鐵道供電牽引變壓器接觸網斷線接地故障識別方法研究

蔣忠浩

摘要：為了提高鐵道供電牽引變壓器接觸網斷線接地故障的識別率，優化故障識別效果，開展了牽引變壓器接觸網斷線接地故障識別方法的全方位深入研究。首先，采集代表鐵道供電牽引變壓器接觸網斷線接地故障特征的模擬信號，基于EEMD原理，對采集到的故障信號進行去噪處理，獲取故障信號IMF分量。其次，提取故障信號的頻帶局部能量特征。在此基礎上，設計故障性質識別算法，識別牽引變壓器接觸網斷線接地故障性質。實驗分析結果表明，應用提出的故障識別方法后，6個線路區段的斷線接地故障識別率均達到了98%以上，識別效果優勢顯著。

關鍵詞：電牽引變壓器；接觸網；斷線；接地故障；識別

0? ?引言

鐵道供電牽引變壓器在廣義角度上，指的是向電力機車車頭供電的變壓器，為電力機車提供所需電源，以對保證電氣化鐵道牽引供電系統的穩定運行[1]。

鐵道供電牽引變壓器在運行過程中，受到運行環境條件、氣象條件的影響，其運行存在一定的不確定性，接觸網容易發生斷線接地故障，降低牽引變壓器運行的安全性與可靠性，導致鐵道電力機車發生拒動或誤動現象[2]。對此需要采用科學合理的接觸網斷線接地故障識別方法，實時對鐵道供電牽引變壓器的運行工況做出檢測，識別其中潛在的斷線接地故障隱患，及時根據故障識別結果，制定相應的故障解決方案[3]。

現階段，傳統的接觸網斷線接地故障識別方法多數采用文獻[4]提出的方法。該方法在實際運行過程中，適用范圍有限，當鐵道供電牽引變壓器供電結構復雜、供電分區較多時，該方法不能全方位地識別出故障隱患，故障位置難以確定，識別效率與準確率均較低[4]。為了改善這一問題，本文開展鐵道供電牽引變壓器接觸網斷線接地故障識別方法的全方位深入研究。

1? ?變壓器接觸網斷線接地故障識別流程

1.1? ?故障信號采集與去噪處理

1.1.1? ?故障信號采集

依據數字離散化信號采集原理，采集能夠代表鐵道供電牽引變壓器接觸網斷線接地故障特征的模擬信號[5]。將采集到的故障信號輸入到濾波器中，初步過濾其中與故障信號無關的高頻信號與低頻信號。經過A/D轉換作用，上傳至故障監控中心[6]。

在此基礎上，基于EEMD去噪原理，對采集到的接觸網斷線接地故障信號進行去噪處理，解決信號時頻分析效果不佳問題，為后續故障信號頻帶局部能量特征提取奠定良好基礎。

1.1.2? ?故障信號去噪處理

在采集到的鐵道供電牽引變壓器接觸網斷線接地故障信號中，加入隨機白噪聲，設定加入的隨機白噪聲的總運行次數為，根據牽引變壓器的實際運行工況特征，設置隨機白噪聲幅值[7]。

牽引變壓器第次運行時，對應的混合信號計算公式如下：

（1）

其中：hi（t）表示第i次輸入的白噪聲。

使用EMD分解方法，對供電牽引變壓器第次運行時的混合信號xi（t）進行分解，獲取分解后的待分析故障信號，其表達式如下：

（2）

其中，uk（t）表示第k個故障信號IMF分量；K表示分解后獲取到的故障信號IMF分量總和。

判斷分解混合故障信號后的IMF分量，若k＜K，則重復上述步驟2與步驟3，每重復一次，k的值增加1，直至k=K，獲取最終的故障信號IMF分量。

在運行M次后，總共加入了M次白噪聲，計算故障信號去噪處理后的總體平均值，計算公式如下：

（3）

其中，u—k（t）表示去噪處理均值計算后的第k個故障信號IMF分量，將其作為鐵道供電牽引變壓器接觸網斷線接地故障信號，用于后續研究。

1.2? ?故障信號頻帶局部能量特征提取

基于上述鐵道供電牽引變壓器接觸網斷線接地故障信號采集與去噪處理完畢后，獲取到斷線接地故障信號。接下來，提取上述故障信號的頻帶局部能量特征。

首先，利用行波采集裝置，對鐵道供電牽引變壓器接觸網的行波數據進行全方位的采樣，讀取采集到的原始行波信號[8]。選定行波信號，利用小波包原理，對行波信號進行分解與重構，獲取行波信號從低頻到高頻的小波包分解系數。在此基礎上，求解小波包分解重構后接觸網斷線接地故障信號頻帶的局部能量，表達式如下所示：

