基于暫態(tài)殘壓計(jì)算的接觸網(wǎng)故障性質(zhì)智能辨識(shí)

劉　鐵，楊　維，趙浩江

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京　100044)

接觸網(wǎng)故障按其性質(zhì)分為2類：永久性故障，瞬時(shí)性故障(或稱臨時(shí)故障)。永久性故障(如設(shè)備絕緣擊穿)，是需要人工修復(fù)后才能排除的故障；瞬時(shí)性故障(如樹枝碰到接觸網(wǎng)又隨風(fēng)擺離或電弧燒斷)，是可以自動(dòng)修復(fù)的故障。實(shí)踐表明接觸網(wǎng)故障大多數(shù)是瞬時(shí)性故障。接觸網(wǎng)無論是發(fā)生永久性故障還是瞬時(shí)性故障，都會(huì)造成變電所上、下行饋線上的斷路器跳閘，接觸網(wǎng)失電，影響行車。為了減少跳閘對(duì)行車的影響，變電所配置了自動(dòng)重合閘裝置，使斷路器跳閘后延遲1～2 s再重新自動(dòng)合閘，快速恢復(fù)接觸網(wǎng)供電。但是，斷路器和自動(dòng)重合閘裝置本身不能夠識(shí)別是永久性故障還是瞬時(shí)性故障，只要故障電流超過保護(hù)整定值就會(huì)跳閘。對(duì)于永久性故障，斷路器重合閘后由于故障一直存在，斷路器和有關(guān)電氣設(shè)備都會(huì)再次遭受短路電流沖擊，結(jié)果是斷路器再次跳閘，并造成設(shè)備一定程度損傷。顯然，對(duì)于永久性故障而言，斷路器重合閘不但是多余的，而且加大了斷路器操作機(jī)構(gòu)的磨損，增加了維護(hù)成本；一旦斷路器跳閘時(shí)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)卡滯，不能夠切斷短路電流，還可能發(fā)生爆炸。

如果能夠辨識(shí)接觸網(wǎng)的故障性質(zhì)，就可以實(shí)現(xiàn)人工智能控制斷路器,對(duì)永久性故障不再重合閘，這將具有理論和工程應(yīng)用價(jià)值。文獻(xiàn)[1]比較全面地介紹了輸電線路永久性故障的判別方法；文獻(xiàn)[2]針對(duì)輸電線故障研究了單相自動(dòng)重合閘的算法；文獻(xiàn)[3]提出了220 kV三相輸電線中單相重合閘時(shí)判別瞬時(shí)與永久故障的方法，并進(jìn)行了試驗(yàn)；文獻(xiàn)[4]對(duì)500 kV輸電線路在微機(jī)保護(hù)故障選相的基礎(chǔ)上進(jìn)行了重合閘過程仿真；文獻(xiàn)[5]針對(duì)500 kV以上的超高壓三相輸電線，采用小波方法分析單相故障的特征和性質(zhì)。這些文獻(xiàn)均是對(duì)電力系統(tǒng)輸電線路的故障性質(zhì)及重合閘進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[6]針對(duì)鐵路復(fù)線接觸網(wǎng)，假設(shè)當(dāng)一條接觸網(wǎng)帶電正常供電、另一條接觸網(wǎng)發(fā)生故障失電的條件下，分析了瞬時(shí)故障與永久性故障的電氣特征，并采用算例進(jìn)行說明。但復(fù)線接觸網(wǎng)實(shí)際發(fā)生故障時(shí)，因斷路器同時(shí)跳閘，不存在以上假設(shè)條件，故該研究很難應(yīng)用于工程實(shí)際。

本文根據(jù)接觸網(wǎng)故障時(shí)電壓、電流變化的物理過程，分析故障性質(zhì)的辨識(shí)機(jī)理。按接觸網(wǎng)故障時(shí)變電所上下行饋線斷路器均跳閘的實(shí)際情況，不人為設(shè)置假設(shè)條件，建立等值電路，對(duì)接觸網(wǎng)故障跳閘的暫態(tài)過程中殘壓(簡稱暫態(tài)殘壓)進(jìn)行計(jì)算推導(dǎo)?；跁簯B(tài)殘壓變化規(guī)律和信息特征分析，提出接觸網(wǎng)故障性質(zhì)的綜合判據(jù)。為了檢驗(yàn)算法的正確性，采用人工接地方法模擬接觸網(wǎng)發(fā)生永久性和瞬時(shí)性故障，在一條專用接觸網(wǎng)上進(jìn)行了試驗(yàn)。

