張佩炯

（中鐵二院西北勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730030）

行波法在電氣化鐵道牽引網(wǎng)故障測(cè)距的仿真研究＊

張佩炯

（中鐵二院西北勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，甘肅蘭州730030）

摘要：針對(duì)牽引網(wǎng)受到機(jī)車運(yùn)行工況變化影響，以及一些不確定性因素導(dǎo)致出現(xiàn)接地故障的缺陷，提出了一種利用行波法對(duì)牽引網(wǎng)故障進(jìn)行測(cè)距的應(yīng)用方案。依據(jù)AT牽引網(wǎng)實(shí)際電路，在ATP中建立投切并聯(lián)電容補(bǔ)償模型，對(duì)機(jī)車運(yùn)行時(shí)牽引網(wǎng)的電流進(jìn)行仿真分析，得到發(fā)生短路時(shí)的故障數(shù)據(jù)，再利用Matlab對(duì)故障數(shù)據(jù)進(jìn)行行波法測(cè)距，最后通過搭建硬件電路實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證。仿真分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用行波法對(duì)牽引網(wǎng)故障進(jìn)行測(cè)距是行之有效的。

關(guān)鍵詞：牽引變電所；故障測(cè)距；行波

1　引言

近年來，高速電氣化鐵道快速發(fā)展，但由于電力機(jī)車的受流方式是單相工頻交流制，這導(dǎo)致三相高壓電出現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性，屬典型的負(fù)序源。而電力機(jī)車又是負(fù)荷主體，從設(shè)備角度來考慮，它同時(shí)又是一個(gè)大功率電力電子變換設(shè)備，其電流曲線呈現(xiàn)出非正弦特性，尤其是3、5、7次諧波的含量挺大［1］。同時(shí)由于單相供電，各相負(fù)載不均勻而引起三相不平衡，且隨負(fù)載實(shí)時(shí)運(yùn)行機(jī)理而波動(dòng)，從而會(huì)導(dǎo)致牽引供電系統(tǒng)的電壓有較大幅度的波動(dòng)。

高速電氣化鐵路的安全穩(wěn)定運(yùn)行直接受牽引網(wǎng)各個(gè)工作環(huán)節(jié)的影響，牽引網(wǎng)作為牽引供電系統(tǒng)的重要組成環(huán)節(jié)，對(duì)完成供電線向接觸線乃至整個(gè)系統(tǒng)送電任務(wù)起著舉足輕重的作用。

因此，在當(dāng)前高速重載鐵道建設(shè)快速發(fā)展的今天，有效開展?fàn)恳W(wǎng)故障測(cè)距研究并建立故障測(cè)距硬件設(shè)備平臺(tái)顯得尤為重要，且具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2　牽引供電系統(tǒng)的基本構(gòu)成

2．1牽引供電系統(tǒng)的供電方式

牽引變電所和牽引網(wǎng)是構(gòu)成牽引供電系統(tǒng)的兩大主模塊［2］，其通過接受電網(wǎng)電能，將電網(wǎng)的三相高壓電降壓、分相之后，由牽引網(wǎng)向電力機(jī)車供電，其系統(tǒng)總示意圖如圖1所示。

牽引網(wǎng)供電的典型方案主要包括帶回流線的直接供電方式（DN供電方式）、AT供電方式、BT供電方式等［3］，其供電方案示意圖分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2　牽引網(wǎng)DN供電方式

圖3　牽引網(wǎng)AT供電方式

圖4　牽引網(wǎng)BT供電方式

2．2牽引網(wǎng)的故障特點(diǎn)

從一牽引變電所引出左右兩供電臂，無論電氣化鐵道的牽引網(wǎng)采用哪一種供電方式，它的一臂接觸網(wǎng)接地總是相間短路，這也是牽引供電系統(tǒng)中常遇到的故障形式。因此，故障量的計(jì)算一般按兩相短路計(jì)算，而兩相短路不存在零序電流的通路，一臂接觸網(wǎng)接地短路時(shí)，不向電力系統(tǒng)輸送零序電流。牽引供電系統(tǒng)含地系統(tǒng)，故障電流很大，發(fā)生故障時(shí)，線路上有行波自故障點(diǎn)向兩端傳播。牽引網(wǎng)中發(fā)生接觸網(wǎng)與鋼軌（T－R）短路故障的幾率最多，平均每月發(fā)生一次故障［4］。

