劉建華 穆明亮 裴文龍 劉 旭

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，221116，徐州∥第一作者，副教授）

行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ 49—92《地鐵雜散電流腐蝕防護(hù)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定地鐵全線應(yīng)具有良好的軌地絕緣。軌地絕緣損壞將造成雜散電流及軌電位的變化，對(duì)地鐵安全會(huì)造成嚴(yán)重危害。目前，軌地絕緣的評(píng)價(jià)指標(biāo)為軌地過渡電阻，但過渡電阻不能反映軌地局部絕緣損壞的情況。為了更準(zhǔn)確地分析軌地絕緣，確保地鐵安全穩(wěn)定運(yùn)行，有必要對(duì)軌地局部絕緣損壞進(jìn)行定位。行波法在電力系統(tǒng)故障定位中得到成熟而且廣泛的應(yīng)用。C 型行波法是一種離線定位方法，不受故障時(shí)刻的影響，測(cè)量精度高。鑒于此，有必要對(duì)基于C 型行波法的軌地局部絕緣損壞定位方法進(jìn)行分析研究。

1 C型行波法定位原理

1.1 定位原理

C 型行波法為離線定位法，人工向絕緣損壞線路注入脈沖信號(hào)，由于波阻抗的不同，行波信號(hào)在注入點(diǎn)與絕緣損壞故障點(diǎn)之間反射，根據(jù)行波信號(hào)在測(cè)量點(diǎn)與故障點(diǎn)之間往返的時(shí)間和行波的波速來(lái)確定絕緣損壞故障點(diǎn)的具體位置，對(duì)絕緣損壞點(diǎn)進(jìn)行定位。C 型行波法定位原理如圖1所示。

圖1 C 型行波法定位原理示意圖

如圖所1 示，AB表示單根鋼軌，A、B兩點(diǎn)分別為鋼軌線路的始端與終端，假定鋼軌在C點(diǎn)發(fā)生局部絕緣損壞。在t1時(shí)刻，往鋼軌始端注入電壓脈沖信號(hào)，行波信號(hào)會(huì)以波速v由A點(diǎn)向C點(diǎn)傳播，到達(dá)絕緣損壞故障點(diǎn)C后，由于波阻抗不連續(xù)，會(huì)發(fā)生全反射，并改變極性；行波信號(hào)再由C點(diǎn)傳向A點(diǎn)，在t2時(shí)刻到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)A，即鋼軌始端。假設(shè)檢測(cè)點(diǎn)A到故障點(diǎn)C的距離為x，則軌地局部絕緣損壞定位計(jì)算公式為：

由上式可知，利用C 型行波法進(jìn)行軌地局部絕緣損壞定位的關(guān)鍵是確定行波信號(hào)波速及準(zhǔn)確獲得故障反射波到達(dá)始端的時(shí)刻，即確定鋼軌故障特征波。

1.2 波速與故障特征波的確定

波速可以根據(jù)鋼軌電參數(shù)，通過理論計(jì)算獲取，但在實(shí)際應(yīng)用中，可利用高頻信號(hào)測(cè)量行波信號(hào)傳播的速度作為線路中行波的波速。

由于鋼軌與均流線、回流電纜相連接，連接點(diǎn)均為波阻抗不連續(xù)點(diǎn)，因此，鋼軌始端監(jiān)測(cè)獲取的信號(hào)含有各種反射與折射的行波信號(hào)。絕緣損壞定位只需要故障點(diǎn)的反射波，該波稱為故障特征波。實(shí)際定位中，可以通過比較法來(lái)確定故障特征波。對(duì)線路正常時(shí)的反射波與線路發(fā)生絕緣損壞故障時(shí)的反射波進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比后差異波形的第一個(gè)畸變點(diǎn)就是故障點(diǎn)的反射波，也就是所需的故障特征波。確定故障特征波，可以獲得故障點(diǎn)反射波到達(dá)測(cè)量點(diǎn)的時(shí)刻，再根據(jù)C 型行波法定位原理對(duì)軌地絕緣局部損壞進(jìn)行定位。

2 仿真分析

2.1 等效仿真模型

為驗(yàn)證C 型行波法定位的可行性，依據(jù)時(shí)域有限差分思想，在電磁暫態(tài)仿真軟件的仿真平臺(tái)中，搭建鋼軌回流線路空間離散模型。仿真假設(shè)鋼軌長(zhǎng)度為6 km，實(shí)際線路中，道岔數(shù)量很少，為簡(jiǎn)化模型，仿真線路不設(shè)置道岔。鋼軌之間均流線的間距設(shè)置為400 m，回流電纜間距為2 000 m。如圖2所示的等效仿真模型中，在鋼軌始端注入脈沖寬度為1μs的電壓脈沖信號(hào)，根據(jù)內(nèi)奎斯特采樣定理，采樣頻率不低于信號(hào)頻率的2倍，檢測(cè)裝置的采樣頻率設(shè)置為100 MHz。在鋼軌末端經(jīng)與波阻抗值相同的純電阻接地，使鋼軌末端無(wú)電壓及電流反射，避免該處折射與反射對(duì)測(cè)量造成的影響。