（4）

其中，Ej表示第個故障信號頻帶的總能量；di（k）表示小波包分解后的故障信號頻帶重構系數；N表示故障信號采樣點數目。對計算獲取到的故障信號頻帶總能量進行歸一化處理，表達式如下：

（5）

其中，ei表示故障信號頻帶局部能量特征；Ei表示故障信號頻帶局部能量特征向量。通過上述表達式，獲取到故障信號頻帶局部能量特征，實現特征提取目標。

1.3? ?接觸網斷線接地故障性質識別算法設計

在上述故障信號頻帶局部能量特征提取完畢后，在此基礎上，設計牽引變壓器接觸網斷線接地故障識別算法，通過該算法，全方位、多維度地識別故障隱患。

本文設計的鐵道供電牽引變壓器接觸網斷線接地故障性質識別算法流程，如圖1所示。

如圖1所示，首先，根據上述采集到的牽引變壓器接觸網斷線接地故障行波數據，確定故障行波波頭位置，進而初始獲取故障行波波頭與反射波頭的極性。判斷故障行波波頭與反射波頭的極性是否相同，若極性相同，且上述提取到的故障信號頻帶局部能量特征集中在第一頻段，則說明牽引變壓器接觸網斷線接地故障屬于短路故障，完成故障性質識別[9]。

若故障行波波頭與反射波頭的極性不同，且上述提取到的故障信號頻帶局部能量特征未集中在第一頻段，則說明牽引變壓器接觸網斷線接地故障屬于開路故障，完成故障性質識別。

2? ?實驗分析

在提出的識別方法投入實際鐵道供電工程使用前，需要對該方法的可行性及故障識別效果作出全方位、多維度的客觀檢驗。確認該方法的識別效果能夠達到預期要求后，方可投入實際工程使用?；诖?，開展了如下文所示的實驗測試分析。

2.1? ?實驗準備

本文以某地區R鐵道供電工程作為此次研究對象。R鐵道供電工程采用有源配電網系統，其電源中性點不接地，總共布設了4條饋線，均采用架空線-電纜混合線路。

為了使實驗測試流程較為簡便，將鐵道供電牽引變壓器所帶負荷設定為配電容量的80%，將功率因數設定為0.95，將供電牽引系統的拓撲結構網絡劃分為多個不同的區段。各個區段的具體參數如表1所示。

通過表1獲取到該鐵道供電工程中線路區段對應的參數。在6個線路區段的不同位置上，設置多個單相斷線金屬性接地故障點。利用上述本文提出的故障識別方法，在理想狀態下，進行牽引變壓器接觸網斷線接地故障突變點識別，開展實驗測試。

2.2? ?結果分析

將上述本文提出的鐵道供電牽引變壓器接觸網斷線接地故障識別方法設置為實驗組，將文獻[2]提出的基于智能融合終端的故障識別方法、文獻[3]提出的基于正序電壓差的故障識別方法，分別設置為對照組1與對照組2。模擬上述3種方法的接觸網斷線接地故障識別全過程，獲取識別結果，并作出客觀對比。以此種對比分析的形式，增強實驗測試結果的說服力，避免單一的實驗結果存在主觀性。

選取牽引變壓器接觸網斷線接地故障識別率作為此次實驗測試的性能評價指標，其計算表達式如下：

（6）

其中，Q表示R鐵道供電工程中牽引變壓器接觸網斷線接地故障識別率；Rm表示被正確識別的牽引變壓器接觸網斷線接地故障數目；R表示牽引變壓器接觸網斷線接地故障總數目。越大，說明被正確識別的牽引變壓器接觸網斷線接地故障數目越多，故障識別準確性越高，識別效果越好，反之同理。

利用MATLAB模擬分析軟件，模擬上述3種故障識別方法運行的全過程，判斷識別過程中是否存在異常問題，測定并計算6個牽引變壓器線路區段接觸網斷線接地故障識別率，作客觀對比。實驗性能指標對比結果如圖2所示。

通過圖2的實驗測試性能評價指標對比結果可以看出，本文提出的故障識別方法應用后，牽引變壓器6個線路區段的斷線接地故障識別率，始終高于另外兩個對照組，均達到了98%以上，能夠準確地識別出鐵道供電牽引變壓器接觸網潛在的接地故障隱患提高鐵道供電的安全性與可靠性，可行性較高，故障識別效果優勢顯著。

3? ?結束語

綜上所述，為了提高鐵道供電牽引變壓器接觸網斷線接地故障的識別率，優化故障識別效果，本文開展接觸網斷線接地故障識別方法的全方位研究。

通過實驗測試性能指標對比結果可知，應用本文提出的識別方法后，牽引變壓器接觸網斷線接地故障識別率得到了顯著提升，均達到了98%以上，能夠準確地識別出接觸網運行過程中潛在的斷線接地故障隱患，對促進鐵道供電牽引變壓器的安全穩定運行具有重要研究意義。

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