鐵路電力線路故障判斷方案的研究

武 歡

(遼寧鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，遼寧錦州 121000)

前言

目前，我國(guó)電氣化鐵路配電線路架空線比較多，增加了導(dǎo)線損耗，而供電范圍很小，供電效果不理想，整體相對(duì)薄弱。由于大部分設(shè)備都不可遙控，所以采集數(shù)據(jù)信息很少，發(fā)生故障不能快速處理，停電面積擴(kuò)大，自動(dòng)化程度低，導(dǎo)致供電恢復(fù)速度慢。電氣化鐵道供配電系統(tǒng)由自閉和貫通線構(gòu)成，其特點(diǎn)是系統(tǒng)中性點(diǎn)非接地，10kV 線路與國(guó)家電網(wǎng)是利用變電所內(nèi)的電力變壓器實(shí)現(xiàn)隔離。鐵路電力線路的功能是專線專用給鐵路站場(chǎng)、通信信號(hào)裝置、機(jī)車信號(hào)、變電所用電等一級(jí)負(fù)荷提供能源。自閉線和貫通線路相互備用，一旦電力線路或者電力變電所發(fā)生故障，則導(dǎo)致鐵路行車信號(hào)機(jī)失靈，信號(hào)失效就會(huì)造成堵塞、撞車等事故，造成嚴(yán)重事故例如甬溫線事故。

如果自閉貫通線發(fā)生單相接地故障，那么變電所內(nèi)的接地警報(bào)啟動(dòng)，一般利用小電流選線裝置可以區(qū)分發(fā)生接地故障線路，卻不能精確定位故障點(diǎn)。由于非中性點(diǎn)接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障后，接地電容電流很小，整個(gè)線路上額定電壓基本不變，所以負(fù)荷不受影響運(yùn)行允許可持續(xù)達(dá)2 小時(shí)左右。但是無(wú)故障線路相電壓就會(huì)成幾何倍增加，臨時(shí)性接地故障所帶來(lái)的暫態(tài)過(guò)電壓甚至達(dá)5 倍以上，假如設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間故障運(yùn)行，線路絕緣容易發(fā)生擊穿，導(dǎo)致相間短路或接地短路故障，因此準(zhǔn)確快速定位接地故障點(diǎn)，隔離并恢復(fù)供電系統(tǒng)從而把危害降到最低，對(duì)于鐵路運(yùn)行管理安全和人身安全十分重要。

1.10kV 鐵路電力線路故障

判斷鐵路電力線路故障的方案，首先要理論分析各種故障特征，根據(jù)對(duì)采用安裝在開關(guān)站的FTU監(jiān)測(cè)出來(lái)的數(shù)據(jù)信息判斷故障。針對(duì)鐵路專門設(shè)計(jì)的10kV 自閉貫通線路作用是提供給鐵路信號(hào)系統(tǒng)，行車系統(tǒng)，編組場(chǎng)車站等一級(jí)負(fù)荷電能。目前，我國(guó)對(duì)于鐵路10kV 電力線路故障的檢測(cè)沒有很好的方法，檢測(cè)單相接地故障更是缺少必要手段，原來(lái)基本采用監(jiān)視器監(jiān)測(cè)整定范圍內(nèi)母線上的零序電流的有無(wú)，再利用故障線路判斷裝置進(jìn)行選線，最后發(fā)出報(bào)警信號(hào)，但是不能夠準(zhǔn)確提供具體故障區(qū)段。

1.1 鐵路電力網(wǎng)的特點(diǎn)

鐵路電力線路一般都是中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)，這種接地方式相對(duì)比較簡(jiǎn)單，整個(gè)系統(tǒng)的中性點(diǎn)沒有和大地進(jìn)行電氣連接，是絕緣的。當(dāng)線路發(fā)生單相接地故障時(shí)，線路和對(duì)地電容就共同組成了一個(gè)通路，這樣就在接地點(diǎn)處形成了電容電流，這種接地電容電流的大小取決于饋線的材質(zhì)、長(zhǎng)度及類型。當(dāng)饋線數(shù)量多，線路相對(duì)較長(zhǎng)時(shí)候，產(chǎn)生的容性電流由于沒有任何感性電流的補(bǔ)償，就有可能增大幾十甚至幾百倍，特別是高鐵采用大量電纜線路(架空線是電纜單位長(zhǎng)度上的電容電流二十五分之一)作為變電所的饋線，接地容性電流甚至能達(dá)到一千安培以上，如此高的電流能夠擊穿設(shè)備絕緣危害供電的可靠運(yùn)行。

