电气化铁路牵引供电系统研究现状及设备的在线监测

　　摘要：中国从改革开放至今经历了四十年的发展期，在这四十年间我国从一个落后的农业国变成了如今高速发展的工业国家，而电气化铁路的建设也随之取得了前所未有的突破。就目前来看，我国的电气化铁路发展正在迎来全新的挑战，如何保证其运营性能已经不再是我们需要考虑的问题。怎样提高电气化铁路的稳定性、确保其能够更好的为人民服务才是我们研究的重点。

　　关键词：电气化铁路;牵引供电系统;研究现状;在线监测;关键性技术

　　1我国电气化铁路以及相关系统的综述

　　我国电气化铁路的安全牵引供电系统的出现主要是因为电气化铁路所需要的安全电能太大，而我国的电气化铁路本身却没有办法承载相关的电能所产生的特殊电流能量。我国电气化铁路牵引供电系统主要是通过铁路牵引变电所，以及安全牵引网这两个部分共同组成的，其中的铁路牵引变电所要依据真实用电需求来转变电力，通常利用的牵引变电所主要是由开闭所、分区亭以及电气化牵引变电器等相关的牵引变电安全仪器所共同构成，而我们使用的牵引网主要是把牵引变电所中所有转换的电力安全供应到对应的行动电机动车上，牵引网主要是由电压接触网、正反馈电线、轨道回路和相关的回流线路共同构成的。通常情况下，主要的铁路牵引供电系统是通过自耦变压器供电形式、吸流变压器以及带回流线供电方式等五种供电方式组成，根据相关的真实电力需求状况合理、有效地选择恰当的安全供电方式。

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　　2牵引供电系统供电方式概述

　　就目前来看，世界范围内的高速铁路建设已经取得了十分可观的成效，高速铁路中的牵引供电系统也成为了人们关注和研究的重点内容。这种牵引供电系统一般可以分成两部分来分析，分别是变电站和接触网，二者共同配合共同运行才能确保牵引供电的正常进行。而变电所作为牵引供电系统的核心部分，其主要负责的就是将电网中的三相高压电转变成高速铁路运行所需要的电能并且进行降压供电。另外，变电站还需要将转换完成的电能输送到接触网中，确保电力机车能够从中调用电能维持正常运行。而为了确保电能调用的稳定性，我们还需要对接触网的运行进行研究，其可以称作是电能输送的桥梁和媒介。

　　不难看出，接触网能够承受电能的多少将会影响到电力机车的运行情况，因此我们必须要采取相应的方法保证接触网的供电和承载电能的能力，从而提高高速铁路的运行效率和质量。在设计接触网的过程中，需要考虑到电力机车运行可能造成的机械振动以及巨大的冲击力，采取措施进行抵消和处理，防止其对稳定供电造成影响，保证接触网的正常性能。另外，从供电电压的角度来看，中国的电力网络普遍采取的是单相50赫兹的交流供电方式，电网输出的电流电压通常为220千伏或者110千伏，而牵引供电系统的变电所接收到的正是这种高压电。牵引供电系统的变电站通常会借助变压器等设备对高压电进行处理，而后将电流输入到接触网中。通常来说，变电站需要为机车母线提供的电压为二十五千伏，因此电力机车、接触网等配套设备的额定电压也为二十五千伏，但是目前我国大部分的高速铁路供电电压都是110千伏，这就使得很多接触网和配套设备的工作电压都与额定电压有较大的出入，很容易造成配套设备的运行问题。

　　3电气化铁路牵引供电系统研究现状

　　3.1电元子的流向问题

　　电流的负序是通过牵引电路改换方式接入电力供电网络，有许多隐秘的未知的因素造成的，负序电流会导致变压器温度增高，随之会改变变压器的载量;第二，电网中的电能质量会随之减少;第三，电线路会发生相应的问题，这是应该提前考虑到的。

　　3.2没有功率的问题

　　科技的变迁，新型电力机车的普及，大量机车的做功会不断增加，虽然还存在许多无法协调的问题因素，如机械的老化使从电网接收了大量无用的功率，做功问题仍有漏洞。除此之外。牵引网和牵引变压器的影响，也会使相关机械的做功降低，从而影响整个电力网络的发展。

　　4电气化铁路牵引供电系统研究的关键性技术

　　4.1提高牵引变电所可靠性

　　第一，必须要确保设备的整体质量从而避免出现过多的故障。牵引供电系统本身是各种设备和设施的总称，只有提高了各个机械设备的运营稳定性，牵引供电系统的稳定性才能得到保证，基础性设备的质量存在问题的情况下，工作人员进行再多的维护工作也只能是徒劳无功，因此我们还需要从设备本身入手。具体来说，需要每隔一段时间对设备进行更新和检查，充分的了解和掌握不同设备的运行时长以及其故障情况，避免牵引供电系统中存在超年限运行的设备和零件;加大力度进行设备的维护和保养工作，牵引供电系统的大部分设备的运行环境都比较复杂，且外界因素非常恶劣，这就使得很多设备的故障率比较高而且使用寿命都比较短，在这种情况下及时的进行维护就显得尤为重要;一旦在检修中发现了某部分设备的损坏问题，必须要第一时间进行处理，但同时需要考虑到经济投入方面的问题，必须要根据实际情况选择最合理的处理方案，比如某些情况下只需要更换零件就可以维持正常运行，就不必对整个设备进行更换，只有这样才能更好的保障高速铁路牵引供电系统的整体效益。