電氣化鐵道不論何種供電方式，牽引變電所一般向復(fù)線上下行接觸網(wǎng)并聯(lián)饋電，上下行供電臂的末端并聯(lián)。為提高電氣化鐵路接觸網(wǎng)供電的可靠性，在牽引變電所中采用了自動(dòng)重合閘的斷路器。在短路故障發(fā)生時(shí)，斷路器開斷，然后經(jīng)很短時(shí)間再重新關(guān)合，如瞬時(shí)故障己經(jīng)消失，則重合成功；如短路故障仍未消除，斷路器必須重新開斷。如果接觸網(wǎng)發(fā)生永久故障，上、下行線路將分開運(yùn)行，故障線路將處于停電狀態(tài)［5］。

2．3電力牽引負(fù)荷的特點(diǎn)

我國(guó)電力機(jī)車采用的牽引電機(jī)為帶有補(bǔ)償繞組的脈流串勵(lì)電機(jī)，它之所以應(yīng)用于電力牽引是由于其具有良好的牽引特性、機(jī)械穩(wěn)定性、電氣穩(wěn)定性、負(fù)荷分配均勻性以及對(duì)網(wǎng)壓波動(dòng)敏感性差等許多優(yōu)點(diǎn)［6］。其直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)原理圖如圖5所示。

圖5　牽引電力機(jī)車直流串勵(lì)電動(dòng)機(jī)原理圖

電力牽引負(fù)荷的主要特點(diǎn)如下：

（1）牽引狀態(tài)下時(shí)，負(fù)荷電流的諧波含量分別為三次諧波25%、五次諧波13%、七次諧波7%；

（2）再生制動(dòng)狀態(tài)下時(shí)，負(fù)荷電流的諧波含量分別為三次諧波含量25．46%、五次諧波14．71%；

（3）空投機(jī)車變壓器或惰性過電分相狀態(tài)時(shí)，二次諧波電流的勵(lì)磁涌流含量為40%以上。

3　常見的故障測(cè)距方法

常見的傳統(tǒng)故障測(cè)距方法主要有：電抗法、AT中性點(diǎn)吸上電流比法、上下行電流比法、轉(zhuǎn)移阻抗測(cè)距法、單線雙差比測(cè)距法、吸饋電流比法、行波法等。

多年來，國(guó)內(nèi)外許多專家在不停地探索新的故障測(cè)距方法。但有些方法受牽引網(wǎng)運(yùn)行、供電線路結(jié)構(gòu)等因素的影響，使得測(cè)量位置不精確。而行波的傳播速度比較穩(wěn)定，準(zhǔn)確度高，速度快，且受各種因素的影響較?。?］。

4　行波法測(cè)距原理及測(cè)距裝置類型

行波法是利用各種數(shù)字信號(hào)處理算法來實(shí)現(xiàn)對(duì)故障線路測(cè)距的方法［8］。當(dāng)系統(tǒng)有故障時(shí)，從故障點(diǎn)產(chǎn)生的暫態(tài)行波向兩端傳送，暫態(tài)行波在傳播過程中遇到不均勻介質(zhì)時(shí)，發(fā)生反射和透射，利用暫態(tài)行波到達(dá)的時(shí)刻和傳播的時(shí)間來完成故障定位。饋線上所分布的參數(shù)特性使得行波能量在傳遞的過程中以電壓波、電流波的形式在線路中以相應(yīng)的速度運(yùn)動(dòng)，從而行波就形成了［9］。

常規(guī)情況下，行波包括穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)行波。單根無損的分布參數(shù)，線路上的電壓u和電流i，線路上的位置x和時(shí)間t，可用偏微分方程來表示，具體方程式為：

求上述方程組，得下式：

由于行波能夠以相應(yīng)的速率在線路中平穩(wěn)傳播，且測(cè)量的故障時(shí)間差受線路類型、故障過渡電阻、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)等因素的影響很小，因此行波法在故障測(cè)距方面有較好的實(shí)用性和可靠性［10］?，F(xiàn)有的行波法測(cè)距裝置?？煞譃锳、B、C三種類型。