圖2 等效仿真模型

2.2 仿真分析

為簡(jiǎn)化仿真模型，仿真不考慮鋼軌接縫，鋼軌波阻抗取值70Ω。行波在介質(zhì)中傳播速度μ為介質(zhì)相對(duì)磁導(dǎo)數(shù)，ε為介質(zhì)相對(duì)電系數(shù)。經(jīng)分析計(jì)算，行波信號(hào)波速設(shè)為均流線長(zhǎng)度取2 m，連接鋼軌與變電所整流柜負(fù)極的回流電纜長(zhǎng)度取100 m。忽略導(dǎo)線電阻以及對(duì)地電導(dǎo)，分布參數(shù)電感設(shè)置為L(zhǎng)＝1.228×10－4mH／m，電容設(shè)置為C＝3.296×10－4μF／m，注入脈沖信號(hào)幅值設(shè)置為100 V。假設(shè)局部絕緣損壞在距始端4 600 m 處，局部絕緣損壞處接地電阻初步設(shè)為0Ω。分別在正常情況與絕緣損壞情況下進(jìn)行仿真，利用ATP仿真軟件的軌地局部絕緣損壞定位仿真電路如圖3所示。

圖3 軌地局部絕緣損壞定位仿真電路實(shí)景圖

經(jīng)過仿真，得到正常線路行波信號(hào)與軌地局部絕緣損壞時(shí)線路行波信號(hào)如圖4所示。

對(duì)比圖4仿真波形可以看出，兩仿真波形差異非常小，并且顯得無(wú)規(guī)律可循，這表明均流線和回流電纜產(chǎn)生的反射信號(hào)淹沒了故障點(diǎn)反射信號(hào)。僅僅根據(jù)圖4b）對(duì)故障點(diǎn)的反射波進(jìn)行判斷，顯得異常困難，也就無(wú)法對(duì)絕緣損壞進(jìn)行定位。

為此，可以利用比較法來(lái)確定故障特征波，將正常線路與故障線路波形信號(hào)進(jìn)行比較。通過MTLAB軟件，將正常行波信號(hào)數(shù)據(jù)與絕緣損壞時(shí)行波信號(hào)數(shù)據(jù)作相減運(yùn)算，使用MATLAB 繪圖工具將運(yùn)算結(jié)果繪圖，得到正常線路與局部絕緣損壞線路的差異波形，如圖5所示。

從圖5差異波形可以看出，波形突變點(diǎn)非常明顯，波形第一個(gè)畸變點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為t＝5.304 5×10－5s。此時(shí)刻之前的波形差異值為零，表明絕緣損壞以后，故障點(diǎn)之前的鋼軌線路反射過程和正常情況是一致的，但是在絕緣損壞處發(fā)生了不同于正常情況的波反射過程。在t＝5.304 5×10－5s時(shí)刻差異值不再為零，此時(shí)刻的波形信號(hào)便是故障點(diǎn)的反射波。根據(jù)前述定位原理，可以得到軌地絕緣損壞點(diǎn)在距離鋼軌線路始端4 594 m 處，與仿真設(shè)置參數(shù)4 600 m 相差6 m。

圖4 正常線路與局部絕緣損壞線路仿真信號(hào)波形

圖5 正常線路與局部絕緣損壞線路行波信號(hào)波形差

改變絕緣損壞處接地電阻，分別取10Ω、100Ω接地電阻。得到兩種情況下的仿真波形差，如圖6所示。

圖6 接地電阻改變時(shí)的仿真波形差

通過圖6分析可以看出，絕緣損壞處接地電阻發(fā)生改變時(shí)，畸變波形差的幅值發(fā)生明顯變化，隨著接地電阻的增大，幅值減小，但第一畸變點(diǎn)發(fā)生的時(shí)間并沒有改變，仍然發(fā)生在t＝5.304 5×10－5s處。這說(shuō)明接地電阻的大小并不影響絕緣檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

通過仿真分析研究，說(shuō)明利用C 型行波法進(jìn)行軌地局部絕緣損壞定位是可行的，并且絕緣損壞處接地電阻的大小不影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

3 結(jié)語(yǔ)

通過測(cè)量過渡電阻，不能準(zhǔn)確反映軌地局部絕緣情況。本文對(duì)基于C 型行波法軌地局部絕緣損壞定位進(jìn)行分析研究，利用ATP與MATLAB 仿真軟件對(duì)定位方法進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明，此方法是可行的，并且絕緣損壞處接地電阻的大小不影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性。仿真是在理論情況下進(jìn)行的，還有待于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的驗(yàn)證。

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