提高合寧客運(yùn)專線故障測(cè)距精度的研究與改進(jìn)措施

張國(guó)棟 上海鐵路局合肥供電段

電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)的能量傳輸是通過(guò)機(jī)車的受電弓和接觸網(wǎng)的滑動(dòng)接觸來(lái)實(shí)現(xiàn)的，由于接觸網(wǎng)的特殊性：主要表現(xiàn)在露天設(shè)置，對(duì)氣候變化敏感、無(wú)備用性、機(jī)電復(fù)合性、負(fù)荷的不確定性和移動(dòng)性，不可避免的會(huì)發(fā)生故障。而接觸網(wǎng)作為牽引供電系統(tǒng)重要環(huán)節(jié)，擔(dān)負(fù)著把從牽引變電所獲得的電能直接輸送給電力機(jī)車使用的重要任務(wù)。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。電氣化鐵道牽引網(wǎng)故障的精確定位一直是影響電氣化鐵道安全及其可靠供電的重要因素，也是影響電氣化鐵道實(shí)際運(yùn)能的因素之一。先進(jìn)的牽引網(wǎng)故障測(cè)距裝置不僅能迅速找到故障點(diǎn)，而且還可以預(yù)測(cè)隱患故障，保證牽引網(wǎng)正常供電，是從技術(shù)上保證鐵路安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要措施之一，具有重大的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

1 合寧線牽引供電方式

合寧正線采用AT供電方式，接觸網(wǎng)上下行末端并聯(lián)運(yùn)行。AT供電方式如圖1所示，牽引變電所主變輸出電壓為55 kV，經(jīng) AT（自耦變壓器，變比 2：1）向接觸網(wǎng)供電，一端接接觸網(wǎng)，另一端接正饋線，中點(diǎn)接鋼軌。接觸網(wǎng)與正饋線對(duì)地電壓分別為27.5 kV，且電位等值相反，在AF線下方還架有一條保護(hù)（PW）線，當(dāng)接觸網(wǎng)絕緣破壞時(shí)起到保護(hù)跳閘作用，同時(shí)亦兼有防干擾及防雷效果。AT供電方式牽引網(wǎng)單位阻抗約為BT供電方法牽引網(wǎng)單位阻抗的1/4左右，大大減小了牽引網(wǎng)的電壓?jiǎn)适Ш碗娔軉适?，?duì)通訊線路的綜合防護(hù)效果要更好些。AT供電方式是目前高速鐵路主流的供電方式，發(fā)展應(yīng)用前景廣闊。

圖1 AT供電方式

2 目前故障測(cè)距方式存在問(wèn)題

目前合寧線故障測(cè)距方式采取分段線性電抗逼近法，其基本原理是根據(jù)不同故障類型條件下計(jì)算的故障回路電抗與測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離成正比，通過(guò)計(jì)算故障時(shí)測(cè)量點(diǎn)的電抗值除以線路的單位電抗值得到測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)的距離。分段線性電抗逼近法主要針對(duì)短路電抗為線性分段的供電線路，如DN（直供+回流)供電方式線路。

電抗逼近法設(shè)置簡(jiǎn)單，不過(guò)受過(guò)渡電阻的影響，存在準(zhǔn)確度問(wèn)題，且穩(wěn)定性較差，誤差大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前合寧線測(cè)距誤差最大為10.43 km、最小為2.32 km。主要原因?yàn)椋海?）電力機(jī)車的投切產(chǎn)生大量諧波和非周期性分量，難以準(zhǔn)確獲得故障量的電壓、電流信號(hào)；（2）機(jī)車受電弓對(duì)接觸網(wǎng)的磨耗及相鄰線路的負(fù)荷狀態(tài)的不確定性等因素造成線路單位阻抗及其它特性的差異；（3）在含有串聯(lián)補(bǔ)償裝置的牽引網(wǎng)中，發(fā)生故障要先切斷補(bǔ)償裝置，較麻煩。

由于分段線性電抗逼近法存在種種問(wèn)題，與現(xiàn)行合寧線AT供電方式不匹配，故障測(cè)距誤差大且不穩(wěn)定，因此有必要對(duì)合寧線故障測(cè)距方式作出改變。

