接触网腕臂绝缘子污闪预警关键技术研究

摘要

随着我国电气化高速铁路骨干网和重要区域网的建成运营，纵横交错的高速铁路网对牵引供电系统的可靠性提出了更高要求，其中，接触网绝缘子污闪事故一直是威胁我国高速铁路牵引供电安全的难题之一。目前，我国铁路接触网绝缘子的污闪预防措施主要有加大爬电距离、涂刷憎水性涂料、更换成复合绝缘子、周期清扫等，这些措施仍属于被动措施，可在一定程度上降低污闪发生的概率，但却造成了人、财、物等维修资源的浪费，有时污闪又恰恰发生在两次清扫之间。由于污闪是区域性的问题，一旦一处污闪跳闸，则表明该区域同类绝缘子均处于临界污闪的状态，因此，风险预警水平的高低，将直接关系到牵引供电系统的可靠度以及供电段在绝缘子维护工作中投入的人力成本和承担的安全风险，关系到供电“天窗”的利用率。随着我国高速铁路牵引供电管理系统自动化水平的日益提高，迫切需要在污闪发生之前预知接触网绝缘子表面的污秽程度和污闪风险程度，及时采取防治措施，有效避免污闪的发生。接触网绝缘子污闪预警监测已被列入我国电气化铁路供电检测监测体系（6C体系）。论文从牵引供电安全检测监测的需求出发，系统地研究了接触网腕臂绝缘子污闪预警关键技术。以泄漏电流作为分析参量，以电气化铁路用QB-25型接触网腕臂绝缘子作为试品，进行了试验研究，通过严格控制和改变试验条件，采集了腕臂绝缘子试品在不同污秽度下的泄漏电流试验数据，采用小波包与经验模态分解相结合的时频分析方法、Welch功率谱计算法、谐波分析等分析方法，对数据进行了时域分析和频域分析，基于分析得出的腕臂绝缘子泄漏电流特性，选择泄漏电流有效值最大值、有效值均值、有效值标准差、泄漏电流三次谐波最大值、三次谐波含量等五个特征量作为污闪预警指数的输入量，首次建立了电气化铁路接触网腕臂绝缘子污闪风险预警指数模型，该指数模型可直接用于工程实践，作为绝缘子表面污秽度在线监测与污闪预警的诊断与评价依据。本论文所做的主要工作和创新点如下:
　　首次采用QB-25型高铁接触网腕臂绝缘子作为试品设计和实施了人工污秽试验。通过严格控制和改变试验条件，按照等值附盐密度为0.05mg/cm2、0.15mg/cm2、0.25mg/cm2、0.35mg/cm2四个人工污秽等级，完整地采集了QB-25型绝缘子不同放电发展阶段的泄漏电流试验数据，填补了我国高铁接触网腕臂绝缘子人工污秽试验的空白。
　　首次利用基于小波包与经验模态分解(WP+EMD)相结合的时频分析算法，提出了泄漏电流局部信号的时频特性分析方法，并采用该算法计算了接触网腕臂绝缘子泄漏电流的时频谱。具体工作包括在计算时频谱前，首先分析了四种小波阂值去噪方法的优劣，选用了去噪效果最优的自适应阈值法对等值附盐密度分别为0.15mg/cm2和0.25mg/cm2的腕臂绝缘子泄漏电流试验数据进行了处理，在分析了经典时频分析方法局限性的基础上，提出了小波包与经验模态分解(WP+EMD)相结合的泄漏电流时频谱算法。通过与经典的Wigner-Ville分布分析法相对比，验证了本论文所提出的WP+EMD时频谱算法的优越性，即采用WP+EMD时频谱算法，能够清晰地再现原始泄漏电流信号的局部时频特性，而采用Wigner-Ville分布分析法会带来交叉项干扰，模糊泄漏电流信号的原始特征。
　　首次构建了接触网腕臂绝缘子污闪预警指数(FOI)。该指数可直接应用于以接触网腕臂绝缘子泄漏电流为监测量的污闪预警在线监测系统，可量化描述污闪风险，给出绝缘子接近污闪的程度指数或绝缘子表面污秽度指标。当绝缘子表面污秽度发生变化时，不同的泄漏电流特征量受污秽度影响的权重不同，为选择理想的污闪预警指数输入量，剔除无效和冗余特征量，本论文首先分析了在诸多泄漏电流特征量中，哪些能显著反映污秽度的相对变化，充分表征污闪信息，经过对腕臂绝缘子泄漏电流时域特性和频域特性的分析，论文提取了泄漏电流有效值均值Iem、有效值最大值Iemax、有效值标准差σ、泄漏电流三次谐波含量、三次谐波最大值等五个特征量作为构建污闪预警指数的输入量，采用sigmoid函数进行归一化处理，构建了腕臂绝缘子污闪预警指数，并通过试验验证了预警指数的有效性。FOI指数的提出，可作为带电运行中的接触网绝缘子绝缘状态评价指标，为铁路供电管理部门编制接触网绝缘子防污闪维修作业计划提供依据，使绝缘子的防污闪工作由计划检修到状态维护成为可能。

