手持式铁路接触网电压测量表设计资料.docx

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手持式铁路接触网电压测量表设计资料

中南大学

CENTRALSOUTHUNIVERSITY

本科生毕业论文

题目手持式铁路接触网电压测量表设计

学生姓名员玮

指导教师危韧勇

学院信息科学与工程学院

专业班级自动化1001

完成时间2014年6月

中文摘要

随着高铁的发展日益迅速，对高铁基础设备的维护工作也越来越重要。

对于高铁的供电系统及输电线路中各部分电压的实时监测，能够保证高铁系统安全稳定的运行。

同时在对高铁系统进行维护时，电压测量在保证施工安全，系统稳定等方面具有重要的参考意义。

在高铁供电系统中，接触网作为一个重要的组成环节，准确可靠的电压测量能够为供电系统的控制、保护及维护提供重要的参考信息，伴随着高铁建设的日益增加，维护工作的难度也随之提升，因此对接触网电压的测量要求也随之提升。

因此，针对高铁接触网的电压测量，本文采用由电场标定电压的测量方法研究了电压的非接触式测量，进行了测量原理，仪表设计，数据处理等方面的讨论以及分析。

同时，介绍并成功研制了一套适用于高铁接触网电压测量的仪表，实现了电压测量的基本功能。

通过电压与电场的关系，用检测出的电场场强对电压进行标定。

由于当前缺少一种有效的测量设备能够对高铁接触网附近的电场进行测量，本文利用平行板电容传感器和单片机研制了一种电场测量设备。

该电场测量设备可以进行工频交变电场的测量，并且能够实现数据实时显示的功能。

本套设备通过平行板电容式电场传感器产生感应电荷，并转换为交变电压信号输出，通过去噪、滤波、交直变换、放大、模数转换将信号送入单片机进行运算并且进行实时显示。

实验测试结果证明，该设备性能稳定，能够快速有效地对交变电场信号进行测量与显示，可以应用于高铁接触网产生的电场，具有良好的实用价值。

关键词：

接触网电压表电场测量

ABSTRACT

WiththedevelopmentofHigh-speedRailwayisgoingtobemorequickly,theequipmentmaintenanceworkofHigh-speedRailwayhasbecomeincreasinglyimportant.MeasurethevoltageHigh-speedRailwayintransmissionlinetoensurethesafeandstableHigh-speedRailwaysystemoperationisveryimportant.AtthesametimeinthemaintenanceoftheHigh-speedRailwaysystem,voltagemeasurementhasimportantreferencesignificanceinensuringtheconstructionsafetyandquick.InHigh-speedRailwaypowersupplysystem,contactnetworkasoneoftheimportantlink,accurateandreliablevoltagemeasurementcanprovideimportantinformationforthecontrol,powersystemprotectionandmaintenance,withthenumberincreasing,themaintenancedifficultylifting,measurementofthecontactlinevoltageisalsoputforwardhigherrequirements.

Therefore,thevoltagemeasurementHigh-speedRailwaycatenary,non-contactmeasurementisstudiedinthispaper.Themeasurementmethodofvoltagebyelectricfieldcalibrationvoltage,themeasuringprinciple,instrumentdesign,dataprocessing,discussionandanalysis.Atthesametime,introduceandsuccessfullydevelopedasetofsuitableforHigh-speedRailwaycatenaryvoltagemeasuringinstrument,therealizationofthebasicfunctionsofvoltagemeasurement.Therelationshipbetweenvoltageandelectricfield,thevoltagecalibrationfieldmeasurements.DuetothecurrentlackofameasuringdevicecaneffectivelymeasuretheHigh-speedRailwayelectricfieldnearthecontactnetwork,parallelplatecapacitancesensorandSCMisdevelopedanelectricfieldmeasurementequipmentusingthis.Measurementoftheelectricfieldmeasurementdevicecanbepowerfrequencyalternatingelectricfield,andcanrealizereal-timedatadisplayfunction.

Thissetofequipmenttoproducetheinducedchargebyparallelplatecapacitorelectricfieldsensor,andisconvertedtoalternatingvoltageoutputsignal,thedenoising,filtering,AC/DCconverter,amplifier,analogtodigitalconversionwillsignalintoSCMoperationandreal-timedisplay.Theresultsoftheexperimentsshowthat,thedeviceperformanceisstable,efficientandfasttomeasureanddisplaythesignaltoanalternatingelectricfield,electricfieldappliedtotheHigh-speedRailwaycatenaryproduces,hasgoodpracticalvalue.