作為信號(hào)設(shè)備主要電源的鐵路電力線路是保證鐵路運(yùn)輸安全生產(chǎn)的重要保障。鐵路配電網(wǎng)是一個(gè)穩(wěn)定和可靠供電網(wǎng)絡(luò)，具備安全和經(jīng)濟(jì)性好的特點(diǎn)，在電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能上都具有一定的特點(diǎn)和區(qū)別。

(1)供電范圍廣，受電點(diǎn)多。自閉貫通電網(wǎng)的供電臂大約為60 到70km，特殊地段甚至能到90km 以上。供電負(fù)荷容量小數(shù)量多，由于自閉貫通電線是自動(dòng)閉塞信號(hào)裝置專用線路，都會(huì)連接途經(jīng)車站，負(fù)荷信號(hào)微弱。

(2)運(yùn)行維護(hù)困難。由于鐵路運(yùn)行情況錯(cuò)綜復(fù)雜，所以自閉貫通線路受到外界因素影響較大，即使高鐵普遍采用電纜引出引入，但電纜大多敷設(shè)于地下，受溫度、濕度、地質(zhì)、環(huán)境影響較大。鐵路配力網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，作為自動(dòng)終端信號(hào)裝置與最終用戶直接連接，鐵路自閉貫通網(wǎng)里一般都為10kV 和35kV 兩個(gè)等級(jí)的變配電站，鐵路自閉貫通供電系統(tǒng)中的站所功能基本相同，配置也基本一致，這樣對(duì)于鐵路供電的功能和范圍要求就相對(duì)較低。

(3)接線單一可靠性高。自閉貫通供電系統(tǒng)的接線采用最常見的沿鐵路敷設(shè)的放射網(wǎng)結(jié)構(gòu)，沿鐵路線分布均勻變電所互相備用相互連接，組成雙回路供電方式。連接線一主一備，自閉線與貫通線相互補(bǔ)充的接線方式。鐵路自閉貫通網(wǎng)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，連接方便但是由于其安全性要求供電持續(xù)可靠保證。傳統(tǒng)的鐵路配電網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了多種措施來(lái)保證供電的穩(wěn)定可靠，但是過(guò)去所裝設(shè)的老式保護(hù)滿足不了日趨發(fā)展的高鐵提速當(dāng)故障出現(xiàn)，尤其是難以判斷單相接地故障出現(xiàn)的區(qū)段，使故障危害加深嚴(yán)重影響自動(dòng)閉塞正常工作。

1.2 鐵路自閉貫通線路相間短路

假設(shè)線路A、C 兩相在變電所1、2 間發(fā)生短路故障，那么就有

使用對(duì)稱矢量法對(duì)線路上的電流互感器進(jìn)行讀數(shù)就會(huì)發(fā)現(xiàn)兩相短路故障時(shí)，自閉貫通相電流減小，零序電流和零序電壓并不存在于整個(gè)短路故障通路里。在故障線路中，靠近電源側(cè)等值的短路電流通過(guò)各分段故障線。故障線路前段(遠(yuǎn)離電源側(cè))短路電流不會(huì)出現(xiàn)在各故障分段區(qū)間里。

假設(shè)線路A、C 兩相在變電所1、3 間發(fā)生a、c 兩點(diǎn)接地短路，那么就有故障臨界條件

在自閉貫通線各變電所安裝的電流互感器，就可以測(cè)量出實(shí)時(shí)的電流值。得出結(jié)論是一旦發(fā)生兩相接地故障那么在故障區(qū)間前部各相都會(huì)有等值短路電流流過(guò)，而在故障區(qū)間的后端都沒有短路電流流過(guò)互感器，整個(gè)回路里有零序電壓和電流;當(dāng)不同區(qū)間發(fā)生接地短路時(shí)候，在故障區(qū)間前側(cè)故障相短路電流流過(guò)互感器，在故障區(qū)間后側(cè)不流過(guò)短路電流，整個(gè)回路都會(huì)有零序電壓和零序電流。

