陳進(jìn)根 上海鐵路局杭州供電段

牽引供電故障跳閘智能分析系統(tǒng)的研究

陳進(jìn)根 上海鐵路局杭州供電段

牽引供電系統(tǒng)是電氣化鐵路的重要組成部分，是電力機(jī)車、動(dòng)車組動(dòng)力來源的唯一途徑，接觸網(wǎng)是牽引供電系統(tǒng)中唯一沒有備用的關(guān)鍵供電設(shè)備，接觸網(wǎng)的運(yùn)行安全尤為重要，一旦故障，將會(huì)嚴(yán)重影響運(yùn)輸安全。對(duì)直接供電末端并聯(lián)和AT供電兩種方式下的故障測(cè)距及饋線保護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行研究，闡述以饋線故障跳閘保護(hù)報(bào)文及測(cè)距報(bào)文經(jīng)驗(yàn)解析的優(yōu)勢(shì)，提出牽引供電故障跳閘智能分析系統(tǒng)解決方案，為故障跳閘的分析提供幫助。

電氣化鐵路；故障跳閘；智能分析

1 引言

接觸網(wǎng)線路故障可分為永久故障和瞬時(shí)故障兩種類型,接觸網(wǎng)故障10%為永久性故障。瞬時(shí)故障通過一次重合閘可恢復(fù)供電，但需盡快找到故障點(diǎn)，消除影響牽引供電的安全穩(wěn)定運(yùn)行的隱患。若為永久性故障，需要迅速查明故障原因并及時(shí)排除，排除故障所用時(shí)間的長(zhǎng)短，將直接影響到鐵路運(yùn)輸安全與效益。時(shí)間越長(zhǎng)，停電所造成的經(jīng)濟(jì)損失越大。因此，獲知準(zhǔn)確的故障位置、類型和方向，對(duì)線路的及時(shí)修復(fù)和供電的可靠性至關(guān)重要，對(duì)鐵路安全運(yùn)輸和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行起到了非常重要的作用。

對(duì)于直接供電末端并聯(lián)方式，目前綜自廠家都采用微機(jī)饋線保護(hù)裝置自帶的線性電抗法測(cè)距原理進(jìn)行測(cè)距分析，線路理論單位電抗的準(zhǔn)確性、不同區(qū)間的單位電抗差異性、全并聯(lián)線路解列前后互阻抗的影響，都對(duì)故障測(cè)距精度產(chǎn)生影響。

對(duì)于AT供電方式，綜自廠家一般采用吸上電流比測(cè)距原理進(jìn)行測(cè)距分析。當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，AT所、分區(qū)所、變電所內(nèi)的故障測(cè)距裝置同步采集線路吸上電流分部情況，并將數(shù)據(jù)送至變電所內(nèi)故障測(cè)距裝置進(jìn)行計(jì)算，給出故障類型、故障距離、公里標(biāo)等相關(guān)信息。延線故障測(cè)距通道的好壞、GPS對(duì)時(shí)的精度、AT漏抗的影響，都對(duì)故障測(cè)距精度產(chǎn)生影響。

為此，本文以饋線故障跳閘保護(hù)報(bào)文及測(cè)距報(bào)文經(jīng)驗(yàn)解析方法為研究對(duì)象，提出牽引供電故障跳閘智能分析系統(tǒng)概論及解決方案，具有一定設(shè)計(jì)推廣和實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

2 牽引供電系統(tǒng)幾種常見饋線保護(hù)動(dòng)作判據(jù)和故障測(cè)距原理

2.1 電流速斷保護(hù)及過流保護(hù)