3 AT牽引供電故障測(cè)距技術(shù)方案

針對(duì)AT牽引供電系統(tǒng)，目前應(yīng)用較為成熟的故障測(cè)距原理主要包括"吸上電流比"測(cè)距原理，"上下行電流比"測(cè)距原理，AT解列為直供線路的"分段線性電抗"測(cè)距原理，針對(duì)特殊單線單AT段還有"吸饋電流比"測(cè)距原理。每種原理適應(yīng)供電方式、故障類型、通信通道需求等都存在差異，需要針對(duì)具體線路特點(diǎn)和實(shí)際工程情況進(jìn)行合理原理選擇和裝置配置。實(shí)際工程應(yīng)用中AT牽引供電故障測(cè)距系統(tǒng)要滿足以下條件的應(yīng)用：

(1)供電臂提供有故標(biāo)專用通道。

(2)供電臂無(wú)故標(biāo)專用通道，只有遠(yuǎn)動(dòng)通道。

(3)系統(tǒng)具備AT自動(dòng)解列功能。

4 其它故障測(cè)距原理選擇

由于合寧線采用接觸網(wǎng)末端并聯(lián)AT供電方式，短路電流的分布與常規(guī)AT方式有所不同，故"上、下行電流比"原理不適用。而"吸饋電流比"原理只適用"V型天窗"運(yùn)行方式，單線單AT段的T-R，F(xiàn)-R故障測(cè)距，也不適用合寧線故障測(cè)距方式。此兩種測(cè)距原理在此不做討論。

目前客運(yùn)專線實(shí)際應(yīng)用中一般采用AT中性點(diǎn)吸上電流比原理。該原理適用范圍廣，適合單線、復(fù)線、全并聯(lián)供電模式下的T-R、F-R、F-PW等故障條件下的故障測(cè)距，完全符合合寧線供電方式下的故障測(cè)距要求。

5 吸上電流比測(cè)距法

5.1 測(cè)距原理

"AT中性點(diǎn)吸上電流比原理"如下，牽引網(wǎng)故障時(shí)，如圖2所示：

圖2 吸上電流比故障測(cè)距顯示圖

注：圖2表示故障點(diǎn)發(fā)生在第n個(gè)AT和第n+1個(gè)AT之間。

測(cè)距公式：

式中

L：故障點(diǎn)距變電所的距離。

Ln：變電所距第n個(gè)AT的距離，需要人為整定。

Dn：第 n個(gè) AT 與第 n＋1個(gè) AT 之間的距

離，需要人為整定。

In，In+1：分別為第n個(gè)AT與第n+1個(gè)AT中性點(diǎn)的吸上電流和，實(shí)際采集量。

Qn，Qn+1：與 AT 之間的距離、鋼軌漏導(dǎo)、AT漏抗、饋線長(zhǎng)短、鋼軌聯(lián)接導(dǎo)電情況等因素有關(guān)的系數(shù)，需要人為整定。

Kn，Kn+1：電流分布系數(shù)，范圍根據(jù)站場(chǎng)情況可調(diào)整。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間線路K=1.0。

5.2 測(cè)距過(guò)程

當(dāng)AT牽引網(wǎng)發(fā)生故障后，變電所饋線保護(hù)啟動(dòng)的同時(shí)，通過(guò)通信通道下發(fā)一個(gè)數(shù)據(jù)采集命令，在故障電流切斷前，同步采集每個(gè)AT中性點(diǎn)吸上電流，將每個(gè)AT中性點(diǎn)吸上電流通過(guò)通信通道傳送到牽引變電所，比較各個(gè)AT中性點(diǎn)電流的大小，最大的兩個(gè)電流所在的AT段即為故障點(diǎn)所在區(qū)段，再按測(cè)距公式進(jìn)行故障點(diǎn)定位。

實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距具體流程如下：

(1)若供電臂內(nèi)發(fā)生故障，沿線電壓降低，通過(guò)低電壓元件啟動(dòng)各個(gè)AT站得數(shù)據(jù)單元進(jìn)行AT中性點(diǎn)電流采集，一直持續(xù)到電流截?cái)酁橹梗娏鹘財(cái)嘤勺冸娝伨€保護(hù)跳閘完成）。