　　第二，牵引供电系统的变电所一般情况下都是利用双进供电法为牵引接触网提供电能。而牵引供电系统本身是不具备发电功能的，其所有的电力能源都来自于国家电网，因此在国家电网的稳定性出现问题的时候，牵引供电系统必定会发生同样的问题。在这种情况下，牵引供电系统的维护已经无法解决问题，这是目前我们必须要面对的一个难题，为了解决这种问题，我们需要尽可能的采取多回路供电法，也就是说同时安排多个电力来源以避免牵引供电系统发生瘫痪。

　　4.2提高牵引网可靠性

　　中国的铁路网络建设在世界范围内都是占据前列的，但是同时，受到复杂地形地貌以及多种气候区的影响，我国电气化铁路的建设目前还不能做到尽善尽美，仍旧存在诸多问题亟待解决。比如说牵引供电系统的备用系统不足，没有多余的备用供电体系可以做到未雨绸缪，在这种情况下我们必须要尽一切努力确保牵引接触网的稳定运行，具体来说我们可以通过以下几种措施保证牵引网的可靠性：第一，牵引接触网的很大一部分结构都是直接暴露在外的，外界的天气因素以及气候因素很可能对其质量产生不可忽视的影响，因此我们必须要保证牵引网的耐腐蚀性，从硬件设备质量以及抗腐蚀处理两方面入手，选择优质的电网材料、做好额外的处理，通过电镀等方式提高牵引网结构应对外界影响的能力。第二，牵引网是变电所与电力机车之间传递电能的桥梁，承担着十分重要的责任，因此我们必须要保证牵引网的每一个零件的质量。在购进特殊零件的时候，需要记录其生产批号和生产商，这样一来在发生故障的时候才能够追寻到其来源，并且找到安装责任人进行及时的补救和处理。

　　4.3提升电气化铁路牵引供电系统的安全分析对策

　　就目前情况来看，我国电气化铁路建设在初期的运量普遍不高，安全供电系统的供电能力也没有得到更加丰富的利用，这也就形成了建设资源上的极大浪费。所以，项目中相关的技术操作人员应该对电气化铁路的安全牵引供电容量逐渐优化的问题不断展开深入的分析讨论，确保该系统的安全平稳运行的同时，也尽可能地减少相关方面的资本投入，实现企业经济效益的最大化。虽然对于电气化铁路供电牵引操作系统的安全可靠性讨论和分析的举措，以及相关思路都已经逐渐完善和健全，但是铁路整体的牵引供电系统同样存在着很大的安全问题和一系列的挑战，这样就容易导致电气化铁路牵引供电系统不能够及时依照预期讨论和分析把电力不断传输到电车动力组，进一步可以确保我国电气化铁路的安全运行日常工作。

　　所以，一定要采取有效的措施来提升电气化铁路牵引供电系统的安全可靠性，进一步确保电力动车组需要消耗的电量应该得到满足。为了更好地得到我国电气化铁路供电牵引系统安全可靠性分析讨论的结果，一定要确保铁路的牵引变电器以及牵引网的安全设备的质量水平，逐渐降低安全故障的发生概率，提升铁路设计的标准和要求，使得我国铁路牵引供电系统各种部分的零件、元件的安全质量超过标准要求，从而可以在最大限度上减少很多不必要的安全故障发生，进一步有效地提升我国电气化铁路牵引供电系统的安全可靠性能。

　　4.4对各供电设备模块实现在线监测

　　在线监测系统主要由以下几个部分组成：

　　1、信号的变送一一一般由相应的传感器来完成，从电气设备上检测出那些反映设备状态的物理量，并将其转换为合适的电信号，传送到后续单元。它对监测信号起着观测和读数的作用。

　　2、信号的处理一一对传感器变送来的信号进行预处理，对干扰信号进行抑制。

　　3、数据采集一一进行月转换

　　4、信号的传输一一将采集到的信号传送到后续单元，对固定型的监测系统，须配置专门的信号传送单元对便携式的监测装置只需要对信号进行适当的变换和隔离。

　　5、数据处理一一对所采集到的数据进行处理和分析，如读取特征值，并作必要的分析，为故障诊断提供有效的数据和信息。

　　6、故障诊断

　　高速电气化铁道牵引变电所综合自动化系统的高压设备绝缘在线监测模块包括对变电所的变压器、高压断路器、避雷器和电容型设备的绝缘和工作状态进行实时的监测，并及时对设备的状态进行判断，做出相应的处理，以保证铁路运输的正常运行。