（1）電流速斷保護(hù)動(dòng)作判據(jù)為：

①饋線電流大于速斷電流定值；

②持續(xù)時(shí)間大于速斷動(dòng)作時(shí)間。

（2）過電流保護(hù)動(dòng)作判據(jù)為：

①饋線電流大于電流定值；

②持續(xù)時(shí)間大于電流動(dòng)作時(shí)間；

③二次諧波閉鎖元件未動(dòng)作；

④當(dāng)選擇低電壓?jiǎn)?dòng)時(shí)還要求母線電壓低于啟動(dòng)電壓。

2.2 阻抗保護(hù)（距離保護(hù)）

阻抗保護(hù)的動(dòng)作判據(jù)：

①PT斷線閉鎖保護(hù)元件未動(dòng)作；

②二次諧波閉鎖元件未動(dòng)作；

③阻抗在相應(yīng)的動(dòng)作區(qū)內(nèi)；

④時(shí)間延時(shí)大于阻抗時(shí)間定值。

2.3 高阻接地保護(hù)（電流增量保護(hù)）

牽引網(wǎng)發(fā)生高阻接地故障時(shí)，阻抗值比常規(guī)故障的阻抗值要高出數(shù)倍甚至數(shù)十倍，阻抗保護(hù)將不能正確動(dòng)作。可利用機(jī)車負(fù)荷電流的變化量要小于故障電流的變化量的特性來實(shí)現(xiàn)保護(hù)的，電流增量保護(hù)一般也采用諧波抑制的方式來提高保護(hù)的躲負(fù)荷能力。

式中：I1q，I1h為故障前后兩時(shí)刻基波電流；

2.4 故障測(cè)距原理

鐵路故障測(cè)距裝置一般采用“線性電抗法原理”、“AT中性點(diǎn)吸上電流比原理”、“上下行電流比原理”和“吸饋電流比原理”進(jìn)行故障測(cè)距。

AT中性點(diǎn)吸上電流比原理適用于單線、復(fù)線AT牽引供電系統(tǒng)的T-R，F(xiàn)-R,F-PW線路短路故障；上下行電流比原理適用于復(fù)線工況下的各種短路故障，但不適用于單線下的故障測(cè)距；單線單AT段模式下的故障測(cè)距可以采用吸饋電流比原理進(jìn)行測(cè)距。

2.4.1 線性電抗法測(cè)距原理

根據(jù)接觸網(wǎng)線路電抗與線路長(zhǎng)度成正比例關(guān)系 l=X

X0

（X:測(cè)量電抗；X0:TF型單位電抗），如圖1所示。

圖1 線路電抗與長(zhǎng)度關(guān)系圖

2.4.2 上下行電流比測(cè)距原理（末端必須并聯(lián)，AT供電方式用在第一個(gè)AT臂）

當(dāng)線路末端閉環(huán)運(yùn)行時(shí)，采用“上下行電流比測(cè)距原理”，故障測(cè)距公式如下：

式中： 、 —上下行供電臂電流；La—供電臂長(zhǎng)度；Lc—修正距離。

2.4.3 AT中性點(diǎn)吸上電流比原理（AT供電方式）

AT牽引供電系統(tǒng)由于線路短路阻抗值非線性，除T-F短路外其他都不能通過阻抗查表進(jìn)行故障測(cè)距，在通常的TR、F-PW、F-R等短路故障條件下其各AT吸上電流與故障點(diǎn)有比例關(guān)系，且故障段AT吸上電流最大。

“AT中性點(diǎn)吸上電流比原理”如下，牽引網(wǎng)故障時(shí)見圖2。

圖2 在第n個(gè)AT和第n+1個(gè)AT之間發(fā)生故障

測(cè)距公式

式中：L—故障點(diǎn)距變電所的距離；

Ln—變電所距第n個(gè)AT的距離；

Dn—第n個(gè)AT與第n＋1個(gè)AT之間的距離；

In,In+1—分別為第n個(gè)AT與第n+1個(gè)AT中性點(diǎn)的吸上電流和；Qn,Qn+1—整定值，與鋼軌漏抗等相關(guān)；經(jīng)驗(yàn)值5~10；Kn,Kn+1—電流分布系數(shù)，范圍根據(jù)站場(chǎng)情況可調(diào)整。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間線路K=1.0。

