黎寧昊

（中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司蘇州鐵路工程建設(shè)指揮部）

0 引言

近年來(lái)，隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，截止2020年全國(guó)高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程高達(dá)12萬(wàn)km，隨著高鐵事業(yè)的穩(wěn)定快速發(fā)展，高速鐵路電能質(zhì)量顯得極為重要，牽引供電系統(tǒng)作為我國(guó)高速鐵路重要的組成部分，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接影響了高鐵動(dòng)車(chē)組的安全運(yùn)行。高速鐵路的供電系統(tǒng)沿鐵路沿線架設(shè)，線路走廊為荒郊野外，供電自然環(huán)境惡劣且無(wú)備用線路，傳統(tǒng)的故障測(cè)距方案為阻抗法故障測(cè)距，當(dāng)線路發(fā)生故障跳閘時(shí)，通過(guò)故障時(shí)線路故障錄波來(lái)進(jìn)行故障的阻抗計(jì)算，此類(lèi)計(jì)算方法當(dāng)故障為高阻故障時(shí)，故障測(cè)距精度較低，尤其是針對(duì)線路存在多段T接時(shí)，此時(shí)故障測(cè)距精度直接影響了高鐵停運(yùn)時(shí)間，因此快速查找故障且恢復(fù)顯得極為重要。本文從行波法故障測(cè)距角度出發(fā)，利用行波法測(cè)距不受牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響，從而實(shí)現(xiàn)多分支全并聯(lián)AT多分支線路故障測(cè)距。

1 多分支結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

我國(guó)電氣化鐵路采用多種供電方式，由傳統(tǒng)的直供到帶回流線的供電方式再到自耦變壓器供電方式，無(wú)一不是為了滿足我國(guó)鐵路供電的穩(wěn)定性和高負(fù)荷性。由于我國(guó)高速鐵路的“八縱八橫”發(fā)展規(guī)劃，高速鐵路線路復(fù)雜程度越來(lái)越高，從傳統(tǒng)的上下行全并聯(lián)AT供電方式演變?yōu)槎喾种У纳舷滦腥⒙?lián)供電方式，如圖1所示為全并聯(lián)AT供電方式多分支線路示意圖，隨著全并聯(lián)AT供電方式的接線方式越來(lái)越復(fù)雜，線路呈現(xiàn)多段T接分支，導(dǎo)致原本阻抗均勻的線路變得線路阻抗呈現(xiàn)分段趨勢(shì)，導(dǎo)致應(yīng)用于全并聯(lián)AT故障測(cè)距的阻抗法故障測(cè)距精度不高，甚至出現(xiàn)區(qū)段誤判情況，從而嚴(yán)重影響了高速鐵路穩(wěn)定運(yùn)營(yíng)，因此急需一種可滿足現(xiàn)行的上下行全并聯(lián)AT多分支線路故障測(cè)距方法。

圖1 分支全并聯(lián)AT供電示等效圖

2 行波測(cè)距原理

行波法故障定位是指在高壓線路上電壓或者電流發(fā)生抖動(dòng)時(shí)，線路上會(huì)產(chǎn)生高頻暫態(tài)行波，利用高頻暫態(tài)行波進(jìn)行在線路上折反射時(shí)間差來(lái)進(jìn)行故障定位，行波法測(cè)距概念于20世紀(jì)80年代提出，經(jīng)過(guò)傅里葉變換、小波包變換數(shù)據(jù)處理之后可求取行波折反射的時(shí)刻，結(jié)合現(xiàn)行的高精度GPS對(duì)時(shí)模塊，可實(shí)現(xiàn)線路的故障跳閘的精確定位，行波法故障定位最開(kāi)始應(yīng)用于高壓輸電線路上，由于高壓輸電線路線路雜波較少，線路環(huán)境雜質(zhì)較少，可實(shí)現(xiàn)高壓輸電線路的故障精確定位。圖2為D行波法故障測(cè)距原理。

