李松楠

（吉林鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，吉林 吉林132000）

1 牽引網(wǎng)供電方式

電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)是指從牽引變電所的饋電線到牽引網(wǎng)再到電力機(jī)車的工作系統(tǒng)。我國電氣化鐵道采用的是工頻單相交流牽引制式。牽引變電所一般用于將三相110/220kV的電能變換成275kV（牽引網(wǎng)額定電壓為25kV）的電能并按單相分配給機(jī)車用戶。牽引網(wǎng)供電方式一般可分為：直接供電（direct feeding）、BT（booster transformer）供電、帶回流線的直供、AT（autotransformer）供電和同軸電纜供電方式。根據(jù)牽引網(wǎng)不同供電方式的要求及牽引變電所為抑制單相牽引負(fù)荷造成電力系統(tǒng)的不對稱影響，常采用不同接線方式與結(jié)構(gòu)的主變壓器，并以此將變電所區(qū)分為三相牽引變電所（一般用Y0／△-11變壓器，二次側(cè)△的C相接地，由A、B相向兩側(cè)供電，形成左右兩側(cè)供電臂）、單相牽引變電所、三相兩相牽引變電所（如Scott接線主變壓器、平衡變壓器等）。

2 電力牽引負(fù)荷的特點(diǎn)

我們根據(jù)上述不同的牽引變電所形式、不同的牽引網(wǎng)供電方式及針對單復(fù)線電氣化區(qū)段，對故障測距均有不同的要求。因此，有必要研究針對不同類型牽引網(wǎng)的故障測距算法。電力牽引負(fù)荷的特點(diǎn)從故障測距涉及的因素來考查電力牽引負(fù)荷的特點(diǎn)，會發(fā)現(xiàn)它有5個特點(diǎn)值得關(guān)注。①一段牽引網(wǎng)一般只由1臺變壓器從單端供電，形成明顯的線路首端和末端，并且沒有分支；在線路的首端，可將變壓器看成它的電源。②單臺機(jī)車功率相對于變電所容量較大，因此，機(jī)車的各種工況導(dǎo)致的負(fù)荷電流波動較大；電流的變化以突變（階躍）居多。③負(fù)荷峰、谷值相差懸殊。④滑動取流的機(jī)車受電弓由于離線產(chǎn)生電弧及機(jī)車的頻繁調(diào)級、投切（變壓器空載），導(dǎo)致在系統(tǒng)中產(chǎn)生豐富的諧波（高次及分次）。⑤系統(tǒng)的回流（經(jīng)回流軌、地或回流線）雜亂。

3 故障測距方法比較

按照故障測距原理，輸電線故障測距一般可分為阻抗法、故障分析法和行波法。

阻抗法利用故障時測量到的工頻電壓和電流量來計(jì)算故障回路的阻抗值，是基于線路長度與阻抗值成正比的原理而求出觀測點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離。阻抗法的應(yīng)用較廣泛，隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，不論是采用單端法還是雙端法，在準(zhǔn)確度和可靠性方面都有較大的提高，并涌現(xiàn)出了許多有針對性的算法，在此不再贅述。

目前，電氣化鐵道牽引網(wǎng)故障測距裝置多是基于這一原理的。由上文的特點(diǎn)一可知，牽引網(wǎng)一般處于單端電源供電狀態(tài)，在供電臂故障時，只能用單端電氣量測距。因此它不可避免地要受到過渡阻抗的影響。另外，一個比較關(guān)鍵的問題是對于富含高次及分次諧波的電氣化鐵道牽引網(wǎng)，傅里葉算法在處理大量分次諧波及非周期分量時比較困難，因此準(zhǔn)確獲得工頻電壓、電流值也將是困難的。正是由于上述牽引網(wǎng)的結(jié)構(gòu)、負(fù)荷的特點(diǎn)及阻抗測距原理本身的原因，一些圍繞阻抗法所做的修正方法或者關(guān)于消除諧波及過渡阻抗影響的算法當(dāng)應(yīng)用于牽引網(wǎng)故障測距時，都難以得到穩(wěn)定、精確的測距效果。牽引網(wǎng)故障測距的多年應(yīng)用實(shí)踐也證實(shí)了這一方法在精度及穩(wěn)定性方面存在著諸多不足。