(2)各AT站處的數(shù)據(jù)采集單元以電流截?cái)嗲耙粋€(gè)周波的采集數(shù)據(jù)計(jì)算出電流幅值，既消除衰減的直流分量，又保證同步。

(3)將各個(gè)AT站的電流幅值通過(guò)遠(yuǎn)動(dòng)通道傳送至調(diào)度端，由調(diào)度端選擇兩個(gè)電流最大的相鄰AT中性點(diǎn)吸上電流進(jìn)行故障點(diǎn)計(jì)算。

5.3 存在不足

(1)發(fā)生T-F短路故障時(shí)，故障點(diǎn)兩側(cè)AT吸上電流都很小，而且近似0，故AT吸上電流比原理不適用T-F短路的故障測(cè)距。

(2)運(yùn)用AT變壓器進(jìn)行故障測(cè)距的裝置，在進(jìn)行整定計(jì)算時(shí)，牽引網(wǎng)阻抗采用的是運(yùn)用單位阻抗乘以牽引網(wǎng)長(zhǎng)度的計(jì)算方法，由于站場(chǎng)多股道，還有大橋、AT漏抗和鋼軌對(duì)地泄露等影響，會(huì)影響測(cè)距精度，尤其是靠近AT站故障測(cè)距誤差較大。

5.4 改進(jìn)措施

(1)當(dāng)發(fā)生T-F短路故障時(shí)，故障點(diǎn)兩側(cè)中性點(diǎn)電流一般都比較小，當(dāng)確定系統(tǒng)發(fā)生了短路故障而所有的AT吸上電流都比較小時(shí)，即可以確定為發(fā)生了T-F短路故障。也可采用阻抗逼近法作為備用測(cè)距方式進(jìn)行T-F短路故障測(cè)距。

(2)對(duì)AT漏抗和鋼軌對(duì)地泄露等影響因素，施工改造時(shí)應(yīng)盡量采用泄露電抗比較小的自耦變壓器。也可采用公式進(jìn)行故障測(cè)距結(jié)果的修正，從而達(dá)到滿意的結(jié)果，修正公式如下：

L=K1C1+T

其中L為修正后的測(cè)距結(jié)果，C1為原始故障測(cè)距結(jié)果，K1、T為與各AT故障區(qū)段牽引網(wǎng)阻抗參數(shù)、AT漏抗、鋼軌泄露等有關(guān)參數(shù)。

5.5 提高故障測(cè)距精度流程

運(yùn)用AT中性點(diǎn)吸上電流比法進(jìn)行提高故障測(cè)距精度的流程圖如圖3所示。

圖3吸上電流比法故障測(cè)距精度提高流程圖

5.6 可行性研究

(1)目前合武線設(shè)計(jì)采用AT中性點(diǎn)吸上比電流法，經(jīng)過(guò)三年多實(shí)踐，此測(cè)距方法證實(shí)精度較為準(zhǔn)確可靠，故標(biāo)誤差基本在0.4 km之內(nèi)，滿足搶修要求。

(2)為實(shí)現(xiàn)每個(gè)AT中性點(diǎn)吸上電流比的同步采集，需要通信通道，合寧線可采用既有鐵通信號(hào)信息通道進(jìn)行改造。

(3)也利用AT站電壓互感器測(cè)的電壓，分別在各AT站構(gòu)造一個(gè)低電壓原件來(lái)啟動(dòng)AT中性點(diǎn)電流采集，各AT中性點(diǎn)電流按故障電流截?cái)嗲耙粋€(gè)周波來(lái)進(jìn)行計(jì)算，就可達(dá)到同步，不必架設(shè)專用通道，節(jié)省了投資，也避免了因通道故障而使整個(gè)供電臂或局部區(qū)段不能進(jìn)行測(cè)距。

6結(jié)論

通過(guò)上述分析，考慮到易用性、系統(tǒng)性和成熟性等因素，本文選擇"AT中性點(diǎn)吸上電流比"測(cè)距原理作為提高合寧線故障測(cè)距的改進(jìn)措施。合寧線故障測(cè)距系統(tǒng)的改造，對(duì)提高故障測(cè)距精度，實(shí)現(xiàn)故障的精確定位，保證故障搶修準(zhǔn)確、迅速，保障合寧線供電設(shè)備安全穩(wěn)定有著重要意義。