李 翔

（中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海高鐵維修段）

0 引言

近幾年，在鐵路大發(fā)展的背景下，我國(guó)電氣化鐵路運(yùn)營(yíng)里程逐年攀升。隨著國(guó)民生活水平的提高，人們對(duì)出行效率和舒適度的要求越發(fā)提高的背景下，電氣化鐵路尤其是高鐵無(wú)疑是國(guó)家鐵路戰(zhàn)略發(fā)展的重中之重。由于接觸網(wǎng)架設(shè)自然環(huán)境惡劣，且無(wú)備用線路，鐵路接觸網(wǎng)各類跳閘事件屢見(jiàn)不鮮，解決高速鐵路接觸網(wǎng)故障測(cè)距問(wèn)題對(duì)保證鐵路安全運(yùn)行具有重要的意義，傳統(tǒng)應(yīng)用于電氣化鐵路的故障測(cè)距裝置大多基于阻抗測(cè)距原理，由于受到過(guò)度電阻、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的影響無(wú)法保證故障測(cè)距的準(zhǔn)確性，因此找到一種新型的故障測(cè)距技術(shù)勢(shì)在必行。

1 行波測(cè)距理論

行波測(cè)距的概念是20世紀(jì)提出，它根據(jù)行波傳輸理論實(shí)現(xiàn)線路故障測(cè)距，隨著小波算法的提出和高精度GPS對(duì)時(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，目前行波法測(cè)距已成為成熟的高壓線路距離保護(hù)之一，行波法故障定位能從原理上克服阻抗法易受對(duì)側(cè)系統(tǒng)運(yùn)行阻抗、負(fù)荷電流、運(yùn)行方式等因素影響的缺點(diǎn)，使得測(cè)距精度得以提高，本文主要采用D行波法對(duì)配電網(wǎng)經(jīng)行故障測(cè)距。

行波故障定位是利用故障時(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(lái)確定故障點(diǎn)的位置。在線路中安裝行波檢測(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。

圖1為行波法故障測(cè)距裝置原理：m、n為行波故障測(cè)距裝置，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為兩設(shè)備（m和n） 之間的距離，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。可準(zhǔn)確高效地計(jì)算出故障點(diǎn)距離設(shè)備兩邊的距離。

在兩設(shè)備（m和n） 之間的距離L固定的情況下，影響行波法故障測(cè)距主要因素為Δt和波速v，m、n兩裝置采用高精度GPS對(duì)時(shí)，v為行波在輸電線路上傳輸?shù)乃俣?，接近光速，因此行波法故障測(cè)距準(zhǔn)確度高。由以上推導(dǎo)公式可以看出，線路發(fā)生故障跳閘時(shí)不受傳統(tǒng)阻抗法過(guò)度阻抗的影響。

2 故障采集技術(shù)原理

由于接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)較為特殊，接觸網(wǎng)線上為保證列車的正常運(yùn)行不能懸掛傳感器，因此接觸網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)裝置安裝于接觸網(wǎng)供電線上。接觸網(wǎng)智能故障監(jiān)測(cè)裝置共包括如下幾個(gè)單元：電流采集裝置、電壓采集裝置、GPS天線、通訊模塊等、以下主要從故障采集模塊來(lái)講解。

2.1 電流測(cè)量

電流測(cè)量分工頻電流測(cè)量和行波電流的測(cè)量，其電流的測(cè)量單元采用羅氏線圈進(jìn)行測(cè)量，由于羅氏線圈具有很好的通頻帶（0.1Hz～1MHz），可滿足牽引網(wǎng)工頻電流（50Hz） 和行波電流（10～100kHz） 的的測(cè)量，只要對(duì)放大回路進(jìn)行高通低通頻帶選擇，即可完成電流的測(cè)量，羅氏線圈放大示意圖如圖2所示。

以下為羅氏線圈的輸入與輸出特性

式中，e（t） 為輸出電壓，i1（t） 為被測(cè)電流信號(hào)，M為羅氏線圈于配電導(dǎo)線之間的電感，L、R0、C0和r分別為線圈自感、內(nèi)阻、分布電容及積分電阻；i2（t）為積分電阻上的電流。

由于自積分電阻R0+r很小，因此對(duì)于行波來(lái)說(shuō)WL≥R0+r，可知：

圖3為羅氏線圈工頻行波工作原理圖。

2.2 電壓測(cè)量

目前接觸網(wǎng)智能監(jiān)測(cè)裝置針對(duì)電壓測(cè)量只進(jìn)行工頻電壓的測(cè)量，其采用電容分壓結(jié)構(gòu)，通過(guò)在監(jiān)測(cè)終端外敷一薄層金屬片，金屬片對(duì)地電容為C1，C1根據(jù)文獻(xiàn)［3］中估值，約為3pF，進(jìn)入主板上固定電容為C2，約為0.1μF，C2進(jìn)測(cè)量回路，C1C2組成串聯(lián)分壓電容電路，通過(guò)測(cè)量C2兩端的電壓，即可對(duì)線電壓進(jìn)行測(cè)量。

以下為電容分壓的線電壓計(jì)算公式：

由以上公式可知串聯(lián)分壓公式可滿足對(duì)線路線電壓的測(cè)量，圖4為串聯(lián)分壓工作原理圖。

由于接觸網(wǎng)在沒(méi)有列車經(jīng)過(guò)時(shí)，線路處于負(fù)荷狀態(tài)，當(dāng)有列車經(jīng)過(guò)時(shí)線路才有負(fù)荷電流，因此，對(duì)線路電壓進(jìn)行測(cè)量作為判定線路是否故障的依據(jù)。

