上应用并取得预期效果。
22.以上所述仅为本发明较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，都应属本发明涵盖范围。