3 解決方案

本方案將國電南自、天津凱發(fā)等綜合自動(dòng)化廠家故障調(diào)整報(bào)文導(dǎo)入智能分析系統(tǒng)后，通過系統(tǒng)分析，自動(dòng)生成故障電流分布圖、故障類型、故障公里標(biāo)、測(cè)距誤差、微機(jī)保護(hù)動(dòng)作的準(zhǔn)確性等信息，經(jīng)檢修、運(yùn)行部門豐富分析意見后提交業(yè)務(wù)歸口審核、確認(rèn)并歸檔。智能分析系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了跳閘分析的快速化、流程化、標(biāo)準(zhǔn)化，降低了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)分析的人工量及人為因素對(duì)分析結(jié)果的干擾。各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)可以第一時(shí)間得知故障情況，啟動(dòng)最佳應(yīng)急指揮方案，提高了供電可靠性。系統(tǒng)架構(gòu)見圖3。

圖3 智能系統(tǒng)架構(gòu)圖

3.1 故障報(bào)文解析

根據(jù)各個(gè)綜自廠家特點(diǎn)分別獲取饋線保護(hù)報(bào)文和故障測(cè)距報(bào)文，采用多種分析模板自動(dòng)形成特定格式。

3.1.1 自動(dòng)形成的保護(hù)報(bào)文格式（見圖4）

圖4 保護(hù)報(bào)文格式

3.1.2 自動(dòng)形成的測(cè)距報(bào)文格式（見圖5）

圖5 測(cè)距報(bào)文格式

從圖4、圖5，可以看出，經(jīng)過系統(tǒng)的智能分析，將雜亂、無序、難讀的報(bào)文智能地解析成了可讀性高、簡(jiǎn)單易懂的各類分析報(bào)告，并通過相關(guān)計(jì)算，得到了電流方向、故障點(diǎn)位置、故障點(diǎn)距離、實(shí)際距離、誤差等信息。

3.2 故障智能分析

3.2.1 保護(hù)動(dòng)作的正確性分析

根據(jù)各種饋線保護(hù)報(bào)文的故障動(dòng)作類型，按照對(duì)應(yīng)故障判別依據(jù)與整定定值進(jìn)行計(jì)算分析，如果滿足條件，則本次動(dòng)作正確，否則屬于誤動(dòng)，見圖6。

圖6 阻抗四邊形動(dòng)作圖

（1）阻抗保護(hù)動(dòng)作的正確性分析

AB之間的長(zhǎng)度用LAB表示，同理BC之間的長(zhǎng)度為L(zhǎng)BC, CD之間的長(zhǎng)度為L(zhǎng)CD,AD之間的長(zhǎng)度為L(zhǎng)AD，則：

動(dòng)作臨界邊界(臨界阻抗)LAD=LAC/COSα

Z=U/I

Z

（2）速斷保護(hù)故障智能分析

只判斷一個(gè)條件：大于電流定值，則動(dòng)作正確，否則為誤動(dòng)。根據(jù)不同廠家需要換算一次電流值：電流I1=流互變比×

I2

（3）過流保護(hù)故障智能分析

有低電壓閉鎖的同時(shí)判斷兩個(gè)條件：同時(shí)滿足大于電流定值和小于電壓定值。

根據(jù)不同廠家需要換算電流和電壓值：電流I1=流互變比×I2；電壓U1=壓互變比×U2。

（4）電流增量保護(hù)故障智能分析

如：高阻1段電流定值ΔIdz為650 A(流互變比假如為1 000，定值則為0.65)，延時(shí)時(shí)間定值為2 s。

舉例1：負(fù)荷→故障。當(dāng)饋線負(fù)荷電流一直為400 A，即高阻1段故障判斷中I1q0為400 A，則故障電流（假設(shè)不含諧波含量）要為400+650=1 050 A以上且持續(xù)2 s高阻1段保護(hù)才會(huì)動(dòng)作。

舉例2：負(fù)荷→負(fù)荷。當(dāng)饋線開始電流為0，即高阻1段故障判斷中I1q0為0 A，機(jī)車啟動(dòng)電流綜合諧波含量K235達(dá)到20%，則