如圖2所示，m、n為兩行波監(jiān)測(cè)終端，Q點(diǎn)為接地故障點(diǎn)，Xm為接地放電點(diǎn)距離監(jiān)測(cè)終端m的距離，Xn為接地放電點(diǎn)距離監(jiān)測(cè)終端n的距離，當(dāng)線路發(fā)生接地時(shí)，線路上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高頻暫態(tài)行波，向線路兩端沿線傳播，t1為故障點(diǎn)行波到達(dá)監(jiān)測(cè)終端m的時(shí)刻，t2為故障點(diǎn)行波到達(dá)監(jiān)測(cè)終端n的時(shí)刻，兩端采用高精度GPS對(duì)時(shí)可保證時(shí)刻一致，由于行波在高壓輸電線路中傳播速度C接近于光速，因此只需記錄t1、t2時(shí)刻即可求得故障點(diǎn)距離監(jiān)測(cè)終端的距離，以下為行波測(cè)距公式：

圖2 D行波法故障測(cè)距原理圖

近年來(lái)，隨著行波法故障定位在高壓輸電線路上的成熟應(yīng)用，行波法故障測(cè)距開(kāi)始應(yīng)用于牽引供電系統(tǒng)，由于全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，線路結(jié)構(gòu)多樣化，因此針對(duì)全并聯(lián)AT供電多分支供電系統(tǒng)，傳感器的合理配置對(duì)故障測(cè)距顯得極為重要。

3 配置方案及故障判定

由于接觸網(wǎng)線路相比輸電線路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，可安裝傳感器位置較少，而行波監(jiān)測(cè)裝置對(duì)于安裝位置要求較高，因此合理的配置方案尤為重要。對(duì)于不存在分支T接的線路只需將行波監(jiān)測(cè)終端安裝于各所內(nèi)上網(wǎng)線處即可完成故障測(cè)距，由于存在多段分支，T接處一般為下錨，因此，T線處不適合安裝傳感器，因此須通過(guò)其他手段來(lái)進(jìn)行故障區(qū)間判定，以下為某鐵路局一條全并聯(lián)AT帶分支線路故障測(cè)距方案。

3.1 線路概況

以上海局管轄某全并聯(lián)AT帶分支線路為例，主線牽引所至第一段AT全長(zhǎng)約為11.236km，主線第一段AT至第二段AT全長(zhǎng)約為10.389km，T接支線為第一段AT和第二段AT之間，全長(zhǎng)約為4.685km。由于此線路存在T接支線，因此阻抗法故障測(cè)距精度不高，且T接支線和第一段AT距離較近，因此經(jīng)常存在區(qū)間判定錯(cuò)誤。此線路故障頻發(fā)，阻抗法故障測(cè)距精度不高，因此選擇此線路作為行波測(cè)距監(jiān)測(cè)裝置示例。

3.2 配置方案

由于各個(gè)所內(nèi)存在較長(zhǎng)的上網(wǎng)線，因此，行波監(jiān)測(cè)傳感器可安裝于所內(nèi)，且可實(shí)現(xiàn)T、F全線的故障監(jiān)測(cè)，而長(zhǎng)T接支路由于從主線直接拉錨形成T接，因此長(zhǎng)T接支路只能將行波監(jiān)測(cè)終端安裝于F線上，圖3為示例線路安裝傳感器示意圖。

針對(duì)此類(lèi)多分支線路為實(shí)現(xiàn)全線線路故障精確定位，行波監(jiān)測(cè)裝置安裝配置圖如圖3所示，線路所有所內(nèi)上網(wǎng)線上均安裝行波監(jiān)測(cè)裝置，方向朝向所內(nèi)，長(zhǎng)支線AT分區(qū)所在F線上T接點(diǎn)拉出位置安裝行波監(jiān)測(cè)裝置，以上配置可實(shí)現(xiàn)全線故障判定。

圖3 上海局某全并聯(lián)AT多分支安裝配置圖

3.3 故障判定

由于線路結(jié)構(gòu)較為特殊，因此本文中只對(duì)線路單行發(fā)生故障時(shí)進(jìn)行討論，此類(lèi)全并聯(lián)AT供電方式，由于上行故障情況和下行故障情況時(shí)，傳感器采集到的電流方向類(lèi)似，因此，只考慮主線故障和支線故障的區(qū)別，以下為故障時(shí)，規(guī)定所有監(jiān)測(cè)傳感器朝向所內(nèi)為正方向，下表為各監(jiān)測(cè)終端電流方向。