三相短路和三相接地故障與兩相比較相似，但是也有一定的區(qū)別。當(dāng)發(fā)生三相短路故障時(shí)候，發(fā)生故障相的線電壓下降，短路電流流過(guò)故障相電流互感器，整個(gè)配電網(wǎng)里不存在零序電壓和零序電流;等值短路電流都會(huì)流過(guò)故障區(qū)間前部的故障相上的電流互感器，短路電流不出現(xiàn)在故障區(qū)間后側(cè)線路上的電流互感器;故障三相接地發(fā)生時(shí)候，不產(chǎn)生零序電壓和電流，故障相有短路電流流經(jīng)導(dǎo)致故障線路相電壓減小;產(chǎn)生等值的短路電流流過(guò)故障區(qū)間前側(cè)故障相上的電流互感器，短路電流不會(huì)在故障區(qū)間后側(cè)流過(guò)電流互感器?？傊嚅g接地短路故障，都可以利用裝設(shè)在變電所里電流互感器，一旦發(fā)生短路故障就可以明顯監(jiān)測(cè)出發(fā)生故障前的變電所的母線上的電流信息，再根據(jù)故障后端沒有短路電流的信息，初步分析判斷出故障點(diǎn)的粗略位置最后通過(guò)比對(duì)故障現(xiàn)象的類型及特點(diǎn)準(zhǔn)確定位出故障點(diǎn)的。

1.3 鐵路電力線路單相接地故障分析

當(dāng)某點(diǎn)發(fā)生金屬性接地故障，測(cè)得接地電阻為零時(shí)，已知電力線路上有電容電流，推導(dǎo)出非故障相對(duì)地電流和對(duì)地電壓都近似零，利用零序等效網(wǎng)絡(luò)就可以得到以下結(jié)論:零序電流在故障回路和非故障回路的關(guān)系是，非故障零序電流等于該相的接地電容電流，而故障回路的零序電流正好等于全部非故障零序電流相加之和，也就是所有非故障回路接地電容電流的和;在對(duì)于零序電壓電流相位關(guān)系，零序電壓在非故障相上滯后零序電流90 度，而在故障相上零序電壓超前零序電流90 度，相加就可以得出零序電流在非故障回路故障回路相位相差正好180度;總之，接地電容電流等于全部故障和非故障回路中接地點(diǎn)電流之和，同時(shí)電容電流和零序電壓相差90 度。

當(dāng)發(fā)生非金屬性單相接地故障時(shí)，電阻R 不等于零。已知鐵路電力線在故障點(diǎn)接地時(shí)，并且因?yàn)榻拥仉娮璨坏扔诹?，那么故障區(qū)間前段與非故障區(qū)間前段的零序電流方向恰恰相反。所以鐵路電力線路發(fā)生單相接地時(shí)，零序電壓超前零序電流在非故障線路前側(cè)相差正好90 度，在故障線路前側(cè)則滯后相差正好90 度;由于幅值和相角不受電阻影響，則不會(huì)改變電流和電壓之間的零序相位差;一旦配電線路出現(xiàn)單相接地故障有零序電壓時(shí)候，線路前側(cè)的各部分故障超前零序電流，但是故障線路后側(cè)則正好與非故障相反差90 度。

