桂林峰

(蒙遼鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110025)*

接觸網(wǎng)加強(qiáng)線是從牽引變電所引出的一條供電線，與接觸線并聯(lián)，每隔一定的間隔通過橫向連接線連接起來，用以降低牽引網(wǎng)阻抗，延長(zhǎng)供電臂長(zhǎng)度，提高供電能力.在帶加強(qiáng)線的直供牽引供電系統(tǒng)中，加強(qiáng)線多架設(shè)在鐵路田野側(cè)，易受外部樹木、異物侵入引發(fā)事故，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，有接近70%接觸網(wǎng)跳閘事件，多源于加強(qiáng)線異物侵入.系統(tǒng)發(fā)生故障后，運(yùn)維人員根據(jù)牽引變電所內(nèi)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)測(cè)得的線路阻抗值來進(jìn)行故障定位，但該方法無法判斷故障是位于加強(qiáng)線還是接觸網(wǎng)上，對(duì)故障處理的效率造成一定影響.另外，為了在故障時(shí)能快速切除加強(qiáng)線，新的電氣化改造工程或客專項(xiàng)目，設(shè)計(jì)單位都大大減少了加強(qiáng)線與接觸網(wǎng)的并聯(lián)點(diǎn)，這也造成了牽引變電所內(nèi)綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的阻抗值曲線多不規(guī)則曲線，無法快速查找故障點(diǎn).本文對(duì)故障時(shí)刻接觸網(wǎng)電流走向進(jìn)行研究，通過電流方向判斷故障線路，提出了適用于帶加強(qiáng)線的直供牽引供電系統(tǒng)的故障測(cè)距輔助方案.

1 直供牽引網(wǎng)簡(jiǎn)介

隨著幾大高鐵的正式開通、運(yùn)營，中國牽引系統(tǒng)已達(dá)到世界先進(jìn)水平，目前我國高速鐵路主要采取全并聯(lián)AT供電方式.但對(duì)于山區(qū)電氣化鐵路，由于其具有運(yùn)行速度低、坡道大(往往為一面坡)、橋隧比例高、所址選擇困難等特點(diǎn)，AT供電方式牽引變電設(shè)施較多，站前土建工程較大，運(yùn)營維護(hù)難度也較大.通過分析，帶加強(qiáng)線的供電方式在解決供電的同時(shí)，較AT供電方式節(jié)約大量資金，是解決山區(qū)大坡道大負(fù)荷供電需求的較為經(jīng)濟(jì)有效的供電方式[1].

加強(qiáng)線作為接觸網(wǎng)接觸懸掛并聯(lián)的一條附加導(dǎo)線，其作用主要是提高接觸網(wǎng)載流能力和線路末端電壓.在車流量較大的電力牽引區(qū)段內(nèi)，尤其是(全并聯(lián))直供牽引供電系統(tǒng)中，接觸線和承力索的總截面積往往不能滿足輸電要求，需要用加強(qiáng)線來彌補(bǔ)懸掛截面的不足，同時(shí)降低接觸網(wǎng)電能損失和電壓損失[2].

帶加強(qiáng)線的直供牽引系統(tǒng)牽引網(wǎng)主要由接觸線、鋼軌、回流線、加強(qiáng)線構(gòu)成，如圖1所示.加強(qiáng)線和接觸線并聯(lián)，每隔一定的間隔通過橫向連接線連接起來.鋼軌、回流線每隔一定距離進(jìn)行一次橫向連接，鋼軌只能通過扼流變壓器(或空心線圈)中點(diǎn)和回流線連在一起[3].

圖1 帶加強(qiáng)線直供牽引供電系統(tǒng)示意圖

2 直供牽引網(wǎng)故障測(cè)距分析

2.1 行波法測(cè)距理論

雙端行波定位是利用故障時(shí)刻線路電流、電壓突然發(fā)生變化所產(chǎn)生的高頻暫態(tài)行波達(dá)到兩端的時(shí)差來確定故障點(diǎn)的位置.在線路中安裝故障監(jiān)測(cè)裝置，利用行波到達(dá)的兩設(shè)備的時(shí)間差Δt進(jìn)行故障點(diǎn)精確定位.

Δt=|t1-t2|

(1)

(2)

(3)

圖2為雙端行波法故障測(cè)距原理：m、n為故障監(jiān)測(cè)裝置，t1為行波到達(dá)設(shè)備m的時(shí)刻、t2為行波到達(dá)設(shè)備n的時(shí)刻、L為設(shè)備m與設(shè)備n之間的距離，v為光速298 m/us，Xm為故障點(diǎn)距離設(shè)備m的距離，Xn為故障點(diǎn)距離設(shè)備n的距離.根據(jù)上述公式可準(zhǔn)確的計(jì)算出故障點(diǎn)距離設(shè)備兩邊的距離.

