接触网避雷器性能在线监测系统的研究与设计
0 引言
在高速铁路发达的欧洲中部地区，每 100 km接触网在 1 年内可能遭受 1 次雷击。基于这样的雷击概率数据，德国采用的方法是在雷电较多的地段安装避雷器，而在其他雷电较少的区段，一般不考虑安装避雷器等防雷装置。而与德国相比，日本的地理环境、气象环境完全不同，因此对电气化接触网的保护措施也截然不同。日本根据雷击频度及线路重要程度，将防雷等级划分为 A、B、C 三级区域。A 级区域雷害严重且线路重要，全线接触网均架设避雷线，同时在牵引变电所出口、接触网隔离开关、电缆接头连接处、架空避雷线接地线终端等重要部位设置避雷器；B 级区域雷害较重且线路重要，对部分特别地段的接触网架设避雷线，同时在与 A 级区域相同的重要位置安装避雷器；对于 C级区域，一般只在一些重要位置安置避雷器。
从雷电的形成来分析，我国很多地区（比如西南地区、东南沿海地区）有类似于日本的地理和气象环境，但铁路接触网的防雷保护却没有吸取日本高铁的经验，反而机械地学习了德国经验，所以在高速铁路刚发展的几年内，不可避免的由于雷电影响而造成多起事故，给人们的生产、生活带来了深刻的负面影响。
避雷器性能优劣检测原理与监测方法仍然沿用电力系统中的常用的研究方法。但铁路牵引系统与电力系统相比具有负荷移动、方式多变等特点，加之接触网与电网不同的拓扑结构，导致对接触网用避雷器进行状态性能检测的时候面临谐波电流复杂、频繁操作过电压等诸多新的问题。
1 铁路接触网特性分析
本文针对避雷器运行的背景环境是牵引供电系统，它是指三相电力系统接受电能向单相交流电气化铁道行驶的列车输送电能的电气网络，主要构成部分如图 1 所示。牵引变电所控制及变换电能，转换接触网与电力系统之间的电压，接触网则负责向列车供给电能，国内干线电气化铁道的供电制式是工频单相交流制，接触网的额定电压是25 kV。
负荷的特殊性决定了接触网的特征不同于一般三相输配电网络，主要原因有以下几点：
（1）电力机车是大功率单相负荷。
（2）电力机车是移动性负荷，由于电气化铁道线路的条件多变，机车在行进过程中阻力也不断的变化，频繁地在起动、加速、惰行、制动等工况之间转换，机车负荷的剧烈波动容易使接触网电压异常波动，产生操作过电压。
（3）电力机车是非线性负荷，国内大量采用的交直流型电力机车，主电路一般都为相控整流电路，网侧电流含有较大谐波成分，且含所有奇数次谐波，包括 3 次及 3 的倍数次。
本文主要针对接触网用避雷器的工作条件及背景环境，其他的有关牵引供电系统及接触网的内容不作为研究的对象，而能够给避雷器性能状态带来危害的谐波电流和电压波动也是本文分析的重点之一。
1.1 接触网谐波特性分析
在避雷器性能检测过程中，阻性电流值因其能够很好地反映避雷器的状态性能而常被用作判断避雷器性能优劣的重要依据。但是在谐波污染严重的情况下，阻性电流中含有较大分量的谐波含量，严重影响了性能分析的精确性。而在电气化铁路系统中，电力机车多采用 PWM 控制电路，容易给接触网带来严重的谐波污染，谐波在接触网传播的过程中，当接触网参数与机车匹配时会发生谐振和严重的谐波放大。根据 CRH2 动车组的模型仿真分析，当机车在运行工况之间切换时，对应的输出功率会发生变化，由于基波与各谐波电流的变化不同步，导致不同输出功率下谐波电流含量的变化较大。由谐振引起的电压畸变会进一步使机车谐波电流增大，形成一个类似于正反馈的相互激励过程，导致接触网形成谐振过电压，烧损避雷器等设备。