（1）A型測(cè)距裝置

A型測(cè)距裝置原理主要是通過索取故障處出現(xiàn)的第一波頭和反射回來的第二波頭的耗時(shí)間隔差來最終確定故障距離的。當(dāng)線路出現(xiàn)故障后，則電壓、電流行波在故障處和母線上不停地發(fā)出反射信號(hào)，通過高通濾波器濾出行波波頭信號(hào)，進(jìn)行故障距離計(jì)算。A型行波測(cè)距原理示意圖如圖6所示。

圖6　 A型行波測(cè)距原理示意圖

假設(shè)線路的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，波速為v，第一個(gè)波頭和在故障處反射回來的第二個(gè)波頭時(shí)間分別為TS1、TS2。

故障距離XS由下式計(jì)算可得：

A型測(cè)距裝置的優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，在線路的一端安裝即可，沒有必要進(jìn)行端對(duì)端數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)；但在故障處反射過來的波受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的影響較大，識(shí)別第二個(gè)波頭很因難，測(cè)距效果可能不佳。

（2）B型測(cè)距裝置

B型測(cè)距也稱作兩端測(cè)距。當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，行波從故障處向線路兩端傳播，一端檢測(cè)到信號(hào)時(shí)計(jì)時(shí)開始，同時(shí)另一端檢測(cè)到故障信號(hào)時(shí)發(fā)出指令，當(dāng)計(jì)時(shí)端接收到信號(hào)時(shí)計(jì)時(shí)停止，從而來確定故障距離。測(cè)距裝置的原理示意圖如圖7所示。

圖7　 B型行波測(cè)距原理示意圖

假定ts和tn分別為故障初始行波波頭到達(dá)兩側(cè)母線的時(shí)間，依據(jù)安裝于線路兩端的測(cè)距裝置記錄下的參數(shù)，計(jì)算故障距離的公式如下：

B型測(cè)距裝置的優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)距可靠，精度高，但需雙端安裝測(cè)距裝置；隨著微波、光纖通信在電網(wǎng)領(lǐng)域的發(fā)展，B型雙端測(cè)距裝置的應(yīng)用變得越來越廣泛。

（3）C型測(cè)距裝置

C型測(cè)距裝置是在故障發(fā)生時(shí)由測(cè)距裝置向故障線路發(fā)射附加的高頻直流脈沖信號(hào)，首先由計(jì)算脈沖信號(hào)發(fā)出信號(hào)，此時(shí)計(jì)時(shí)開始，再讓附加脈沖發(fā)出信號(hào)，通過故障處反射回來的時(shí)刻來確定故障距離。C型行波測(cè)距原理示意圖如圖8所示。

圖8　 C型行波測(cè)距原理示意圖

C型測(cè)距裝置的優(yōu)缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度較高，但需附加高壓脈沖信號(hào)發(fā)生器等設(shè)備，成本很不劃算；在實(shí)際使用中，由于發(fā)射高壓脈沖信號(hào)的強(qiáng)度不能太高，這樣就很難區(qū)別故障點(diǎn)的反射脈沖，從而影響裝置測(cè)距的可靠性；但在線路斷開的情況下，C型測(cè)距裝置能力可得以發(fā)揮，可以查出線路是否有故障，從而可有效避免手動(dòng)、自動(dòng)重合閘到永久性故障線路上。

5　行波法在電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)中的故障測(cè)距

5．1投切并聯(lián)電容補(bǔ)償器的行波測(cè)距仿真

仿真軟件采用ATP和Matlab7．0，利用ATP強(qiáng)大的電磁暫態(tài)仿真能力，得到仿真數(shù)據(jù)，再通過Matlab軟件繪制出故障后的電壓、電流波形。

按常規(guī)設(shè)置，牽引所向上、下行接觸網(wǎng)的供電臂末端并聯(lián)饋電。單個(gè)供電臂長(zhǎng)度為30km，每隔10km處設(shè)AT所，懸掛方式為全補(bǔ)償簡(jiǎn)單鏈型懸掛，支柱側(cè)面限界設(shè)置為3m。牽引所AT供電方式下工頻電源的電壓有效值為55kV，阻抗設(shè)為1＋j10Ω。在仿真時(shí)，應(yīng)考慮牽引母線、電流互感器、電壓互感器、牽引變壓器、隔離開關(guān)、絕緣子等設(shè)備對(duì)地的電容，其值可設(shè)為0．5μF，并且接于牽引母線處。