1　接觸網(wǎng)故障跳閘及故障性質(zhì)辨識(shí)機(jī)理

1.1　接觸網(wǎng)故障跳閘

為了建立接觸網(wǎng)故障跳閘后的等值電路，首先需要按照接觸網(wǎng)故障跳閘的實(shí)際工況，分析跳閘后復(fù)線接觸網(wǎng)是否存在電壓、電流，是否存在電力機(jī)車，上下行接觸網(wǎng)之間是否存在電磁感應(yīng)，以及它們對(duì)變電所重合閘的影響。

無論是普速鐵路的接觸網(wǎng)，還是高速鐵路的接觸網(wǎng)，電源均取自變電所的同相母線，上下行饋線分別設(shè)置斷路器；為減少接觸網(wǎng)阻抗，提高牽引能力，接觸網(wǎng)末端采用斷路器并聯(lián)。當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，短路電流導(dǎo)致上下行饋線斷路器、末端并聯(lián)斷路器同時(shí)跳閘。同時(shí)，變電所的自動(dòng)重合閘啟動(dòng)，延遲1～2 s后上下行饋線的斷路器分別重合閘。對(duì)無故障的接觸網(wǎng)重合閘成功，對(duì)永久性故障的接觸網(wǎng)重合閘失敗，對(duì)瞬時(shí)性故障的接觸網(wǎng)重合閘也成功。檢測(cè)末端并聯(lián)斷路器兩側(cè)(上下行接觸網(wǎng))的電壓，若其兩側(cè)都有電，自動(dòng)重合閘，恢復(fù)上下行接觸網(wǎng)的并聯(lián)運(yùn)行，若單側(cè)有電或兩側(cè)都無電，不合閘。

電力機(jī)車運(yùn)用的有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求，當(dāng)接觸網(wǎng)電壓(簡稱網(wǎng)壓)低于21 kV時(shí),牽引自動(dòng)控制裝置使機(jī)車處于功率封鎖狀態(tài)；當(dāng)網(wǎng)壓低于17.5 kV時(shí),車頂主斷路器自動(dòng)跳閘，但不降弓，機(jī)車處于惰行狀態(tài)；當(dāng)網(wǎng)壓接近0時(shí),機(jī)車司機(jī)主動(dòng)降弓。接觸網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，變電所跳閘造成接觸網(wǎng)失電，機(jī)車主斷路器也立即跳閘。如果變電所自動(dòng)重合閘成功，那么接觸網(wǎng)恢復(fù)供電，機(jī)車司機(jī)就合閘主斷路器，繼續(xù)行車；如果變電所自動(dòng)重合閘不成功，車上網(wǎng)壓指示為0，則機(jī)車司機(jī)降弓，等待接觸網(wǎng)供電。

根據(jù)上述分析可以看到：①復(fù)線接觸網(wǎng)故障使變電所上、下行饋線斷路器均跳閘，造成上、下行接觸網(wǎng)全部停電，沒有牽引電流，它們之間不存在電磁感應(yīng)，只存在等效電容導(dǎo)致的靜電感應(yīng)。②接觸網(wǎng)因故障跳閘停電后，線路上運(yùn)行的電力機(jī)車主斷路器也隨之跳閘，電力機(jī)車的電氣特性與接觸網(wǎng)無關(guān)，不影響變電所饋線斷路器的自動(dòng)重合閘。

1.2　故障性質(zhì)辨識(shí)機(jī)理

為了辨識(shí)接觸網(wǎng)的故障性質(zhì)，首先需要通過分析故障時(shí)刻接觸網(wǎng)的電壓和電流的關(guān)系，找到它們之間的特征。

接觸網(wǎng)的唯一負(fù)荷是電力機(jī)車，屬于感性負(fù)荷，若接觸網(wǎng)電壓為u(t)=Umcos(ωt)(其中Um為接觸網(wǎng)工作電壓幅值；ω為接觸網(wǎng)電源角頻率；t為時(shí)間)，接觸網(wǎng)電流為i(t)=Imcos(ωt-θ)(其中Im為接觸網(wǎng)電流幅值；θ為電壓與電流的相位角)，兩者的相位關(guān)系如圖1所示。接觸網(wǎng)因故障而短路，在斷路器跳閘時(shí)觸頭分開的瞬間，由于電場(chǎng)強(qiáng)度極大，產(chǎn)生電弧。電弧實(shí)質(zhì)上是導(dǎo)電的高溫等離子體，它使斷路器在觸頭分離的過程中電流仍然維持；理論上電弧電流到達(dá)零值時(shí)，即t0時(shí)刻，電弧才會(huì)熄滅，實(shí)際上在t0時(shí)刻附近的Δt區(qū)域內(nèi)電流已經(jīng)很小，電弧溫度也下降到了較低數(shù)值，加上斷路器觸頭快速分離和觸頭間真空介質(zhì)的滅弧效應(yīng)，迫使電弧電流提前在t時(shí)刻熄滅。