因此，在避雷器性能监测分析中，谐波含量的检测对避雷器工作状态的分析具有重要作用。本系统也将基于场强法的谐波检测方法运用其中。
1.2 接触网电压波动分析
电气化铁路牵引负荷表现为移动且运行工况切换频繁的特点，是一种十分典型的日波动负荷符合短时冲击的特点。接触网的电压波动与线路条件、机车类型、运行工况、机车速度、牵引重量等因素有关，且这些影响因素具有随机的特点。根据数据统计，接触网电压波动范围最大可达 30%，同时电压峰值最高达到 460 V，波峰系数达到 1.92，电压峰值的大范围变化对设备的安全构成了较大的隐患，这其中也包含避雷器。因此在对避雷器性能在线监测的过程中，频繁的操作过电压将是一个值得深究的问题。
为此，在本系统中额外添加了避雷器运行过电压监测功能，设定运行过电压的阈值，并记录下运行过电压的时间和次数，有助于对避雷器性能状态和故障原因进行分析研究。
2 氧化锌避雷器在线监测系统的结构设计
氧化锌避雷器在线监测系统主要由传感器、监测点装置、数据采集节点及上位机数据管理平台组成，其结构设计如图 2 所示，分别利用感应式电压传感器和电流互感器采集避雷器运行的电压信号和电流信号，每只避雷器有其固定的监测点装置，采集处理监测到的状态数据；一只数据采集节点可以处理多个监测点装置的监测数据，利用 RS485实现多个数据采集节点与上位机之间的数据通信。
主控 PC 向下位机数据采集节点发出索要数据的控制指令后，节点根据接收的指令要求向监测点装置索要当前的监测数据，该装置在收到指令后就按要求将监测数据回传给数据采集节点，节点确定收到监测数据之后，再将这些数据有次序地回传给主控 PC，上下位机之间采用 ModBus 通信协议，并通过 CRC 校验，以保证数据传输的准确性。
2.1 监测点电路结构设计
避雷器性能在线监测点主要完成避雷器运行电压及泄漏电流的采集、计算及其信号处理和组网通信等功能。整体结构由电流采集模块、电压采集模块、90E36 信号处理模块，单片机控制模块、电源模块、RS485 通信模块、雷击计数模块及 LCD显示模块组成。
2.2 RS485 串行组网通信结构设计
在数据通信、计算机网络应用中，RS485 是一种常用的串口通信标准，它是在 RS232 标准基础上发展起来的一种平衡传输标准，能够克服 RS232通信距离短，速度低等缺点，其最高传输速率达到10 Mbit/s，最远传输距离可达 1 200 m；具备多点、双向通信功能，即可允许同一条总线上连接多达32 个数据节点，而且节点驱动能力强、冲突保护特性好。由于 RS485 标准对接口要求的特殊性，用户亦可建立自己需要的通信协议。因此，该系统采用 RS485 标准组网通信。
3 结语
在高速铁路刚发展的几年内，曾因雷电影响造成多起列车停车晚点事故，给人们的生产、生活带来了深刻的负面影响，铁路系统的防雷避雷研究已经成为一个研究的热点课题。传统的避雷器故障监测研究只针对于电力系统的应用背景，铁路牵引系统具有负荷移动、运行方式多变而造成的谐波电流复杂、频繁操作过电压等特点，而谐波电流和操作过电压都会严重影响避雷器性能状态。因此针对接触网系统的特殊性，本文提出了氧化锌避雷器性能在线监测的实现方法，并设计了在线监测点的硬件装置、数据采集节点及主控 PC 数据管理平台。经测试，本监测系统具备对避雷器阻性泄漏电流和相位差值进行精确检测，数据传输流畅，同时具有实时数据图形化显示，历史数据查询等功能。系统运行试验验证了理论分析和设计的正确性，为其他电气设备实时监测研究提供了重要的理论基础和实际的指导意义。