表 不同情況下故障區(qū)段故障電流方向

如上表所示，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，由于規(guī)定各監(jiān)測(cè)終端朝向所內(nèi)為正方向，因此當(dāng)上行主線T線故障時(shí)，監(jiān)測(cè)終端展現(xiàn)出來(lái)的電流方向是不同的，由于多分支支線上T線上無(wú)法安裝監(jiān)測(cè)裝置，因此只能用其他方法進(jìn)行故障判定，在支線F線上安裝監(jiān)測(cè)終端可實(shí)現(xiàn)線路故障精確定位。當(dāng)故障位于上行支線F線上時(shí)，只需通過(guò)上行F線上的兩終端故障電流方向相反即可進(jìn)行判定；當(dāng)故障位于上行支線T線上時(shí)，此時(shí)上行T線支線由于沒(méi)有條件安裝監(jiān)測(cè)終端，無(wú)法直接判定，通過(guò)主線上行所有T線監(jiān)測(cè)故障電流為相同正方向即可判定位于上行T線，由于行波具有耦合作用可通過(guò)F線行波進(jìn)行耦合判定故障是否位于主線或者支線，從而實(shí)現(xiàn)線路的故障精確定位。

4 故障案例

此多分支線路于2020年3月安裝完畢，于2020年9月，線路電流增量保護(hù)跳閘，牽引所Ⅰ段保護(hù)，重合閘失敗，故障測(cè)距距離牽引變電所13.468km，故障位于主線上，故障公里標(biāo)為Kxx＋xxx。線路發(fā)生跳閘后，行波監(jiān)測(cè)裝置啟動(dòng)，如圖4所示，為線路上行主線T線三個(gè)所內(nèi)故障時(shí)工頻電流方向。

圖4 上行主線T線工頻故障電流

由圖4對(duì)于表可知，本次故障位于上行供電臂，本次故障為T(mén)線故障，利用支線上行F線兩監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行故障判定，為故障距離分支末端F線2.385km，通過(guò)主線第一段AT和第二段AT進(jìn)行故障判定，故障定位于支線T接點(diǎn)附近，因此判定故障位于分支T線，圖5為行波判定過(guò)程。

圖5 上行主線T線行波電流

由圖5可知，通過(guò)第一段AT和第二段AT進(jìn)行計(jì)算，將t1和t2帶入式（1）、（2）、（3）進(jìn)行故障計(jì)算，可得出故障點(diǎn)位于主線T接點(diǎn)處，由此可判斷故障為支線故障，依據(jù)行波的耦合效應(yīng)，如圖6所示為支線F線兩終端行波電流圖，通過(guò)圖6可計(jì)算時(shí)間差Δt＝8.2ms，可知故障點(diǎn)距離分支末端T線2.385km。

圖6 支線F線行波電流

上海局某段某車(chē)間在收到故障測(cè)距信息后，迅速趕往現(xiàn)場(chǎng)，由于阻抗法故障測(cè)距與行波法故障測(cè)距方向不同，最后人分兩波分別對(duì)此供電臂進(jìn)行巡視，在主線阻抗法測(cè)距點(diǎn)前后1km進(jìn)行故障排查，在支線行波法故障測(cè)距處進(jìn)行排查，于支線T線處發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，故障距離支線分區(qū)所末端2.488km發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)，本次故障為高阻接地故障?，F(xiàn)場(chǎng)運(yùn)維人員快速排除故障，減少了高鐵被迫停運(yùn)時(shí)間。

5 結(jié)束語(yǔ)

1）傳統(tǒng)的阻抗法對(duì)于全并聯(lián)AT多分支線路故障測(cè)距精度較低，線路阻抗不均勻可能導(dǎo)致測(cè)距區(qū)間錯(cuò)誤。

2）合理配置傳感器安裝位置，可通過(guò)故障時(shí)，傳感器采集到的電流方向進(jìn)行故障區(qū)間判定。

3）由于行波法測(cè)距不受系統(tǒng)的接地過(guò)渡阻抗影響，因此，相比通過(guò)故障時(shí)電壓、電流量計(jì)算出來(lái)的阻抗量，行波法測(cè)距更為準(zhǔn)確，精度更高。

4）行波法測(cè)距具有較高的及時(shí)性和精確性，對(duì)重合閘失敗線路巡線具有極高指導(dǎo)意義和價(jià)值，可快速恢復(fù)高鐵線路的供電，減小國(guó)民經(jīng)濟(jì)損失，從而實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。