目录

声明

致谢

摘要

缩略语对照表

1．绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 问题的提出

1．1．2 接触网绝缘子污闪因素分析

1．1．3 接触网绝缘子污闪预警的研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 污秽度检测方法研究现状

1．2．2 绝缘子表面泄漏电流研究现状

1．2．3 电气化铁路防污闪技术管理措施现状

1．3 本论文的研究目标与主要内容

1．3．1 研究目标

1．3．2 主要内容

2．接触网腕臂绝缘子泄漏电流试验设计

2．1 试品

2．2 试验方法

2．2．1 绝缘子表面染污方式

2．2．2 污秽配比

2．2．3 电压施加方式

2．2．4 环境因素与试验控制

2．3 试验设备

2．3．1 试验设备概述

2．3．2 泄漏电流测量

2．4 试验数据说明

2．5 小结

3．泄漏电流试验数据的去噪方法

3．1 基于阈值的小波降噪原理

3．1．1 信号降噪的原理及应用

3．1．2 阈值估计

3．2 泄漏电流信号降噪与波形重构

3．3 四种小波阈值去噪法的有效性分析

3．4 小结

4．接触网腕臂绝缘子泄漏电流时频谱

4．1 经典时频分析方法

4．1．1 短时Fourier变换

4．1．2 小波分析

4．1．3 Wigner-Ville分布

4．1．4 经验模态分解

4．2 基于小波包的EMD时频分析算法

4．3 接触网腕臂绝缘子泄漏电流时频谱分析

4．3．1 等值盐密度为0．15 mg／cm2时的泄漏电流时频谱

4．3．2 等值盐密度为0．25 mg／cm2时的泄漏电流时频谱

4．4 小结

5．接触网腕臂绝缘子泄漏电流特性分析

5．1 绝缘子污闪模型及放电过程

5．1．1 绝缘子污闪模型

5．1．2 绝缘子表面放电的发展过程

5．2 泄漏电流时域特性分析

5．2．1 泄漏电流波形特性分析

5．2．2 泄漏电流有效值特性分析

5．2．3 小结

5．3 接触网腕臂绝缘子泄漏电流频域特性分析

5．3．1 基于有限长信号观察的功率谱估计

5．3．2 功率谱估计方法

5．3．3 泄漏电流的功率谱变换

5．3．4 泄漏电流谐波分析

5．4 小结

6．接触网腕臂绝缘子污闪指数与表面污秽度预警

6．1 引言

6．2 腕臂绝缘子污秽闪络指数(FOI)的构建

6．2．1 泄漏电流特征量的选取

6．2．2 神经网络阈值函数sigmoid函数

6．2．3 污闪预警指数Flash Over Index(FOI)的建模

6．3 接触网腕臂绝缘子污闪指数的有效性验证

6．3．1 等值盐密度为0．35 mg／cm2条件下的FOI有效性验证

6．3．2 等值盐密度为0．25 mg／cm2条件下的FOI有效性验证

6．4 小结

7．结论及展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

作者简历及科研成果

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