行波法在電氣化鐵道牽引網(wǎng)故障測(cè)距中的應(yīng)用

韋 國(guó)

0 引言

電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)中具有一定獨(dú)立性和特殊性的供電系統(tǒng)。牽引網(wǎng)要承擔(dān)一般輸電線沿鐵道傳輸電能的任務(wù)及機(jī)車用戶頻繁操作而產(chǎn)生強(qiáng)大的電與機(jī)械的沖擊，因此常發(fā)生牽引網(wǎng)故障，故障頻繁且無備用，嚴(yán)重影響電氣化鐵道安全可靠運(yùn)行。牽引網(wǎng)故障的精確定位一直是影響電氣化鐵道安全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。特別是對(duì)于國(guó)內(nèi)正在興起的高速鐵路，牽引網(wǎng)故障的快速精確定位對(duì)縮短搶修時(shí)間、加快線路恢復(fù)，提高鐵路運(yùn)輸效率，減少因線路故障停電造成的經(jīng)濟(jì)損失將具有直接的影響。

目前，國(guó)內(nèi)的牽引網(wǎng)故障測(cè)距一般采用傳統(tǒng)的阻抗測(cè)距技術(shù)。受過渡電阻以及牽引網(wǎng)復(fù)雜線路結(jié)構(gòu)等因素的影響，要保證良好而穩(wěn)定的測(cè)距精度將是十分困難的[1]。近年來隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及小波分析等數(shù)學(xué)工具在故障信息分析和檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成熟，利用故障的高頻暫態(tài)信息中的行波進(jìn)行故障測(cè)距的方法在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，并且已經(jīng)有廠家推出了基于行波法和小波分析的測(cè)距產(chǎn)品。由于行波在線路中有比較穩(wěn)定的傳播速度，且測(cè)量到的故障行波到達(dá)時(shí)間差不受線路類型、故障電阻及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的影響。因而，可利用行波故障測(cè)距法實(shí)現(xiàn)牽引網(wǎng)的故障定位。

1 牽引供電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

國(guó)內(nèi)電氣化鐵道采用的是工頻單相 25 kV交流制[2]。牽引供電系統(tǒng)主要包括牽引變電所、牽引網(wǎng)和電力機(jī)車。如圖1所示，除了饋電線、接觸網(wǎng)、回流線以及軌道等一般結(jié)構(gòu)之外，牽引網(wǎng)還有其特殊的線路結(jié)構(gòu)，例如小型車站分段線、錨段等，這些特殊的線路結(jié)構(gòu)都會(huì)對(duì)行波的傳播產(chǎn)生一定的影響。牽引網(wǎng)的供電方式可分為直接供電、BT供電和AT供電方式。國(guó)內(nèi)電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)多采用直接供電加回流線的供電方式（DN方式）。

圖1 牽引供電系統(tǒng)供電示意圖

2 行波測(cè)距理論

電力系統(tǒng)的高壓傳輸線和電氣化鐵道中的牽引網(wǎng)的作用都是傳輸電能，實(shí)際的輸電線路一般可以看作是均勻分布參數(shù)電路，由于存在著分布電感和分布電容，當(dāng)線路上有故障發(fā)生時(shí)，故障點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生向線路兩端傳播的行波。如果在傳輸過程中輸電線的參數(shù)和波阻抗發(fā)生變化，那么行波就將發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。行波法就是利用波在故障點(diǎn)與母線以及其他波阻抗之間的傳播（發(fā)生反射和折射現(xiàn)象）來實(shí)現(xiàn)對(duì)故障點(diǎn)的快速精確測(cè)距。

早期的行波法測(cè)距裝置根據(jù)實(shí)現(xiàn)方法的不同可以分為3種類型[4]。

（1）A型裝置是利用線路故障時(shí)在測(cè)量端感受到的第 1個(gè)正向行波浪涌與其在故障點(diǎn)反射波之間的時(shí)延計(jì)算測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)之間的距離。如圖2 a所示，假定m端為測(cè)量端。當(dāng)線路mn內(nèi)部F點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，由故障點(diǎn)電壓突變而產(chǎn)生的暫態(tài)行波將以速度v（接近光速，具體取決于線路分布參數(shù)）從故障點(diǎn)向線路兩端傳播。

圖2 單端行波故障測(cè)距原理示意圖

設(shè)行波從母線到故障點(diǎn)的傳播方向?yàn)檎较?，則故障初始行波浪涌到達(dá)測(cè)量端時(shí)形成本端第 1個(gè)反向行波浪涌。該行波浪涌在母線的反射波形成本端第 1個(gè)正向行波浪涌，它將向故障點(diǎn)方向傳播。正向行波浪涌在故障點(diǎn)的反射波返回測(cè)量端時(shí)表現(xiàn)為反向行波浪涌。假定不考慮對(duì)端母線反射波的影響，線路故障時(shí)在測(cè)量端感受到的第1個(gè)正向電壓或電流行波浪涌與其在故障點(diǎn)反射波之間的時(shí)延Δt，如圖2 b所示。它顯然等于故障暫態(tài)行波在測(cè)量點(diǎn)與故障點(diǎn)之間往返一次的傳播時(shí)間，因而測(cè)量點(diǎn)到故障點(diǎn)之間的距離可以表示為DF=vΔt/2。設(shè)計(jì)該型測(cè)距裝置的關(guān)鍵在于識(shí)別反射波是來源于故障點(diǎn)還是對(duì)端母線。該裝置適用于單端供電的線路[1]。