2.鐵路線路故障判斷方案的研究

基于FTU 饋線自動(dòng)化是解決故障判斷的重要系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，F(xiàn)TU 被安裝在負(fù)載、電互感器、功率表和開關(guān)等設(shè)備上，用來(lái)采集對(duì)應(yīng)開關(guān)的實(shí)時(shí)位置、完成貯能情況等運(yùn)行數(shù)據(jù)，并且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信將現(xiàn)場(chǎng)信息傳送給變電所中控設(shè)備，F(xiàn)TU 還可以利用信道雙向性接收自動(dòng)化控制中心下達(dá)的指令，完成指令動(dòng)作進(jìn)行長(zhǎng)距離操作倒閘。發(fā)生故障時(shí)，F(xiàn)TU 就可以記錄下數(shù)據(jù)的變化包括故障實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比正常數(shù)據(jù)。如短路最大電流值、最大沖擊電流、最大故障功率和電壓等信息統(tǒng)一發(fā)送至中心控制機(jī)構(gòu)，中控利用邏輯運(yùn)算精確定位故障點(diǎn)，并采取最佳措施恢復(fù)供電，快速完成遙控分離故障區(qū)間并盡快恢復(fù)線路供電、保證鐵路運(yùn)行安全。為了方便主站，先將分散的收集單元集中再與控制中心連接，實(shí)現(xiàn)分散轉(zhuǎn)為集中，利用成熟的調(diào)度自動(dòng)化技術(shù)能夠把各個(gè)面向?qū)ο蟮牟杉瘑卧慕y(tǒng)一變成的通信協(xié)約，實(shí)現(xiàn)有機(jī)結(jié)合供配電技術(shù)、SCADA 系統(tǒng)、電力數(shù)據(jù)采集等。

一般在變電所到故障點(diǎn)的自閉貫通線上才會(huì)有故障電流，通過(guò)各個(gè)FTU 把采集到的故障相數(shù)據(jù)值傳送給自動(dòng)中心，利用計(jì)算機(jī)推理運(yùn)算合理處理已收到故障線路的所有信息，快速定位判斷故障發(fā)生的區(qū)段。通過(guò)上節(jié)部分關(guān)于自閉貫通線路各類故障得出的結(jié)論，就可以推理出判斷自閉貫通線路各類故障的算法。例如某段自閉貫通線路分為4 段區(qū)域，根據(jù)鐵路電力系統(tǒng)為非中性點(diǎn)接地系統(tǒng)，上節(jié)介紹故障機(jī)理就可以歸納為相間短路、單相接地故障等再依據(jù)臨時(shí)性或者永久性故障性質(zhì)。排列組合共六種可能故障類型通過(guò)采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分最后中控對(duì)故障分析判斷。可以分兩步進(jìn)行一個(gè)是鐵路電力線路沿線上兩個(gè)變電所之間發(fā)生故障時(shí)，F(xiàn)TU采集開關(guān)站的數(shù)據(jù)，需要傳輸一段時(shí)間才能將信息收集到主站。設(shè)置時(shí)間參數(shù)，考慮到兩個(gè)變電站之間的FTU 數(shù)據(jù)全部上傳，這個(gè)參數(shù)就是故障分辨率。保障主供變電所重合閘動(dòng)作，同時(shí)備用變電所自投預(yù)備，當(dāng)短路電流流經(jīng)時(shí)，保護(hù)機(jī)構(gòu)跳閘，備投重合啟動(dòng)，準(zhǔn)確判斷出是臨時(shí)故障;同理，當(dāng)出現(xiàn)故障電流時(shí)，保護(hù)裝置跳閘，備投沒有啟動(dòng)，重合閘順利動(dòng)作同樣是臨時(shí)的。主供電臂啟動(dòng)重合閘，備用供電臂投入的時(shí)候，同理出現(xiàn)故障，主供區(qū)間保護(hù)裝置跳閘動(dòng)作，備投沒有啟動(dòng)，重合備投也不成功，那么故障就是永久性，對(duì)變電站之間FTU 采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合判斷，根據(jù)數(shù)據(jù)的情況區(qū)分出現(xiàn)的故障，收集完整數(shù)據(jù)分析準(zhǔn)確判斷故障定點(diǎn)及并采取相應(yīng)措施保證鐵路電力線路正常運(yùn)行。

3.結(jié)束語(yǔ)

電力線路故障診斷是保證鐵路運(yùn)輸安全運(yùn)行和穩(wěn)定可靠的重要途徑。提高鐵路電力線路自動(dòng)化水平，完善遠(yuǎn)程處理故障能力是電氣化鐵道供電的一個(gè)重要方面。本文通過(guò)對(duì)鐵路自閉貫通線路進(jìn)行的研究，提出了自閉貫通線的故障判斷方案，提高了鐵路配電系統(tǒng)的安全性和可靠性。

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