即在機(jī)車啟動(dòng)電流綜合諧波含量K235達(dá)到20%時(shí)機(jī)車啟動(dòng)電流要達(dá)到1 300 A且保持2 s高阻1段保護(hù)才會(huì)出口，即諧波含量越高則要求動(dòng)作電流越大。

3.2.2 測(cè)距數(shù)據(jù)的正確性分析

根據(jù)故障測(cè)距數(shù)據(jù)，按照基爾霍夫節(jié)點(diǎn)電流定律：通過電路中任一節(jié)點(diǎn)或封閉網(wǎng)絡(luò)的電流的和為零，即任一節(jié)點(diǎn)流進(jìn)電流等于流出電流，形成故障電流分布，見圖7。

如果因通道、裝置、GPS對(duì)時(shí)等原因，其中一個(gè)所的故障數(shù)據(jù)丟失，根據(jù)上述原理，也可以推導(dǎo)出整個(gè)供電臂的電流分布圖，并選擇相應(yīng)測(cè)距算法進(jìn)行計(jì)算，并在故障對(duì)照表內(nèi)找到相應(yīng)公里標(biāo)和支柱號(hào)，見圖8。

圖8 故障公里標(biāo)對(duì)照表

在現(xiàn)場(chǎng)找到實(shí)際故障點(diǎn)位置，并輸入對(duì)應(yīng)公里標(biāo)，則自動(dòng)生成實(shí)際故障點(diǎn)公里數(shù)及相應(yīng)誤差。按照歷年故障測(cè)距誤差，自動(dòng)調(diào)正測(cè)距距離，為查找實(shí)際故障點(diǎn)提供更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

3.3 快速查閱技術(shù)資料

根據(jù)故障點(diǎn)位置，自動(dòng)連接“一桿一檔”資料及周遍照片圖或視頻等技術(shù)資料，連接應(yīng)急處置預(yù)案及搶修線路圖，調(diào)取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備廠家信息及產(chǎn)品名稱及相關(guān)信息等資料，為應(yīng)急處置提供相關(guān)信息。

4 結(jié)論

電氣化鐵路牽引供電設(shè)備廠家多、設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)于掌握設(shè)備性能難度高，及時(shí)切除故障并啟動(dòng)合理的應(yīng)急供電預(yù)案更難實(shí)現(xiàn)。本文利用現(xiàn)有的綜自報(bào)文數(shù)據(jù)，通過局域網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)入數(shù)據(jù)，智能分析數(shù)據(jù)，極大地提高了故障跳閘時(shí)對(duì)于故障點(diǎn)實(shí)際距離查找的準(zhǔn)確性，從而可以啟動(dòng)最佳應(yīng)急供電預(yù)案，迅速切除故障，提高供電可靠性、減少故障時(shí)間，確保鐵路運(yùn)輸安全。

為保證供電可靠性，減少故障影響，根據(jù)設(shè)備、線路的差異建立一套由基礎(chǔ)參數(shù)、視頻系統(tǒng)、故障信息、應(yīng)急供電預(yù)案等組成的電氣化鐵路牽引供電故障跳閘智能分析系統(tǒng)勢(shì)在必行，該系統(tǒng)的應(yīng)用不僅能全面掌握全線牽引供電設(shè)備運(yùn)行狀況，了解設(shè)備性能，而且一旦出現(xiàn)故障、能及時(shí)掌握故障點(diǎn)的位置，自動(dòng)傳輸故障點(diǎn)現(xiàn)象，并且自動(dòng)模擬切除故障點(diǎn)，恢復(fù)運(yùn)行的應(yīng)急指揮方案。這樣不但能實(shí)時(shí)了解和掌握管轄設(shè)備狀況，而且能迅速啟動(dòng)最佳的應(yīng)急供電方案，縮小故障影響面，確保優(yōu)質(zhì)可靠供電。該系統(tǒng)的各項(xiàng)功能特點(diǎn)適用于各供電段，轉(zhuǎn)化前景廣闊，在鐵路同行業(yè)中具有一定的通用性。

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責(zé)任編輯：許耀元

來稿日期：2016-12-13