接觸線的型號(hào)為TGG－100，導(dǎo)高為5800mm，直流電阻為0．197Ω／km。承力索型號(hào)為GJ－70，結(jié)構(gòu)高度為1400mm，直流電阻為2．0Ω／km。正饋線的型號(hào)為L(zhǎng)J－185，等效半徑為0．7cm，正饋線離軌平面的高度為6600cm，距離線路中心線的水平距離為3900mm，直流電阻為0．162Ω／km。鋼軌的型號(hào)為P50，軌距為標(biāo)準(zhǔn)軌距1435mm，周長(zhǎng)為60．6cm，直流電阻取0．24Ω／km，鋼軌對(duì)大地的泄漏電阻為10Ω／km，鋼軌距地面的高度為1m。假設(shè)大地的電阻率為100Ω·m。上下行的線路內(nèi)側(cè)鋼軌間距為5m。假設(shè)當(dāng)線路中有機(jī)車運(yùn)行時(shí)，每列車的功率為6400kW，功率因數(shù)為0．85。

機(jī)車可以用一等效阻抗來表示，經(jīng)計(jì)算，其值為97．656＋j157．575Ω。假設(shè)當(dāng)在牽引變電所中投入并聯(lián)補(bǔ)償電容器組時(shí)，所加的并聯(lián)補(bǔ)償電容器組為8串7并，且每一個(gè)電容器容量為100kVar，額定電壓為10．5kV。并聯(lián)補(bǔ)償電容器組可以用一電容和電感等效，其電容值為2．5263μF，電感值為481．2846mH。建立投切并聯(lián)補(bǔ)償電容器組的ATP仿真模型如圖9所示。

圖9　投切并聯(lián)電容補(bǔ)償器的ATP仿真模型

在建模時(shí)，上、下行線路分別按三相架空線的模型建立線路的仿真模型，不考慮線路之間的電磁耦合，把接觸線和承力索作為一相的兩分裂導(dǎo)線，鋼軌作為一相的兩分裂導(dǎo)線，正饋線為一相導(dǎo)線。

假設(shè)在0．5ms時(shí)上行供電臂8km處發(fā)生接觸網(wǎng)接地故障。圖10為投入并聯(lián)電容器組后故障點(diǎn)電流ATP仿真波形圖。

統(tǒng)計(jì)和搜集投切電容器組后8km處的電流仿真數(shù)據(jù)，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行小波變換，可以求出模極大值。圖11為投切電容器組后8km處故障的仿真數(shù)據(jù)在Matlab中的小波變換及其模極大值。

圖10　投切并聯(lián)電容補(bǔ)償器后的電流ATP仿真波形

圖11　投切并聯(lián)電容補(bǔ)償器后的小波變換及其模極大值

表1為空載情況下并聯(lián)電容器組對(duì)行波測(cè)距的影響。

表1　行波測(cè)距（單位：km）

從上述仿真結(jié)果可以看出，投入并聯(lián)補(bǔ)償電容器之后，初始行波和故障點(diǎn)的反射波較明顯，檢測(cè)易于進(jìn)行。由于牽引母線處的反射系數(shù)變大了，從而小波變換系數(shù)也較大。如表1所示，不論在牽引所中是否投切并聯(lián)補(bǔ)償電容器組，對(duì)行波測(cè)距結(jié)果都沒有影響。從仿真數(shù)據(jù)可知，初始行波到達(dá)的時(shí)刻點(diǎn)為66點(diǎn)，而反射行波到達(dá)的時(shí)刻點(diǎn)為73點(diǎn)，經(jīng)過計(jì)算得到故障距離為8．3km。

5．2實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證形波法測(cè)距原理和測(cè)距方案的有效性和可行性，蘭州交通大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)了一套基于DSP技術(shù)的牽引網(wǎng)故障測(cè)距裝置，目前硬件電路已設(shè)計(jì)完成，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建。圖12為行波法故障測(cè)距實(shí)驗(yàn)平臺(tái)裝置的具體實(shí)物圖。

圖12　故障測(cè)距實(shí)驗(yàn)平臺(tái)裝置

牽引網(wǎng)故障測(cè)距裝置的硬件組成如圖13所示，主要由二次變換器單元即電流互感器和電壓互感器、A／D轉(zhuǎn)換器、DSP、人機(jī)接口單元MMI模塊、輸入輸出開關(guān)量單元、微型打印機(jī)等主要部分組成。

