牽引網(wǎng)故障測(cè)距

林依姜

牽引網(wǎng)故障測(cè)距

林依姜

向莆鐵路股份有限公司

牽引供電系統(tǒng)是電氣化鐵路的基礎(chǔ)，但牽引供電系統(tǒng)由于受各種因素的影響，容易出現(xiàn)故障導(dǎo)致斷電，所以牽引網(wǎng)的故障測(cè)距，有助于及時(shí)修復(fù)故障線路, 減輕維護(hù)人員體力勞動(dòng), 對(duì)鐵路安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)營具有十分重要的意義。該文介紹分析牽引網(wǎng)故障測(cè)距中的主要方法及特點(diǎn)，為牽引網(wǎng)供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行和維護(hù)提供幫助。

故障測(cè)距 牽引網(wǎng) 行波分析法 阻抗分析法

0 引言

鐵路供電系統(tǒng)是鐵路運(yùn)輸安全可靠運(yùn)行的保障，一旦供電系統(tǒng)發(fā)生故障，就可能造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)中一個(gè)特殊的分支，由于牽引網(wǎng)與電力機(jī)車受電系統(tǒng)特殊的滑動(dòng)受電與取流方式限制，決定了牽引網(wǎng)既要承擔(dān)一般輸電線沿鐵道傳輸電能的任務(wù)，又要承擔(dān)移動(dòng)的機(jī)車用戶頻繁操作而產(chǎn)生的強(qiáng)大的電與機(jī)車受電弓滑動(dòng)機(jī)械的沖擊，因此將不可避免地形成頻繁的牽引網(wǎng)故障，嚴(yán)重影響電氣化鐵道的運(yùn)行。對(duì)高速電氣化鐵道，牽引網(wǎng)故障的精確定位，對(duì)縮短搶修時(shí)間，提高運(yùn)輸效率將具有直接的影響。

本文主要介紹目前常用故障測(cè)距中的兩種主要方法，即阻抗分析法和行波分析法，兩者分別利用故障的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)信息進(jìn)行故障定位，各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，相互之間互補(bǔ)關(guān)系。

1 阻抗分析法

阻抗分析法是指在系統(tǒng)運(yùn)行方式確定和線路參數(shù)已知的條件下，根據(jù)故障時(shí)測(cè)距裝置安裝處測(cè)量到的電壓、電流參數(shù)計(jì)算出故障回路的阻抗，然后根據(jù)線路長度與阻抗成一定正比例的原理，求出裝置安裝處與故障點(diǎn)的距離?？捎孟率奖硎荆?/p>

1.1 阻抗法的優(yōu)缺點(diǎn)

阻抗法是目前測(cè)距裝置應(yīng)用最廣泛的方法，它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)距簡單可靠, 技術(shù)上比較成熟, 有豐富的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn); 不受故障發(fā)生時(shí)刻、系統(tǒng)阻抗的影響, 無測(cè)距死區(qū); 由于利用工頻穩(wěn)態(tài)相量測(cè)距, 因此對(duì)電壓、電流傳感器和信號(hào)采集系統(tǒng)的要求較低; 基于該算法的裝置結(jié)構(gòu)簡單, 易于實(shí)現(xiàn), 并且成本較低; 抗干擾能力強(qiáng), 故障發(fā)生時(shí)可以可靠啟動(dòng)。但是在其應(yīng)用過程中還存在一定的問題，比如，過渡電阻的影響，線路單位阻抗的整定，基波信號(hào)的提取與分析，由于采用集中參數(shù), 忽略了分布電容的影響, 必將導(dǎo)致原理性的誤差，因此這些問題導(dǎo)致阻抗法的應(yīng)用有明顯的局限性。

1.2 阻抗法的分析

可以運(yùn)用電抗法消除過渡電阻的影響，即取式（1）中的虛部：

從上式不難看出，電抗法沒有用到電阻參數(shù)，所以也不受過渡電阻的影響，但這種方法準(zhǔn)確度還是不高，大概在1km左右，文獻(xiàn)[2]詳細(xì)提出了穩(wěn)定性不好的一些原因。另外文獻(xiàn)[6]也提出了采用帶串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置的方法是對(duì)電抗法的補(bǔ)充和改進(jìn)，也是阻抗法的改進(jìn)，參考牽引網(wǎng)串補(bǔ)電容，區(qū)間串補(bǔ)電容值和它們的投入情況作為整定值整定，進(jìn)而采用電抗分段距離法查表，即可準(zhǔn)確計(jì)算出故障點(diǎn)所在位置。

