王 安 劉三帥 楊偉偉

(西北工業(yè)大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，710129，西安∥第一作者，副教授)

《鐵路信號(hào)維護(hù)規(guī)則技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ》中規(guī)定，全程信號(hào)電纜芯線與大地間的絕緣電阻值，在鐵路區(qū)間和鐵路中間站應(yīng)不小于1 MΩ。當(dāng)測(cè)量值低于規(guī)定值就說(shuō)明有接地故障發(fā)生。當(dāng)電源母線發(fā)生一點(diǎn)接地故障時(shí)，不構(gòu)成對(duì)地電流回路，所以不影響信號(hào)設(shè)備的正常運(yùn)行，但必須盡快排除接地點(diǎn)故障。否則，如果信號(hào)系統(tǒng)再發(fā)生另外一點(diǎn)接地故障，兩接地點(diǎn)將短接某一部分信號(hào)設(shè)備，使信號(hào)設(shè)備發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作甚至使信號(hào)設(shè)備失去電源而拒動(dòng)，輕則造成列車晚點(diǎn)，重則會(huì)造成意外安全事故。如果接地點(diǎn)是金屬性低阻接地故障，利用基于信號(hào)強(qiáng)度跟蹤法［2］的接地點(diǎn)探測(cè)儀器很容易找出接地點(diǎn);但如果接地點(diǎn)經(jīng)大電阻(如阻值大于100 kΩ)接地，信號(hào)系統(tǒng)線纜對(duì)地的分布電容又比較大(如電容值大于1 μf)時(shí)，接地故障點(diǎn)的查找就比較困難。為此，本文給出了一種簡(jiǎn)便、快捷、靈敏度高的鐵路信號(hào)系統(tǒng)接地故障點(diǎn)探測(cè)方法。

1 接地故障查找的基本原理

鐵路信號(hào)電纜芯線對(duì)之間以及芯線與大地之間存在較大的分布電容，現(xiàn)有的故障檢測(cè)方法大都受到分布電容的影響而只能找出阻值較小的接地故障點(diǎn);而基于相位法［3-4］的故障查找方法正是充分利用其自身分布電容的存在，通過(guò)不同大小分布電容及接地電阻對(duì)交流信號(hào)在相位上的變化來(lái)判斷接地故障點(diǎn)。如果線纜設(shè)備發(fā)生接地故障，就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)接地故障阻抗Rx。而線纜設(shè)備與大地之間存在均勻分布電容，用集總參數(shù)等效電路表示如圖1所示。其中，C1是接地故障點(diǎn)前方對(duì)地等效分布電容，C2為接地故障點(diǎn)后方對(duì)地等效分布電容。

圖l 電纜芯線接地故障等效電路

該方法的查找原理如圖2所示。信號(hào)發(fā)送器向故障芯線和地之間注入一低頻正弦電壓信號(hào)，由于接地故障電阻Rx和對(duì)地分布電容的存在使得電纜芯線與大地組成閉合回路，在交流電壓信號(hào)的作用下回路產(chǎn)生交變的電流。信號(hào)接收器產(chǎn)生與信號(hào)發(fā)送器同頻率的正弦參考信號(hào)。此參考信號(hào)在整個(gè)查找故障過(guò)程中都存在，其作用是為芯線中的電流提供相位參考。在信號(hào)發(fā)送器附近P 點(diǎn)對(duì)接收到的線芯電流和參考信號(hào)進(jìn)行同步采樣，通過(guò)快速傅里葉變換(FFT)數(shù)字信號(hào)處理進(jìn)行電流和參考信號(hào)相位的關(guān)聯(lián)，即:記錄存儲(chǔ)此點(diǎn)電流和參考信號(hào)的相位差，并存儲(chǔ)此時(shí)的電流幅值，沿故障線向遠(yuǎn)端依次測(cè)量芯線中電流和參考信號(hào)相位差的變化。如圖2 中所示，A 點(diǎn)表示關(guān)聯(lián)點(diǎn) P 和故障點(diǎn) X 之間的測(cè)量點(diǎn)，B 點(diǎn)表示故障點(diǎn)前且靠近故障點(diǎn)X 的測(cè)量點(diǎn)，D點(diǎn)表示故障點(diǎn)后且靠近故障點(diǎn)X 的測(cè)量點(diǎn)。用帶有電流鉗的信號(hào)接收器依次測(cè)量A 點(diǎn)、B 點(diǎn)和D 點(diǎn)的電流幅值和相位。測(cè)量點(diǎn)P、A、B、D 的電流幅值相位關(guān)系如圖2a)所示。

圖2 接地故障查找原理圖

1.1 接地故障電流幅值原理

當(dāng)信號(hào)發(fā)射器所注入的低頻正弦電壓信號(hào)為U=Acos(2πf·t+φ)時(shí)，有:

綜合式 1、式 2、式 3 有:

由式4 可知，故障線芯中電流由P 點(diǎn)到D 點(diǎn)幅值一直在變小;由于在接地故障點(diǎn)X 前方線芯對(duì)地分布電容是均勻分布的，所以由P 點(diǎn)到A 點(diǎn)電流幅值是均勻減小的;經(jīng)過(guò)故障點(diǎn)X 處除了減少分布電容引起的泄露電流，還減少了接地電阻引起的泄露電流，因此，在經(jīng)過(guò)故障點(diǎn)后電流幅值是突然減小的。電流幅值變化趨勢(shì)如圖2c)所示。

1.2 接地故障電流相位原理

各測(cè)量點(diǎn)處電流比接地電阻兩端的電壓信號(hào)超前相位:

由上述公式可見(jiàn)，接地故障線芯上從信號(hào)發(fā)射器到故障點(diǎn)X 方向電流超前電壓相位逐漸減小，經(jīng)過(guò)接地故障點(diǎn)X 后突然變?yōu)?0°。電流超前電壓相位的變化如圖2d)所示。

由于只能得到芯線中各測(cè)量點(diǎn)電流相位而不容易得到各測(cè)量點(diǎn)電壓相位，所以就引入了信號(hào)接收器產(chǎn)生的同頻率參考信號(hào)。各測(cè)量點(diǎn)電壓相位與同頻參考信號(hào)相位有一個(gè)固定相位差的關(guān)系。

在測(cè)量點(diǎn)P 處進(jìn)行電流和參考信號(hào)相位關(guān)聯(lián)，收到關(guān)聯(lián)指令后，測(cè)量計(jì)算P 處接收到的電流相位φIP與參考信號(hào)相位φUP。理論上知道P 點(diǎn)電流與對(duì)地電壓相位差為 φPI-U，且有 0 ＜ φPI-U＜90°，則芯線上任意點(diǎn)電壓信號(hào)與參考信號(hào)的固定相位差Δφ=φIP-φPI-U-φUP。在各電流測(cè)量點(diǎn)可以用參考信號(hào)的相位表示出測(cè)量點(diǎn)對(duì)地電壓的相位φUREF+Δφ，從而可以得到芯線上各點(diǎn)的電流電壓相位超前情況。

用帶有電流鉗的信號(hào)接收器沿故障線路同步測(cè)量計(jì)算A 點(diǎn)電流的相位φIA和參考信號(hào)的相位φUA，得到A 點(diǎn)電流和對(duì)地電壓相位差:

同步測(cè)量計(jì)算B 點(diǎn)的電流的相位φIB和參考信號(hào)相位φUB，得到B 點(diǎn)電流和對(duì)地電壓相位差:

同理同步測(cè)量計(jì)算D 點(diǎn)的電流的相位φID和參考信號(hào)相位φUD，得到D 點(diǎn)電流和對(duì)地電壓相位差:

假如接地故障芯線對(duì)地之間不存在分布電容，則接地故障等效電路中芯線與地之間只有電阻回路，則芯線任意點(diǎn)電流與電壓的相位差始終為0，即:

電流不會(huì)產(chǎn)生相移，而芯線實(shí)際分布電容的存在使線路中電流發(fā)生了相移。信號(hào)發(fā)送器與接地故障點(diǎn)X 之間電流為分布電容的容性電流與接地電阻的阻性電流之和，電流和對(duì)地電壓相位差小于90°;由P 點(diǎn)到X 點(diǎn)隨著分布電容的均勻減小，電流的相移量也在均勻減小，在故障點(diǎn)X 之后電流全為分布電容容性電流，電流和對(duì)地電壓相位差等于90°。因此有:

由式(5)、式(6)、式(7)和式(8)可推得:

式(9)、式(10)表明:引入?yún)⒖夹盘?hào)后可以用線芯上任意點(diǎn)的電流相位和關(guān)聯(lián)點(diǎn)P 的電流相位關(guān)系間接表示此點(diǎn)的電壓電流相位關(guān)系。各個(gè)測(cè)量點(diǎn)電流與關(guān)聯(lián)點(diǎn)P 處的電流相位差關(guān)系如圖3所示。測(cè)量點(diǎn)電流與關(guān)聯(lián)點(diǎn)P 處電流相位差由負(fù)到正的跳變點(diǎn)即為接地故障點(diǎn)。

圖3 測(cè)量點(diǎn)電流與P 點(diǎn)電流相位關(guān)系

2 仿真分析

在Matlab 中搭建電纜接地故障簡(jiǎn)易等效模型，通過(guò)Simout 模塊將仿真計(jì)算的數(shù)據(jù)保存到工作空間(wokeplace)，如圖4所示。C0和 C1是信號(hào)發(fā)送器與接地故障點(diǎn)之間的對(duì)地等效分布電容，RX為接地故障點(diǎn)等效接地電阻，C2是接地故障點(diǎn)后方的芯線對(duì)地等效分布電容。信號(hào)發(fā)射器向故障線和大地之間注入交流電壓信號(hào)使故障線路產(chǎn)生交變電流，電流表為線路電流感應(yīng)測(cè)量設(shè)備，測(cè)量故障芯線中的電流。對(duì)獲得的電流進(jìn)行FFT 分析并進(jìn)行頻譜校正獲得準(zhǔn)確的幅值和相位。