3 故障驗(yàn)證

3.1 安裝概況

本文以上海鐵路局上海高鐵維修段已安裝接觸網(wǎng)智能故障監(jiān)測(cè)裝置為例，接觸網(wǎng)智能故障監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行故障測(cè)距驗(yàn)證，圖5為已安裝線路線路結(jié)構(gòu)及設(shè)備安裝點(diǎn)。

如圖5所示，本供電單元為AT供電方式，線路結(jié)構(gòu)為上下行全并聯(lián)。由于接觸網(wǎng)的特殊環(huán)境，因此智能故障檢測(cè)裝置安裝于牽引供電單元的供電線上，分別安裝于牽引所供電線，AT所供電線和分區(qū)所供電線上，設(shè)備方向全部由所內(nèi)朝向接觸網(wǎng)線為正方向，對(duì)此供電單元實(shí)現(xiàn)全線故障精確定位。

3.2 故障概況

接觸網(wǎng)智能檢測(cè)裝置安裝后，線路于2019年4月3日線路發(fā)生跳閘，過(guò)流保護(hù)，斷路器動(dòng)作，重合閘失敗，供電臂停電。接觸網(wǎng)智能故障裝置檢測(cè)到分閘工頻后快速對(duì)線路做出故障判定：利用故障電流法快速判斷故障位于T線且第一段AT內(nèi)。故障時(shí)刻工頻電流圖如圖6所示。

由于接觸網(wǎng)智能故障監(jiān)測(cè)裝置安裝于接觸網(wǎng)供電線上網(wǎng)點(diǎn)，且正方向同朝向于接觸網(wǎng)線，依據(jù)發(fā)生故障時(shí)根據(jù)故障時(shí)刻短路電路方向和大小關(guān)系可判定此故障點(diǎn)位于第一段AT，即牽引所和AT所之間。利用故障時(shí)刻設(shè)備采集到的故障行波電流可快速進(jìn)行故障精確定位。故障時(shí)刻行波電流圖如圖7所示。

對(duì)比故障時(shí)刻行波電流圖亦可發(fā)現(xiàn)故障時(shí)刻行波電流牽引所較AT所大，因此可判定故障距離牽引所較近，對(duì)故障時(shí)刻兩設(shè)備采集到的行波電流利用小波包變換求出故障時(shí)刻行波電流模極大值，此時(shí)利用模極大值可以求出故障行波達(dá)到兩設(shè)備之間的時(shí)間差Δt，利用、式（1）～式（3）中關(guān)系可求出故障點(diǎn)距離牽引所6.502km，故障支柱為無(wú)錫新區(qū)-37#，故障公里標(biāo)為K113.118?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員快速趕到無(wú)錫新區(qū)-37#附近，最終巡線結(jié)果為無(wú)錫新區(qū)-37#。接觸網(wǎng)智能故障監(jiān)測(cè)裝置0誤差，輔助接觸網(wǎng)運(yùn)維工作人員快速故障清除，減少線路被迫停電時(shí)間，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 歷史故障對(duì)比

此27.5kV線路安裝分布式檢測(cè)裝置后，線路發(fā)生多次跳閘，利用接觸網(wǎng)智能故障監(jiān)測(cè)裝置對(duì)現(xiàn)場(chǎng)故障進(jìn)行故障精確定位，巡線結(jié)果與故障對(duì)比如下表所示。

表 歷史故障與巡線結(jié)果對(duì)比

利用歷史故障進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)利用接觸網(wǎng)智能故障監(jiān)測(cè)裝置可以快速檢測(cè)故障的同時(shí)也能定位精準(zhǔn)，每次精確定位誤差小于等于200m （2020.02.08故障除外），可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)故障的快速清除。 同時(shí)由于2020.02.08故障誤差較大，對(duì)此進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，由于此供電臂為全并聯(lián)AT供電方式，而由于本次故障為下行故障，接觸網(wǎng)智能檢測(cè)裝置只安裝于上行，因此需要上下行同時(shí)安裝才可以實(shí)現(xiàn)全供電臂的精確定位。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）由于分布式檢測(cè)裝置采集線圈采用羅氏線圈，其高頻特性滿足電力系統(tǒng)故障中大部分頻率，不僅僅針對(duì)于穩(wěn)態(tài)接地故障可實(shí)現(xiàn)精確定位，對(duì)于暫態(tài)接地故障，亦可實(shí)現(xiàn)故障預(yù)警，暫態(tài)接地故障的檢測(cè)是配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的一大進(jìn)步。

2）利用工頻故障電流大小判定故障區(qū)間段，外加以行波判定故障位置，接觸網(wǎng)故障智能監(jiān)測(cè)裝置目前在實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行過(guò)程中都取得較好效果，這表明接觸網(wǎng)監(jiān)測(cè)技術(shù)能很好地解決接觸網(wǎng)網(wǎng)故障難題，在解決接觸網(wǎng)網(wǎng)故障難題時(shí)具有一定的意義。

3）利用接觸網(wǎng)智能故障監(jiān)測(cè)裝置對(duì)線路全線覆蓋，當(dāng)線路發(fā)生跳閘時(shí)，快速啟動(dòng)故障預(yù)警，定位結(jié)果輔助運(yùn)維人員進(jìn)行故障排查，合理的配置方案能減小智能故障測(cè)距誤差，相比傳統(tǒng)全線排查故障大大減少了線路被迫停運(yùn)時(shí)間，減小現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員工作力度，保證列車正常運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。