（2）B型裝置是利用故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波到達(dá)線路兩端的時(shí)間，借助于兩端的通信實(shí)現(xiàn)測(cè)距，由于不需要識(shí)別行波的性質(zhì)，因此實(shí)現(xiàn)起來困難較小。當(dāng)F點(diǎn)發(fā)生故障后，將產(chǎn)生向兩端母線m和n傳播的行波（如圖2所示，其中箭頭方向?yàn)樾胁▊鞑サ姆较颍?，母線m和n處的行波測(cè)距裝置記錄下行波波頭信號(hào)到達(dá)的時(shí)刻，然后利用公式DF=[v(tm-tn)+l]/2即可得到故障點(diǎn)距兩端的距離，其中，l為線路總長(zhǎng)，v為波速。該裝置適用于雙端供電的線路。

（3）C型裝置是利用特定的裝置在故障發(fā)生后發(fā)射高壓高頻或直流脈沖信號(hào)，根據(jù)脈沖在裝置和故障點(diǎn)間往返的時(shí)間進(jìn)行測(cè)距。由于該類型的裝置需要附加專用設(shè)備，并且利用電力線載波通信，根據(jù)電氣化鐵道的特點(diǎn)，該類裝置在其牽引供電系統(tǒng)中不適用。

以上3種類型中，A型、C型為單端測(cè)距；B型為雙端測(cè)距，需要有兩端通信。A型和B型裝置對(duì)輸電線路的瞬時(shí)性和永久性故障均有較好的適應(yīng)性。

3 行波法應(yīng)用于牽引網(wǎng)故障測(cè)距的方案

理論上，單端行波法和雙端行波法都適用于牽引網(wǎng)行波故障測(cè)距。但是，接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)和設(shè)備（線岔、錨段關(guān)節(jié)以及分相絕緣器和分段絕緣器等）對(duì)行波的傳播產(chǎn)生嚴(yán)重影響，行波反射、折射非常復(fù)雜，同時(shí)沿線變壓器負(fù)荷及復(fù)雜環(huán)境也對(duì)行波傳播產(chǎn)生影響。特別是在牽引網(wǎng)上存在多臺(tái)移動(dòng)的機(jī)車負(fù)荷時(shí)，準(zhǔn)確獲取故障點(diǎn)反射波或折射波將更加繁雜。

單端行波法測(cè)距需要不斷地提取、識(shí)別入射波和反射波，并對(duì)其性質(zhì)做出準(zhǔn)確判斷，因此利用該方法測(cè)距存在一定的困難。

雙端行波法測(cè)距只要獲取故障點(diǎn)向兩端傳播的行波波頭信號(hào)，不需測(cè)反射波，實(shí)施較為簡(jiǎn)單，并且不受線路及機(jī)車狀況的影響。近年來隨著GPS技術(shù)的發(fā)展，使得基于GPS的精確對(duì)時(shí)雙端行波法得以實(shí)現(xiàn)。GPS可以精確獲得行波到達(dá)的時(shí)刻，使得該方法計(jì)算故障距離是精確并且穩(wěn)定的。因此雙端行波法測(cè)距更適應(yīng)電氣化鐵道牽引網(wǎng)精確故障定位的需要[5]。

整個(gè)接觸網(wǎng)行波故障測(cè)距系統(tǒng)由行波數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)、通訊網(wǎng)絡(luò)和行波綜合分析系統(tǒng)及遠(yuǎn)程維護(hù)系統(tǒng)組成。圖3中，牽引變電所中的行波數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)記錄各條線路的電壓、電流暫態(tài)信號(hào)以及回流線電流暫態(tài)信號(hào)。目的是當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，能夠可靠記錄到故障信息。行波綜合分析系統(tǒng)運(yùn)行行波故障測(cè)距系統(tǒng)分析軟件，它接收通訊網(wǎng)絡(luò)送上來的各行波故障測(cè)距裝置記錄到的暫態(tài)數(shù)據(jù)。行波綜合分析系統(tǒng)由一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)構(gòu)成，放置在調(diào)度中心。

圖3 接觸網(wǎng)行波測(cè)距系統(tǒng)原理圖

4 結(jié)語

牽引網(wǎng)線路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、站場(chǎng)分支多、錨段電連接頻繁，AT的接入、多臺(tái)機(jī)車移動(dòng)等均使行波的折反射分析復(fù)雜，準(zhǔn)確獲得故障點(diǎn)反射波的難度較大；行波法中的雙端測(cè)距法只獲取故障點(diǎn)向兩端傳播的初始波頭信號(hào)，不需測(cè)反射波，同時(shí)受線路及機(jī)車狀況的影響較小，實(shí)施較為簡(jiǎn)單。行波測(cè)距法在電力系統(tǒng)高壓輸電線中應(yīng)用的理論較成熟，但由于牽引供電系統(tǒng)線路結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式復(fù)雜，使行波法在電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用還需深入研究。

[1]焦在濱，高仕斌.行波法在電氣化鐵道牽引網(wǎng)故障測(cè)距中應(yīng)用的可行性研究[J].繼電器，2003，31，（7）.

[2]譚秀炳.交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2007.

[3]段晶晶.直供方式牽引網(wǎng)故障行波測(cè)距技術(shù)[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2010，24，（5）.

[4]葛耀中.新型繼電保護(hù)與故障測(cè)距原理與技術(shù)[M].西安：西安交通大學(xué)出版社，1996.

[5]冉旭，廖培金，陳平，等.行波故障測(cè)距法在電氣化鐵道牽引網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2001，25，（2）：36-42.