KEYWORDS:

catenaryvoltmeterelectricfieldmeasurement

第一章绪论

1.1选题背景

铁路的电气化是中国铁路总的发展方向。

实现铁路的电气化必须依赖接触网工程、变电工程、信号工程和通信工程，其中以接触网工程作为铁路电气化工程中最主要的部分。

由于供电系统所输出的电能需要通过接触网电路输送给电力机车的牵引动力系统以及信号采集和控制系统使用，因此接触网的工作质量和工作状态将直接影响到高速铁路系统能否安全稳定迅速地运行。

由于接触网架设在野外，没有遮盖的防护设施，没有备用的线路，也不能随时进行维护，线路上的负载又是随着电力机车的运行而实时变化的，所以要求接触网无论在任何条件下，供电都要有良好的保障，保证电力机车在线路上安全高速的运行，并尽可能地节省投资、优化结构、便于管理、维护以及更新。

在此环境下，安全测量接触网的电压在维护接触网系统时显得至关重要。

由于接触网电压高，周围的工频电场会对人体产生危害，所以目前需要提供一种在安全范围内进行非接触式电压测量的解决方案。

1.2国内外发展现状

早期人们主要是通过电学原理来对电场进行测量，主要分为两种方法，即电位平衡法和电荷法。

电位平衡法的测量原理是通过测量传感器两端的电极的电位分布来对电场进行测量，精确等级并不高。

电荷法的测量原理是通过计算金属球壳在电场中感应出的电荷量来对电场进行测量，比电位平衡法要精确，但是容易受到外界干扰，具有一定的局限性。

近年来，利用电学原理为基础设计的感应电荷式的电场测量仪表在测量幅值较高、频率较低的电场，其中以工频电场为主时，得到了广泛的应用；利用光学原理为基础设计的光电电场测量仪器在测量幅值小、频率高的电场，其中以实验室产生的高频电场为主时，得到了较为广泛的设计开发及应用。

　　20世纪60年代，科研人员提出了使用电荷感应原理来设计电场传感器的方法，被用于测量工频电场。

自1980年初，国内外对测量工频电场这一领域展开了较为深入的探索和研究。

1984年，历史上第一个基于电荷感应设计出的电场测量系统在德国问世。

德国斯图加特大学的K．Feser[1]等人研制了一种用于测量二维瞬态电场的电场测量系统，这是电场测量领域的一大创举。

该大学对原有的球型传感器进行了技术方面的改进，研制了一种电场测量系统用于测量二维瞬态电场。

该系统的球型传感器的半径为20mm，不会对待测的瞬态电场造成干扰。

该系统拥有高达10MHz的测量频率带宽，信噪比为32dB。

该新型系统的动态响应范围比原来的系统的动态响应范围扩展了很多。

使用该系统对固定频率的交变电场以及多频率混合的瞬态电场进行测量试验时，该系统表现出了快速响应的优良性能，测量的效果十分理想。

1986年，美国斯坦福大学的EM．Thomson[2]等人在斯图加特大学研制的二维瞬态电场测量系统的基础上研制出了新的电场测量系统。

该系统能够测量三维球形瞬态电场。

该系统的球型传感器的半径为225mm，比二维瞬态电场测量系统的球型传感器的半径增加了许多。

该系统的测量频率带宽为3Hz~4MHz，与二维瞬态电场测量系统的测量频率带宽相比要窄了一半左右。

该系统使用光纤传输信号，光纤长度为100m，在较大程度上降低了测量系统电流对测量结果的干扰。

由于以上这些更加完善的设计，使得该测量系统的动态响应特性更加优秀，系统的测量精度也有所提高，使用该系统对三维瞬态电场进行测量实验，实验结果表明，该系统的测量误差小于0.1％。

1992年，瑞士Haefely[3]公司的研究人员研制出了一种采用光电方式传输信号的电场测量系统，该系统的光纤长度为20m。

该系统主要用于测量二维交变电场。

该仪器采用球型传感器，直径为8cm，与以上两种测量系统的传感器大小相比要小了很多，可以同时测量两个正交方向的电场。

该测量系统拥有高达20MHz的测量频率带宽，可以测量的场强大小范围为0.2～10kV/cm。

使用该系统对高压输电线路进行测量实验，实验结果表明，系统的测量误差在1%左右，与此同时，该系统表现出了快速的动态响应性能和高精确度的测量性能。

1994年，美国J．Ramirez．Nino[4]等人在瑞士公司研制的二维交变电场测量系统的基础上成功研制了更高精度的电场测量系统，该测量系统同样拥有高达20MHz的测量频率带宽，可以测量的电场强度