石晶晶

0 引言

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展，全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)得到廣泛應(yīng)用。全并聯(lián)AT供電方式下牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障跳閘頻發(fā)，且因線路的非線性特性，傳統(tǒng)電抗法故障測(cè)距已無(wú)法適用于AT供電系統(tǒng)。根據(jù)原中國(guó)鐵路總公司《電氣化鐵路AT供電方式故障測(cè)距裝置》文件要求[1]，AT供電方式專用故障測(cè)距裝置應(yīng)具備吸上電流比法、上下行電流比法、橫聯(lián)電流比法等故障測(cè)距方法[2～4]，目前部分綜合自動(dòng)化設(shè)備廠商相關(guān)產(chǎn)品仍未完全具備以上測(cè)距方法，且無(wú)法對(duì)新增測(cè)距方法的定值進(jìn)行整定及校驗(yàn)。為了驗(yàn)證故障測(cè)距裝置測(cè)距精度，新線 開通前，各運(yùn)營(yíng)單位會(huì)組織進(jìn)行一次接觸網(wǎng)短路試驗(yàn)，通過(guò)短路電流參數(shù)調(diào)整故障測(cè)距定值。由于短路試驗(yàn)的復(fù)雜性、破壞性和危險(xiǎn)性都很高，新線短路試驗(yàn)基本只在一個(gè)供電臂內(nèi)進(jìn)行，通過(guò)短路試驗(yàn)結(jié)果整定全線各所亭的故障測(cè)距定值，這樣可能導(dǎo)致非短路試驗(yàn)供電臂的故測(cè)精度產(chǎn)生較大誤差。

針對(duì)上述問(wèn)題提出一種提高AT供電系統(tǒng)故障測(cè)距精度的方法，在不增加短路試驗(yàn)次數(shù)和擴(kuò)大試驗(yàn)范圍的情況下，通過(guò)登乘運(yùn)行列車（單個(gè)供電臂上、下行只有一列運(yùn)行列車時(shí)）收集登乘視頻，定位列車位置，通過(guò)故障測(cè)距裝置同步采集牽引所、分區(qū)所、AT所相應(yīng)電流數(shù)據(jù)，將同一時(shí)刻的電流、列車位置數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析、校準(zhǔn)，對(duì)測(cè)距誤差較大的區(qū)段進(jìn)行定值調(diào)整。

1 常用故障測(cè)距方法

1.1 電抗測(cè)距法

電抗測(cè)距法原理如式（1）所示。

式中：ZL為饋線總阻抗；Zg為短路阻抗；Z1、Z2、Z3為線路各單元阻抗。

對(duì)于全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)，電抗測(cè)距法適用于故障重合失敗后直供方式運(yùn)行時(shí)的T-R、F-R和T-F故障測(cè)距。

1.2 吸上電流比法

吸上電流比法測(cè)距計(jì)算式為

式中：l為故障距離；Ln-1為故障點(diǎn)前一個(gè)AT所上網(wǎng)點(diǎn)距離，當(dāng)故障發(fā)生在第一AT段時(shí)，該值為0；Dn為供電臂第n個(gè)AT段的區(qū)間長(zhǎng)度；Q1、Q2為吸上電流比修正系數(shù)；qAT為故障區(qū)間吸上電流比，qAT=IATn/ (IAT(n-1)+IATn)，IATn為第n個(gè)所亭吸上電流。