圖4 電纜接地故障等效模型

R=200 Ω，C0=1 μf，C1=1 μf，C2=2 μf，注入信號(hào)頻率為10 Hz，接地電阻RX值不同時(shí)的仿真結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 接地電阻不同時(shí)的仿真結(jié)果

由表1 可知:當(dāng)接地電阻小于100 kΩ 時(shí)，接地故障點(diǎn)前后電流信號(hào)幅值變化較大，可以依據(jù)電流信號(hào)幅值強(qiáng)度來(lái)判斷故障點(diǎn);當(dāng)接地電阻大于100 kΩ 時(shí)，接地故障點(diǎn)前后電流信號(hào)幅值變化不大，通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度已基本不能判別接地故障點(diǎn)，但是接地故障點(diǎn)前后電流信號(hào)相位與參考點(diǎn)相位差存在明顯突變(電流相位差由負(fù)到正)，此時(shí)可通過(guò)接地故障點(diǎn)前后的電流信號(hào)相位差準(zhǔn)確判斷故障點(diǎn)。不管是高阻接地故障還是低阻接地故障均可通過(guò)接地故障點(diǎn)前后電流與參考點(diǎn)的相位差突變來(lái)準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)。

R=200 Ω，C0=0.1 μf，C1=0.1 μf，C2=0.2 μf，接地電阻RX=500 kΩ，注入信號(hào)頻率不同時(shí)的仿真結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 注入頻率不同時(shí)的仿真結(jié)果

由表2 可知:在高阻接地故障(接地電阻大于100 kΩ)時(shí)，通過(guò)故障點(diǎn)前后電流幅值強(qiáng)度很難定位故障點(diǎn)，應(yīng)通過(guò)故障點(diǎn)前后電流信號(hào)相位差定位故障點(diǎn);當(dāng)相位差較小時(shí)，降低信號(hào)源發(fā)射信號(hào)的頻率可以增大接地故障點(diǎn)前后相位差的變化，從而可以準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)。

R=200 Ω，C2=2C0=2C1，接地電阻 RX=300 kΩ，不同注入信號(hào)頻率和對(duì)地分布電容時(shí)的仿真結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 注入頻率和分布電容不同時(shí)的仿真結(jié)果

由表3 可知:在相同的接地電阻和測(cè)試頻率情況下，對(duì)地分布電容越小越容易用相位差法定位故障點(diǎn);當(dāng)相位差不易辨別時(shí)(例如C0=10 μf)，可以降低注入信號(hào)的頻率來(lái)增大故障點(diǎn)前后電流相位差的變化，從而準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)向故障線和地注入一定頻率的交流電壓信號(hào)，接收器同時(shí)產(chǎn)生相同頻率的參考信號(hào)，進(jìn)行關(guān)聯(lián)后，接收器可感測(cè)故障線路電流信號(hào)幅值和相位。低阻接地故障時(shí)利用電流幅值突然減小和電流相位由負(fù)到正的突變均可判斷出接地故障點(diǎn);高阻接地故障時(shí)信號(hào)發(fā)射器與接地故障點(diǎn)之間所測(cè)相位差依次減小，經(jīng)過(guò)接地故障點(diǎn)處相位差突然變大。此方法理論上解決了現(xiàn)有儀器通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度跟蹤等方法無(wú)法準(zhǔn)確定位高阻故障點(diǎn)的難題，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)接地故障的快速查找，且方便準(zhǔn)確。

［1］中華人民共和國(guó)鐵道部.鐵路信號(hào)維護(hù)規(guī)則技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ(鐵運(yùn)［2008］142號(hào))［S］.

［2］李克儉，蔡啟仲.接地混線故障快速查找儀的研究與設(shè)計(jì)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2007，28(10):1847.

［3］耿輝.電路負(fù)載性質(zhì)及其電壓電流相位差的測(cè)量方法與設(shè)備:中國(guó)，CN1488948A［P］.2004.4.14.

［4］李曉明，梁 軍，張沛云.直流系統(tǒng)接地點(diǎn)探測(cè)新原理［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2000(7):55.

［5］王汝鋼，白海江.查找線路接地故障點(diǎn)的方法及裝置:中國(guó):CN102788934A［P］.2012.7.25.

［6］張次衡.直流系統(tǒng)接地故障檢測(cè)裝置電容影響問(wèn)題的探討［J］.電力自動(dòng)化設(shè)備，1996，16((1):48.