圖2 行波測(cè)距原理

根據(jù)以上推導(dǎo)方法可知：在兩設(shè)備之間的距離L固定的情況下，影響雙端行波法故障測(cè)距主要因素為行波到達(dá)設(shè)備的時(shí)間差Δt和波速v，目前故障監(jiān)測(cè)裝置采用高精度GPS對(duì)時(shí)，行波在輸電線路上傳輸?shù)乃俣确€(wěn)定，接近光速，因此行波法故障測(cè)距準(zhǔn)確度高，且完全不受傳統(tǒng)阻抗法中過度阻抗的影響.所以行波故障測(cè)距目前已逐漸成為牽引供電系統(tǒng)中重要的測(cè)距手段[4].

2.2 直供系統(tǒng)接觸網(wǎng)段故障分析

對(duì)于帶加強(qiáng)線供電方式或AT供電方式的接觸網(wǎng)，故障時(shí)刻僅通過行波法測(cè)得故障點(diǎn)的距離是不夠的，還需要判斷是加強(qiáng)線(正饋線)還是接觸線故障，以此來輔助運(yùn)維人員更好的進(jìn)行故障處理.因此，本文在行波法的基礎(chǔ)上進(jìn)行一些改進(jìn)，利用故障時(shí)刻工頻來判斷故障線別.

上下行并聯(lián)直供帶加強(qiáng)線接觸網(wǎng)多架設(shè)在野外，環(huán)境惡劣，易受外部環(huán)境影響.而外在環(huán)境的多樣性也容易引起牽引線路的接地短路故障.由于牽引供電系統(tǒng)為單相導(dǎo)線供電，發(fā)生短路接地故障時(shí)潮流方向單一，故障電流總是流向短路接地點(diǎn)，故障行等效電路如圖3所示.

圖3 單根加強(qiáng)線系統(tǒng)接觸網(wǎng)故障

圖中，I1為牽引所接觸線上網(wǎng)處電流，I2為橫連線電流，I3為分區(qū)所接觸線上網(wǎng)處電流.

在上下行并聯(lián)的情況下，當(dāng)接觸線發(fā)生故障時(shí)，故障行電流方向?yàn)楸拘袪恳飨蚪拥攸c(diǎn)，與此同時(shí)加強(qiáng)線上的故障電流亦是從加強(qiáng)線流向短路接地點(diǎn)；另外一行的故障電流通過末端并聯(lián)點(diǎn)流向短路接地點(diǎn)，此時(shí)接觸網(wǎng)跳閘.對(duì)于故障行來說，其接觸線和加強(qiáng)線電流方向相同，都是從牽引所流向短路接地點(diǎn)，而分區(qū)所處電流是由非故障行提供，方向?yàn)榉謪^(qū)所流向短路接地點(diǎn)，規(guī)定設(shè)備正方向由所指向線，那么上圖所示三處電流方向相同[4].

使用SPSS20.0軟件對(duì)本文60例行手術(shù)治療的老年骨科患者的指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,卡方檢驗(yàn),以%形式展開患者術(shù)后6h、術(shù)后12h、術(shù)后24h、術(shù)后72h認(rèn)知功能障礙發(fā)生率,兩組患者組間差異存在統(tǒng)計(jì)學(xué)意義以P<0.05展開。

2.3 帶加強(qiáng)線直供系統(tǒng)加強(qiáng)線段故障分析

對(duì)于帶單段加強(qiáng)線的上下行并聯(lián)直供接觸網(wǎng)，加強(qiáng)線直接從牽引所出，當(dāng)加強(qiáng)線段發(fā)生故障時(shí)，接觸網(wǎng)故障行等效電路如圖4所示.

圖4 單根加強(qiáng)線系統(tǒng)加強(qiáng)線故障

加強(qiáng)線段發(fā)生故障時(shí)，通過潮流分析，各處故障電流都流向短路接地點(diǎn).在規(guī)定設(shè)備正方向的前提下，對(duì)于故障行來說，上圖三處故障電流中，橫連線處電流與接觸線和分區(qū)所處上網(wǎng)點(diǎn)電流相反，具體推導(dǎo)過程與上一小結(jié)相同，不再贅述.

2.4 多段加強(qiáng)直供系統(tǒng)線加強(qiáng)線段故障分析

對(duì)于多段加強(qiáng)線的直供系統(tǒng)，當(dāng)加強(qiáng)線段發(fā)生故障時(shí)，故障電流仍是流向短路接地點(diǎn)，各處電流方向如圖5所示.其中，I1、I3分別為牽引所和分區(qū)所接觸線上網(wǎng)處的電流，I2為加強(qiáng)線并聯(lián)點(diǎn)處電流，I4為加強(qiáng)線末段橫連線電流.此時(shí)規(guī)定I1、I3、I4的正方向?yàn)橛伤赶蚓€，I2電流的正方向?yàn)闋恳赶蚍謪^(qū)所.故障發(fā)生后，通過I1、I3、I4判斷故障是否位于加強(qiáng)線上(判斷原則與單段加強(qiáng)線相同)，當(dāng)故障位于加強(qiáng)線上時(shí)，再通過I2和I4來判斷故障區(qū)段，若I2和I4同向則故障位于前段(即靠近牽引所段)，若I2和I4反向則故障位于后段(靠近分區(qū)所段).