吸上電流比測(cè)距法適用于全并聯(lián)AT供電方式系統(tǒng)T-R和F-R故障，不適于T-F故障。

1.3 上下行電流比法

上下行電流比法測(cè)距計(jì)算式為

式中：ITF1、ITF2分別為上下行T相、F相合成電流。

上下行電流比測(cè)距法適用于全并聯(lián)AT供電方式下T-R、F-R、T-F故障。

1.4 橫聯(lián)電流比法

橫聯(lián)電流比法測(cè)距計(jì)算式為

式中：IHLn為第n個(gè)所亭的橫聯(lián)電流，IHL0為變電所橫聯(lián)線電流；qHL為故障區(qū)段的橫聯(lián)電流比。

橫聯(lián)電流比測(cè)距法適用于全并聯(lián)AT供電方式下T-R、F-R、T-F故障。

2 故障測(cè)距精度優(yōu)化方法

由前文可知，吸上電流比法、上下行電流比法和橫聯(lián)電流比法故障測(cè)距不受接地阻抗的影響，可以通過(guò)同一供電臂上下行單列運(yùn)行列車負(fù)荷模擬T-R單點(diǎn)接地故障。作業(yè)人員登乘單趟運(yùn)行列車，通過(guò)登乘視頻確認(rèn)列車取流點(diǎn)的位置，同時(shí)牽引變電所人員召測(cè)專用故障測(cè)距數(shù)據(jù)，利用多組召測(cè)數(shù)據(jù)反算吸上電流比、上下行電流比、橫聯(lián)電流比測(cè)距定值，并將新定值數(shù)據(jù)導(dǎo)入專用故障測(cè)距裝置中，以達(dá)到優(yōu)化故障測(cè)距精度的效果。

列車位置和各相關(guān)電流數(shù)據(jù)的精度和同步性是故障測(cè)距精度優(yōu)化的關(guān)鍵。電流數(shù)據(jù)精度由列車電流的大小、電流互感器及故障測(cè)距裝置精度共同決定，對(duì)于既有線路，電流互感器及故障測(cè)距裝置均已固定，因此在進(jìn)行測(cè)距精度優(yōu)化選取登乘列車時(shí)，優(yōu)先選取負(fù)荷較大的列車，以提高電流數(shù)據(jù)的精度。保障數(shù)據(jù)的同步性是故障測(cè)距的關(guān)鍵，本節(jié)將從數(shù)據(jù)采集、視頻數(shù)據(jù)分析、故障測(cè)距數(shù)據(jù)分析及整定3個(gè)方面詳細(xì)闡述。

2.1 數(shù)據(jù)采集

為模擬單一接地故障，故障測(cè)距數(shù)據(jù)采集時(shí)，要求同一供電臂上、下行只有一列列車運(yùn)行。數(shù)據(jù)采集前，根據(jù)列車到站時(shí)刻表篩選登乘列車。為保證登乘與故障測(cè)距裝置的同步性，登乘視頻采集使用帶GPS校時(shí)功能的行車記錄儀。

作業(yè)人員登乘經(jīng)篩選確定的運(yùn)行列車時(shí)，記錄列車參數(shù)：前后弓位置、前弓距列車車頭的距離，同時(shí)與牽引變電所數(shù)據(jù)召測(cè)人員聯(lián)系，根據(jù)桿號(hào)召測(cè)表在列車車頭到達(dá)目標(biāo)桿號(hào)時(shí)下達(dá)召測(cè)命令，數(shù)據(jù)召測(cè)人員在所內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)召測(cè)。為保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，在一個(gè)供電臂內(nèi)每隔2 km進(jìn)行一次召測(cè)。

2.2 視頻數(shù)據(jù)分析

故障測(cè)距裝置召測(cè)報(bào)文時(shí)間精確到毫秒，而行車記錄儀一般只精確到秒，為保證故障測(cè)距召測(cè)數(shù)據(jù)與運(yùn)行列車位置精確同步，通過(guò)逐幀對(duì)比登乘視頻，計(jì)算出故障數(shù)據(jù)召測(cè)時(shí)運(yùn)行列車車頭的位置。確定數(shù)據(jù)召測(cè)時(shí)車頭位置后，存在車頭在兩桿號(hào)之間的情況，可根據(jù)當(dāng)前位置距下一支柱幀數(shù)以及本次兩支柱之間的總幀數(shù)、跨距及支柱公里標(biāo)，推算車頭位置的公里標(biāo)。

根據(jù)車頭距受電弓距離、變電所上網(wǎng)點(diǎn)公里標(biāo)及供電線長(zhǎng)度，計(jì)算取流點(diǎn)距變電所距離。如果登乘列車為雙弓取流，如圖1所示，雙弓運(yùn)行列車駛向變電所時(shí)按照前弓距變電所的距離計(jì)算測(cè)距定值，駛離變電所時(shí)按照后弓距變電所的距離計(jì)算測(cè)距定值，同時(shí)在計(jì)算測(cè)距定值時(shí)有效AT段長(zhǎng)度需減去雙弓距離L弓。