由于以上方法都各有其局限性，因此國內(nèi)外學(xué)者一直在尋求其他新的故障測(cè)距方法，如上下行電流比法、轉(zhuǎn)移阻抗測(cè)距法、單線雙差比測(cè)距法，吸饋電流比與電抗測(cè)距法等，但這幾種方法都是基于阻抗法的原理，而阻抗法受牽引網(wǎng)運(yùn)行方式、供電方式和線路結(jié)構(gòu)等因素的影響比較大，而行波法受各種因素的影響較小，行波的傳播速度比較穩(wěn)定，且準(zhǔn)確度較高，速度又快。隨著輸電線路行波傳輸理論研究的深入、計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展及數(shù)字濾波技術(shù)、小波變換理論、GPS 及光電互感器等的相繼引入，特別是行波法在電力系統(tǒng)輸電線中已有較為成功的應(yīng)用, 行波法在牽引網(wǎng)故障測(cè)距中的應(yīng)用已成為研究者關(guān)注的重要熱點(diǎn)。

2 行波分析法

行波法就是根據(jù)行波傳輸理論實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線故障測(cè)距的方法，即利用高頻故障暫態(tài)電流、電壓行波或在故障后用脈沖頻率調(diào)制雷達(dá)系統(tǒng)以及斷路器斷開或重合時(shí)產(chǎn)生的暫態(tài)信號(hào)等來間接判定故障點(diǎn)的位置。文獻(xiàn)[11]指出，現(xiàn)國內(nèi)外研究6種行波測(cè)距原理方法，而所有的這些測(cè)距原理都可以看成兩種，即單端行波測(cè)距和雙端行波測(cè)距，其中A、C、E、F型是基于單端測(cè)距原理，而B、D型是基于雙端測(cè)距原理。

2.1 單、雙端行波測(cè)距原理

圖1為某一長度為L的單相系統(tǒng)行波故障測(cè)距原理，M、N分別為測(cè)量兩端，內(nèi)部F為故障點(diǎn)，AC為電源。虛線為線路故障時(shí)行波傳輸線。

圖1 行波故障測(cè)距原理圖

2.2 行波法的優(yōu)缺點(diǎn)

行波法是根據(jù)行波傳輸理論實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線故障測(cè)距的方法。由于行波在線路中有比較穩(wěn)定的傳播速度, 且測(cè)量到的時(shí)間差不受線路類型、故障電阻及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)等影響, 行波信號(hào)可直接通過電壓互感器、電流互感器獲得, 其測(cè)距精度和穩(wěn)定性不受過渡電阻及上述牽引負(fù)荷特點(diǎn)造成的影響。這將有可能消除牽引網(wǎng)測(cè)距中的多種偶然誤差, 并且克服阻抗存在的原理型差，真正得到牽引網(wǎng)故障定位穩(wěn)定而精確的結(jié)論。但在現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用中也發(fā)現(xiàn)定位結(jié)果具有不可靠性，主要包括四個(gè)方面：第一，行波信號(hào)的不確定性并且存在測(cè)距死區(qū)；第二，故障點(diǎn)反射波的識(shí)別；第三，行波信號(hào)的提取與處理；第四，波速的不準(zhǔn)確性。

2.2.1故障點(diǎn)反射波的識(shí)別和提取

線路上存在著大量的干擾, 其特征與故障點(diǎn)的反射波極為相似。正常運(yùn)行情況下，較大的干擾主要來自斷路器和隔離開關(guān)的操作、直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的改變以及弓網(wǎng)狀態(tài)的變化, 任何上述變化都會(huì)產(chǎn)生劇烈的電壓、電流變化，從而產(chǎn)生陡峭的行波信號(hào)。故障后主要干擾是在行波沿牽引網(wǎng)傳播時(shí)，因波阻抗的變化而產(chǎn)生的排除干擾、正確識(shí)別故障點(diǎn)反射波是能否準(zhǔn)確可靠進(jìn)行故障測(cè)距的關(guān)鍵技術(shù)問題。文獻(xiàn)[11]采用極性對(duì)故障點(diǎn)反射波和對(duì)端母線反射波進(jìn)行識(shí)別，文獻(xiàn)[9]使用精密時(shí)間協(xié)議實(shí)現(xiàn)牽引網(wǎng)故障測(cè)距時(shí)間同步，也可以采用GPS。文獻(xiàn)[11]、[12]分別介紹利用小波分析識(shí)別和提取故障信號(hào)。