故障分析法是在系統(tǒng)運(yùn)行方式已確定和線路參數(shù)已知的條件下，輸電線路發(fā)生故障時，故障點(diǎn)距離的函數(shù)是裝置處的電壓和電流。本法就是利用故障時記錄下來的電壓、電流值對故障進(jìn)行分析與計(jì)算，實(shí)時求出測量點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離。故障分析法與阻抗法的區(qū)別在于它不以測量阻抗或電抗為基礎(chǔ)。研究表明，該方法在一般輸電線的故障測距中將是一種有前途的方法。將其應(yīng)用于電氣化鐵道牽引網(wǎng)的故障測距也將明顯優(yōu)于阻抗法。但不足的是，故障分析法與阻抗法一樣仍然需要使用工頻的電壓、電流量；同時，隨著機(jī)車受電弓滑動取流造成的導(dǎo)線逐步磨耗及部分區(qū)段的換線、頻繁的人工檢修、復(fù)線區(qū)段由于鄰線狀況的不確定性等因素造成的線路單位阻抗Z的不穩(wěn)定性，使得故障分析法在應(yīng)用于這一領(lǐng)域時受到極大的干擾和限制。另外在提取實(shí)時故障分量電流時，上文特點(diǎn)二所述的大量躍變電流也將對測距穩(wěn)定性造成不可低估的影響。因此，利用工頻量的故障分析法也難以適用于電鐵牽引網(wǎng)的故障測距。

行波法是根據(jù)行波傳輸理論實(shí)現(xiàn)對輸電線故障測距的方法。由于行波在線路中有比較穩(wěn)定的傳播速度，且測量到的時間差不受線路類型、故障電阻及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)等影響，因而，行波法故障測距有較好的精度和穩(wěn)定性。

早期利用行波的測距裝置可分為A、B、C型3種。A型裝置利用故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波在測量點(diǎn)到故障點(diǎn)間來回往返的時間與行波波速之積來確定故障位置；B型裝置利用故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波到達(dá)兩端的時間差與波速之積來確定故障位置；C型裝置是在故障發(fā)生時于線路的一端施加高壓高頻或直流脈沖信號，根據(jù)脈沖往返時間來確定故障位置。這3種方法中，A型、C型為單端測距；B型為雙端測距，需要有兩端通信。A型和B型裝置對輸電線路的瞬時性和永久性故障均有較好的適應(yīng)性，C型裝置則可在線路斷開的條件下檢測出故障，因此多用于永久性故障定位。

現(xiàn)代行波法中，基于全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）精確對時的雙端行波法的D型裝置（原理同B型）使得行波故障測距的實(shí)現(xiàn)既簡單又精確穩(wěn)定，并且有良好的適應(yīng)性。由B型裝置的測距算法可看到，由GPS精確獲得tT、tQ、tC是可能的，而行波速度V一般是穩(wěn)定的，因此DnF的精確而穩(wěn)定是由D型裝置而獲得的。行波法應(yīng)用于電氣化鐵道牽引網(wǎng)的故障測距，行波信號可直接通過電壓互感器、電流互感器獲取，其測距精度和穩(wěn)定性不受過渡電阻及上述牽引負(fù)荷特點(diǎn)二至特點(diǎn)四等造成的影響。

4 結(jié)語

比較阻抗法、故障分析法及行波法在電氣化鐵道牽引網(wǎng)中故障測距的適應(yīng)性，前兩種方法固然有它的優(yōu)點(diǎn)，但隨著輸電線行波傳輸理論研究的深入及電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)技術(shù)的引入，現(xiàn)代行波法將更勝一籌，其應(yīng)用前景將更加廣泛?，F(xiàn)代行波法已在信號的傳變、提取、識別、處理等技術(shù)方面取得了長足進(jìn)步。本文提出將行波法應(yīng)用于電氣化鐵道牽引網(wǎng)故障測距也是結(jié)合現(xiàn)有技術(shù)水平和以上比較而得出的。