圖1 雙弓取流模型

2.3 故障測(cè)距數(shù)據(jù)分析及整定

2.3.1 數(shù)據(jù)有效性校驗(yàn)

由故障測(cè)距相關(guān)計(jì)算式可知，采用吸上電流比法計(jì)算故障距離時(shí)使用的是標(biāo)量計(jì)算，電流互感器極性錯(cuò)誤不影響測(cè)距。橫聯(lián)電流比及上下行電流比為矢量運(yùn)算，電流互感器極性錯(cuò)誤將導(dǎo)致測(cè)距結(jié)果嚴(yán)重偏差，因此每個(gè)供電臂均需根據(jù)基爾霍夫電流定律對(duì)測(cè)距數(shù)據(jù)進(jìn)行核算，確保電流極性正確。

本文采取登乘運(yùn)行列車的方式進(jìn)行列車位置數(shù)據(jù)的采集，前期通過(guò)列車時(shí)刻表粗略篩選上行或下行供電臂單一負(fù)荷的運(yùn)行列車，存在上下行兩列車交匯的情況。供電臂單一運(yùn)行列車電流分布如圖2所示[5]。當(dāng)單一列車在下行運(yùn)行時(shí)，根據(jù)節(jié)點(diǎn)電流法，上行節(jié)點(diǎn)電流應(yīng)滿足式（5），即上行變電所、AT所、分區(qū)所T線電流平衡；單一列車在上行運(yùn)行時(shí)，下行變電所、AT所、分區(qū)所T線電流也滿足平衡，通過(guò)該方法可以篩選出供電臂上、下行只有一列列車運(yùn)行的數(shù)據(jù)。

圖2 單一運(yùn)行列車電流分布

2.3.2 第一AT段定值反算

當(dāng)?shù)浅穗p弓取流運(yùn)行列車時(shí)需考慮雙弓取流對(duì)有效AT段長(zhǎng)度的影響，上下行電流比、橫聯(lián)電流比反算第一AT段長(zhǎng)度D1分別如式（6）、式（7）所示。

每2 km進(jìn)行一次故障測(cè)距數(shù)據(jù)召測(cè)，一個(gè)供電臂內(nèi)約有12組召測(cè)數(shù)據(jù)，第一AT段有6組，每組召測(cè)數(shù)據(jù)反算出一個(gè)AT段長(zhǎng)度。因AT段長(zhǎng)度的改變?cè)诠╇姳鄄煌恢脤?duì)測(cè)距結(jié)果的影響不同，即AT段長(zhǎng)度改變對(duì)AT段的首端測(cè)距影響不大，對(duì)AT段的末端測(cè)距有較大影響。本文采用加權(quán)平均值來(lái)計(jì)算第一AT段的平均長(zhǎng)度，即

式中：ln為第一AT段第n個(gè)故障測(cè)距點(diǎn)距變電所距離；D為第一AT段長(zhǎng)度；D1n為第一AT段第n個(gè)故障測(cè)距點(diǎn)反算出的第一AT段長(zhǎng)度。

根據(jù)計(jì)算得到第一AT段長(zhǎng)度的加權(quán)平均值，并將第一AT段的故障測(cè)距數(shù)據(jù)兩兩組合，進(jìn)行Q值反算，如式（9）、式（10）所示。

則可得

式中：Q變?yōu)樽冸娝鵔值，QAT1為AT所在第一AT段的Q值，D1′=D1-L弓。

將兩組數(shù)據(jù)代入式（11）可得

則可推導(dǎo)出

將Q變代入式（10）中，可計(jì)算出QAT1的數(shù)值。其中：qAT1、qAT2分別為第一、二組數(shù)據(jù)的吸上電流比；l1、l2分別為第一、二組數(shù)據(jù)的故障距離。