圖13　故障測(cè)距裝置硬件構(gòu)成圖

圖14　投切并聯(lián)電容補(bǔ)償器前后電流波形

投切并聯(lián)電容補(bǔ)償器前后的電流波形如圖14所示，黃色表示未投切補(bǔ)償前的波形，藍(lán)色表示投切補(bǔ)償后的波形。

從波形圖可以看出，在未投入并聯(lián)電容補(bǔ)償器前諧波含量較大，波形有許多干擾毛刺，波形畸變較嚴(yán)重，而投入并聯(lián)電容補(bǔ)償器之后，波形明顯有較大改善，毛刺程度減小，呈現(xiàn)出正弦波形，這樣有利于故障測(cè)距，能夠有效提高測(cè)量精度。

5　結(jié)論

通過本文的仿真研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，可得出以下結(jié)論

（1）當(dāng)線路結(jié)構(gòu)確定的狀況下，牽引所是否投入并聯(lián)電容補(bǔ)償器組，對(duì)A、B型行波測(cè)距法來說，其結(jié)果沒有影響。

（2）B型行波法測(cè)距在接觸網(wǎng)故障測(cè)距方面有明顯優(yōu)勢(shì)，并在測(cè)距精度上有很大提高。

（3）行波法故障測(cè)距在直供加回流和AT供電方式的供電系統(tǒng)中有很好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

［1］董新洲，賀家李，葛耀中．基于小波變換的行波故障選相研究［J］．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1999，23（1）：95－98．

［2］武中，王志剛，宋述勇，等．電氣化鐵道牽引變電所對(duì)電力系統(tǒng)影響及治理的仿真研究［J］．31（12）：77－82．

［3］吳命利．電氣化鐵道牽引網(wǎng)的統(tǒng)一鏈?zhǔn)诫娐纺Ｐ停跩］．2010，30（28）：52－58．

［4］楊乃琪，孟軍，駱開源．電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與開發(fā)［J］．9（5）：77－82．136－139．

［5］H．Yi，Y．J．Xiong．Analysis on operating Characteristic for 1000kV AC UHV Transmission Line．Power System Technology，2006，30（15）：1－7．

［6］陳健鑫．基于信息融合技術(shù)的AT牽引網(wǎng)故障測(cè)距方法的研究及其仿真分析［J］．36（19）：25－28．

［7］賀威俊，簡(jiǎn)克良．電氣化鐵道供變電工程［M］．北京：中國(guó)鐵道出版社，1982．

［8］曹建猷．電氣化鐵道供電系統(tǒng)［M］．北京：中國(guó)鐵道出版社，1983．

［9］董新洲，葛耀中，徐丙垠，等．新型輸電線路故障測(cè)距裝置的研制［J］．電網(wǎng)技術(shù)，1998，22（1）：17－21．

［10］曹篤峰．電氣化鐵道行波故障測(cè)距研究［D］．北京：北京交通大學(xué)出版社，1982．

中圖分類號(hào)：TM63

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基金項(xiàng)目：＊國(guó)家自然科學(xué)基金（61263004）；甘肅省自然科學(xué)基金（1112RJZA051）

文章編號(hào)：1005—7277（2015）03—0026—05

作者簡(jiǎn)介：

張佩炯（1984－），男，甘肅武山人，助理工程師，主要從事電氣化鐵路牽引供變電技術(shù)研究和接觸網(wǎng)設(shè)計(jì)等工作。

收稿日期：2014－11－20

Simulation research on traction network fault location based on traveling wave method

ZHANG Pei－jiong
（CREEC Northwest Survey and Design Co．，Ltd．，Lanzhou 730030，China）

Abstract：Aiming at the traction network affected by the locomotive operation condition changes and some uncertain factors resulting in the defects of the ground faults，the scheme of using the travelling wave method to measure the fault location for the traction network is presented．Based on the actual circuit of the AT traction network in ATP shunt capacitance compensator model，the current of the locomotive traction network running is simulated and analyzed，thus to get the short－circuit fault data，and then can use Matlab to process the fault data and realize the measurement to the fault location by the traveling wave method．The hardware circuit experimental platform is set up．The simulation analysis and experimental results show that the scheme of using the travelling wave method to measure the fault location for the traction network is effective．

Key words：traction substation；fault location measurement；traveling wave