　　随着近年来计算机技术和通信技术的快速发展，特别是应用于工业现场的现场总线技术的发展，可以采用总线式结构的绝缘在线监测系统。各个在线监测模块就近安装于设备附近，具有独立的信号提取、信号预处理、刀转换、信号处理功能，并通过现场总线与主机进行通信，真正实现绝缘参数和工作状态的分散式测量。在线监测的数据将被送入绝缘诊断系统。利用神经网络、推理等人工智能技术，综合各种离线、在线数据，结合现场人员多年宝贵和丰富的经验，对设备状态进行有效检测。并借助网络对信息进行传输、存储，及时地分析处理，给出相应的状态信息，以利于现场运行人员及时处理，必要时也可以通过综合自动化系统的其他模块做出紧急处理，可以大大的提高整个牵引供电系统管理水平和自动化程度。

　　高压设备在线监控系统采用分布式双层网络结构，第一层由以DSP和32位处理器为核心的各智能在线监测单元构成，第二层由当地监控单元和工程师工作站构成，通讯前置机作为两层网络互联的网关设备。

　　系统综合信号处理、人工智能、通信、DSP、数据库、计算机网络等技术，将一个变电所完整的在线监测和诊断任务分解到不同层的各计算机上，相互配合，共同实现对变电所内各高压设备的在线监测过程。第一层为设备层，由多个以DSP和32位处理器为核心的智能在线监测单元构成，DSP具有高速的数字信号处理能力，配合外围的传感器、滤波、放大、A/D转换等采集电路，采集各高压设备的各种在线状态信号，通过RAM双口与32位处理器共同处理后，通过光纤LONWORKS现场总线经过通讯前置机将数据上传到第二层。第二层为监测诊断层，当地监控单元和工程师工作站通过以太网互联，对通过通讯前置机传送的数据进行存储、显示以及常规的报警和数据分析，并采用神经网络、小波变换、模糊规则、分形法、专家系统等技术进行深入的故障诊断和分析决策。通讯前置机除完成以太网和光纤LONWORKS网络的网关功能外，还具有与GPS时间同步系统和远方调度中心的数据通讯功能。

　　4.6对供电设备模块数据化分析

　　在前面的讨论中已经指出，由于电气化铁路牵引供电系统担负着给电气化铁路运输提供电能的重要任务，所以其设备的安全运行显得至关重要。因此对各种高压设备进行状态的在线监测势在必行。在经过处理的数据，需要通过现场工作人员的分析和判断，并据此作出相应的维护和运行决策。数据分析系统就是要运用神经网络，推理等人工智能技术，综合各种离线、在线数据，结合现场工作人员多年的宝贵经验，对设备状态进行有效检测，并对设备状态信息进行传输、存储及分析处理。这样就可以共享各方面多名专家的宝贵经验财富，提高电气化铁路供电系统的管理水平，保证铁路运输的安全。

　　专家系统汇聚人类专家在某一技术领域的专业知识，利用计算机的强大软件功能，根据专家知识和经验导出一系列规则，由计算机代替、模仿人类专家作出系统决策。专家系统的优点在于适应性强、成本低、危险性低、持久性、复合专家知识、可靠性强、响应快、始终稳定理智和完整的响应。

　　在变电所的设备状态监测系统将采集到的数据送入当地监测装置，通过通信前置机与远动系统相连接，通过远动通道传输数据。在远动中心设置专门的高压设备在线监测服务器，进行设备的在线监测。局域网的组网方式可以采用电缆直接连接也可以采用光纤连接。数据服务器1主要用来存放各个变电所高压设备离线检测的数据，这些数据由现场预防性试验获得，由现场工作人员在当地监控装置上输入，通过网络存入数据库。

　　数据服务器2主要用来存放在线监测第二层数据融合后的各种数据以及少量的重要现场数据，这些数据由在线监测设备实时获得，但是并不是实时传输到远动中心。中心服务器通过运用专家系统的各种算法对这些数据进行第三层次的融合，给出诊断意见，严重的故障可以发出跳闸等隔离故障的命令，最终实现在线监测。各方面的专家可以根据实际情况随时调看各个变电所的各种参数数据和试验数据，及时扩充和完善知识库，建立由专家系统和专家共同参与故障诊断的多方位诊断监测模式。

　　5结语

　　总而言之，高速铁路牵引供电系统的维护和管理工作决定了其整体的运行效果，也就决定了我国铁路事业发展的稳定性。因此在今后的工作中，我们必须要就此课题进行进一步的研究和分析，争取找到最佳的措施和手段，提高牵引网和变电所的运行质量，为我国铁路事业的进步做出努力。

　　参考文献：

　　[1]贾亨强.电气化铁路牵引供电系统中防雷装置的安全运营管理[J].工程建设与设计，2019(21):273-275.

　　作者：任晓宝