2.3.3 第二AT段定值反算

當(dāng)?shù)谝籄T段故障時(shí)，理論上第一AT段長(zhǎng)度D1包括變電所供電線長(zhǎng)度、第一AT段供電臂長(zhǎng)度、AT所靠近變電所供電線長(zhǎng)度，然而當(dāng)?shù)诙嗀T段接觸網(wǎng)線路故障時(shí)，第一AT段長(zhǎng)度為變電所供電線長(zhǎng)度與第一AT段供電臂長(zhǎng)度之和，第二AT段的長(zhǎng)度D2為AT所靠近分區(qū)所供電線長(zhǎng)度、第二AT段供電臂長(zhǎng)度及分區(qū)所供電線長(zhǎng)度。為保證公里標(biāo)上的銜接，計(jì)算第二AT段故障距離時(shí)，在第一AT段長(zhǎng)度不變的情況下，測(cè)距距離需減去AT所供電線總長(zhǎng)。則第二AT段的橫聯(lián)及上下行電流比測(cè)距距離為

式中：LAT為AT所供電線總長(zhǎng)。

使用第二AT段兩組召測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行第二AT段長(zhǎng)度及AT所供電線總長(zhǎng)計(jì)算，其中K1、K2分別為第一、二組數(shù)據(jù)的上下行電流比或橫聯(lián)電流比：

將第二AT段長(zhǎng)度代入式中可計(jì)算AT所供電線長(zhǎng)度。同理，將第二AT段的多組計(jì)算定值進(jìn)行加權(quán)平均處理，對(duì)AT所供電線長(zhǎng)度進(jìn)行平均值處理。根據(jù)計(jì)算得到第二AT段長(zhǎng)度的加權(quán)平均值，并將第二AT段的故障測(cè)距數(shù)據(jù)兩兩組合，進(jìn)行Q值反算，其中QAT2為AT所在第二AT段的Q值，Q分區(qū)所為分區(qū)所的Q值：

3 數(shù)據(jù)驗(yàn)證

采集某客運(yùn)專線供電臂故障測(cè)距數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析反算測(cè)距定值，并將定值代入故障召測(cè)數(shù)據(jù)及歷年跳閘數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，確保測(cè)距定值的有效性。該客運(yùn)專線某牽引所某方向供電臂吸上電流比法故障測(cè)距精度對(duì)比如圖3所示，主要調(diào)整第一AT段長(zhǎng)度、第二AT段長(zhǎng)度、Q變、QAT1、QAT2、Q分區(qū)所6個(gè)定值。

圖3 吸上電流比法測(cè)距誤差對(duì)比（單位：m）

該牽引所某方向供電臂上下行電流比法故障測(cè)距精度對(duì)比如圖4所示，主要調(diào)整第一AT段長(zhǎng)度、第二AT段長(zhǎng)度、供電線長(zhǎng)度3個(gè)定值。

圖4 上下行電流比法測(cè)距誤差對(duì)比（單位：m）

該牽引所某方向供電臂橫聯(lián)電流比法故障測(cè)距精度對(duì)比如圖5所示，主要調(diào)整第一AT段長(zhǎng)度、第二AT段長(zhǎng)度、供電線長(zhǎng)度3個(gè)定值。

圖5 橫聯(lián)電流比法測(cè)距誤差對(duì)比（單位：m）

由圖3～圖5可以看出：3種AT供電系統(tǒng)故障測(cè)距方法在導(dǎo)入新的優(yōu)化定值后測(cè)距精度顯著提高，其中故障點(diǎn)在第二AT段時(shí)，3種測(cè)距方法精度提高效果均較好；故障點(diǎn)在第一AT段時(shí)，吸上電流比測(cè)距法存在誤差變大的情況，而另外2種測(cè)距方法則效果依舊明顯。

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種在不增加短路試驗(yàn)次數(shù)和擴(kuò)大試驗(yàn)范圍的情況下，通過(guò)運(yùn)行列車登乘視頻定位列車位置，故障測(cè)距裝置同步采集牽引所、分區(qū)所、AT所相應(yīng)電流數(shù)據(jù)，將同一時(shí)刻的電流、列車位置數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、分析，反算吸上電流比、上下行電流比、橫聯(lián)電流比測(cè)距定值的方法，并使用新定值重算故障召測(cè)數(shù)據(jù)及歷年跳閘數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了方法的有效性和可行性，且該方法投資少、易實(shí)施，能有效減小測(cè)距誤差，縮短故障處置時(shí)間，可廣泛應(yīng)用于全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)測(cè)距精度優(yōu)化。