2.2.2波速的變化

3 阻抗法與行波法的結(jié)合

故障發(fā)生在行波法近端的測(cè)距死區(qū)時(shí), 過渡電阻較小，阻抗法的精度比較高; 故障發(fā)生在線路中間區(qū)段時(shí), 與阻抗法相比，行波法不受過渡電阻的影響, 均有較高的測(cè)距精度;當(dāng)故障發(fā)生在線路遠(yuǎn)端時(shí), 阻抗法誤差與近端故障相比明顯增大, 而行波法的測(cè)距結(jié)果完全不可信。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，遠(yuǎn)端故障時(shí)，行波法測(cè)得的實(shí)為對(duì)端母線到故障點(diǎn)的距離, 用線路總長度減去測(cè)得的距離進(jìn)行修正才是實(shí)際的故障距離, 修正后行波法的精度比較高。

顯然, 兩種算法分別利用故障穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)信息, 從不同的角度進(jìn)行測(cè)距, 其優(yōu)勢(shì)互補(bǔ), 適合將兩種算法的測(cè)距結(jié)果進(jìn)行綜合處理, 進(jìn)而提高故障測(cè)距的精度和魯棒性。文獻(xiàn)[8]、文獻(xiàn)[4]通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，阻抗法與行波法的結(jié)合使用比單一使用一種方法要準(zhǔn)確。

4 小結(jié)

由上述的分析可知, 阻抗法和行波法相組合的算法可以使行波法和阻抗法在優(yōu)缺點(diǎn)方面相互補(bǔ)充，同時(shí)利用二者的優(yōu)點(diǎn), 弱化二者的缺點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)先分別采用行波法和阻抗法進(jìn)行測(cè)距, 得到數(shù)據(jù)之后運(yùn)用組合算法的原理得出綜合結(jié)果。

[1] 楊靜.電氣化鐵道牽引網(wǎng)故障測(cè)距方法探析[J]. 硅谷, 2010(8): 31-32.

[2] 毛志芳,和敬涵,周文.電氣化鐵道牽引網(wǎng)故障測(cè)距中行波法的應(yīng)用[J].電氣時(shí)代, 2006(1): 70-71.

[3] 丁士長,宋國兵,劉林林,許慶強(qiáng).高壓輸電線路雙端故障測(cè)距新算法[J].江蘇電機(jī)工程, 2010,29(4): 16-19.

[4] 陳健鑫.基于信息融合技術(shù)的AT 牽引網(wǎng)故障測(cè)距方法的研究及其仿真分析[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制, 2008(19) :25-28.

[5] 程偉,徐國卿,牟龍華.基于分布參數(shù)模型的牽引網(wǎng)故障測(cè)距新算法[J].電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào), 2005(6):63-66.

[6] 林國松,陳小川.帶串聯(lián)電容補(bǔ)償裝置的電力牽引網(wǎng)故障測(cè)距研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備, 2005,25(3):51-53.

[7] 蔣功連.基于支持向量機(jī)的AT 供電牽引網(wǎng)故障測(cè)距研究[J].電氣化鐵道, 2009(2):22-24.

[8] 馬欣,程偉.基于阻抗法和行波法組合的復(fù)線牽引網(wǎng)故障測(cè)距研究[J].繼電器, 2006,34(20):47-52.

[9] 董雪源,高仕斌.精密時(shí)間協(xié)議實(shí)現(xiàn)牽引網(wǎng)故障測(cè)距時(shí)鐘同步[J].電氣化鐵道, 2006(5):13-16.

[10] 王斌,高仕斌.全并聯(lián)AT 供電牽引網(wǎng)故障測(cè)距方案的研究[J].電氣化鐵道, 2006(5):5-8.

[11] 蔡玉梅,何正友,王志兵,錢清泉.行波法在 10kV 鐵路自閉/貫通線故障測(cè)距中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù), 2005, 29(1):16-18.

[12] 周建輝,康勁松,徐國卿.基于復(fù)小波分析的牽引網(wǎng)故障測(cè)距算法[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2010, 38(12):1818-1821.

[13] 蔣濤,陸于平.不受波速影響的輸電線路單端行波故障測(cè)距研究[J].電力自動(dòng)化設(shè)備, 2004, 24(12):29-32.