圖5 多段加強(qiáng)線系統(tǒng)加強(qiáng)線故障

3 直供牽引系統(tǒng)故障仿真分析

3.1 模型建立

在Matlab/Simulink搭建帶加強(qiáng)線的全并聯(lián)直供牽引網(wǎng)模型，牽引供電系統(tǒng)中牽引變電所為110kV，利用Matlab/Simulink中Simpowersystems中“3-Phaes Source”模塊作為外部電源仿真模型[5].

帶加強(qiáng)線的全并聯(lián)直接供電方式采用27.5kV的單相供電方式，牽引變主變壓器采用單相變壓器，利用Simpowersystems中LinearTransformer模塊：

本文目前只考慮電流流向問題，因此設(shè)定參數(shù)滿足常規(guī)參數(shù)，不需要考慮發(fā)生短路接地時(shí)電流大小.帶加強(qiáng)線段和接觸網(wǎng)段目前只考慮自阻抗和互阻抗，其它暫不考慮，所以具體參數(shù)如表1所示.

表1 仿真參數(shù) Ω/km

以上模塊及模塊參數(shù)確定完成后，將模型優(yōu)化，對(duì)仿真模塊進(jìn)行封裝.本仿真模型，供電臂長(zhǎng)度為30 km，其中加強(qiáng)線總長(zhǎng)20 km，分為兩段，每段10 km.

3.2 仿真結(jié)果

經(jīng)過Matlab/Simulink搭建出來的波形仿真出來結(jié)果如下：

對(duì)于單段加強(qiáng)線，線路檢測(cè)點(diǎn)如圖6.

圖6 單段加強(qiáng)線故障電流流向圖

單段加強(qiáng)線模型中，加強(qiáng)線長(zhǎng)度為10 km，從牽引所引出.此時(shí)規(guī)定由所流向線路方向?yàn)殡娏鞯恼较颍瑒t測(cè)量點(diǎn)方向如圖7所示.

圖7 加強(qiáng)線故障

如圖8所示，帶單段加強(qiáng)線模型中，加強(qiáng)線長(zhǎng)度為10 km，直供線段20 km，此時(shí)規(guī)定由所流向線路方向?yàn)殡娏鞯恼较騕6]，則可由加強(qiáng)線段的故障電流方向來判定故障，若加強(qiáng)線段電流方向和接觸網(wǎng)段電流方向相同則故障位于接觸網(wǎng)段，若加強(qiáng)線段電流方向與接觸網(wǎng)段電流方向相反，則故障位于加強(qiáng)線段.

圖8 接觸網(wǎng)故障

多段加強(qiáng)線模型中，第一段加強(qiáng)線長(zhǎng)度為10km，第二段加強(qiáng)線長(zhǎng)度為10 km，第三段線不帶加強(qiáng)線長(zhǎng)度為10 km，從牽引所引出.此時(shí)規(guī)定由所流向線路方向?yàn)殡娏鞯恼较颍瑒t測(cè)量點(diǎn)方向如圖9所示.

圖9 多段加強(qiáng)線故障電流流向圖

該模型中，加強(qiáng)線總長(zhǎng)20 km，分為兩段，在中點(diǎn)處與接觸線并聯(lián).規(guī)定電流正方向同上，則測(cè)量點(diǎn)方向如圖10所示.

圖10 接觸網(wǎng)故障

圖11、12為第一段、第二段加強(qiáng)線故障，從圖中可以判定出加強(qiáng)線故障和接觸網(wǎng)段故障，當(dāng)存在多段加強(qiáng)線時(shí)，故障點(diǎn)位于后段加強(qiáng)線時(shí)牽引所出口設(shè)備采集到波形與第一段加強(qiáng)線波形完全重合，因此可以判定故障位于那段加強(qiáng)線[1].

圖11 第一段加強(qiáng)線故障

圖12 第二段加強(qiáng)線故障

由仿真結(jié)果可知，不同位置的故障可以通過監(jiān)測(cè)點(diǎn)電流方向來進(jìn)行判別.以上規(guī)律可與行波定位理論相結(jié)合，在實(shí)現(xiàn)故障定位的同時(shí)確定故障線別，能更好的指導(dǎo)運(yùn)維人員進(jìn)行故障處理.

4 結(jié)論

本文通過對(duì)帶加強(qiáng)線牽引供電系統(tǒng)不同故障時(shí)故障電流的仿真分析，總結(jié)出判斷系統(tǒng)故障線別的規(guī)律，解決了傳統(tǒng)故障定位中無法區(qū)分線別的問題，并與行波定位理論結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了帶加強(qiáng)線直供系統(tǒng)的精確定位，有效減少接觸網(wǎng)停電時(shí)間，提升了故障處理效率.另外，該結(jié)論還能夠指導(dǎo)配置和優(yōu)化接觸網(wǎng)故障監(jiān)測(cè)裝置，節(jié)省投資.但實(shí)際使用效果需相關(guān)設(shè)備生產(chǎn)后結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、接觸網(wǎng)分布情況與鐵路部門現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證.