圖1　接觸網(wǎng)電壓、電流的相位關(guān)系

從圖1可以看到：在某時(shí)刻斷路器觸頭兩側(cè)存在電壓uc，對(duì)斷路器的電源側(cè)來說，電壓uc與50 Hz電源同步變化，對(duì)斷路器的線路側(cè)來說，uc以電荷形式儲(chǔ)存在接觸網(wǎng)對(duì)地電容上，形成殘余電壓。如果接觸網(wǎng)故障是永久性的，例如：接觸網(wǎng)絕緣子被擊穿，接地通道一直保持，待到斷路器觸頭徹底分開(電弧熄滅)，接地通道迅速將殘壓電荷釋放完，接觸網(wǎng)對(duì)地電壓降到0。如果故障是瞬時(shí)性的，例如：被大風(fēng)刮起的輕小濕潤線索碰到接觸網(wǎng)時(shí)引起放電，而導(dǎo)致變電所跳閘；同時(shí)，電弧將線索燒斷，使接觸網(wǎng)故障自動(dòng)消失。待到斷路器觸頭徹底分開后，接觸網(wǎng)上殘壓電荷沒有通道能夠釋放，理論上uc值將一直保持?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明：uc值在一定時(shí)間內(nèi)會(huì)逐漸衰減，這是由于接觸網(wǎng)絕緣子表面泄露電阻所致。顯然，在接觸網(wǎng)故障跳閘從供電狀態(tài)變化到非供電狀態(tài)的暫態(tài)過程中，uc值與斷路器分閘時(shí)刻、觸頭分離速度、介質(zhì)滅弧能力、氣象條件對(duì)接觸網(wǎng)絕緣子表面狀態(tài)的影響、故障性質(zhì)和位置等有關(guān)。

由于牽引供電系統(tǒng)的電源容量足夠大，可以忽略電源內(nèi)阻抗，當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障時(shí)，電源所帶負(fù)載阻抗就是從故障點(diǎn)至電源的接觸網(wǎng)阻抗。盡管每一次因故障點(diǎn)的位置不同而導(dǎo)致短路阻抗不同，但是，對(duì)具體的接觸網(wǎng)而言，由于總長度和電氣參數(shù)是固定的，因此，接觸網(wǎng)首端或末端故障時(shí)殘壓uc、電流ic與相位角θ也是相對(duì)固定值；而在接觸網(wǎng)其他任何點(diǎn)故障時(shí)產(chǎn)生的殘壓uc、電流ic與相位角θ介于接觸網(wǎng)首、末端故障時(shí)這2種情況之間。

從上述分析可知接觸網(wǎng)故障具有以下特征。

(1)每次接觸網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，由于故障性質(zhì)和故障位置不同，接觸網(wǎng)暫態(tài)殘壓uc的大小和持續(xù)時(shí)間也不同。對(duì)永久性故障，接觸網(wǎng)不存在殘壓；對(duì)瞬時(shí)性故障，接觸網(wǎng)存在一定幅值和一定時(shí)間的暫態(tài)殘壓uc。

(2)假設(shè)接觸網(wǎng)首端、末端分別故障時(shí)，對(duì)應(yīng)的殘壓分別為u首和u末，電流分別為i首和i末，相位角分別為θ首和θ末，那么在接觸網(wǎng)上任一點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，一定有如下關(guān)系：殘壓uc介于u首和u末之間，電流ic介于i首和i末之間，相位角θ介于θ首和θ末之間。

基于上述接觸網(wǎng)故障時(shí)電壓、電流發(fā)展的物理過程，在變電所饋線斷路器的跳閘至重合閘期間，采集故障信息，分析暫態(tài)殘壓uc的變化規(guī)律，就能辨識(shí)故障的性質(zhì)屬于永久性或者瞬時(shí)性，從而實(shí)現(xiàn)人工智能控制斷路器的自動(dòng)重合閘。

2　等值電路及暫態(tài)殘壓計(jì)算

2.1　接觸網(wǎng)等值電路的建立

無論鐵路線路上有無電力機(jī)車，當(dāng)接觸網(wǎng)發(fā)生故障跳閘后，接觸網(wǎng)上沒有電流。對(duì)此建立的復(fù)線接觸網(wǎng)故障(例如：下行接觸網(wǎng)故障)跳閘等值電路如圖2所示。圖中：D1，D2為變電所饋線斷路器，D3為接觸網(wǎng)末端斷路器，且D1，D2，D3都處于分閘狀態(tài)；C1，R1分別為上行接觸網(wǎng)的對(duì)地電容和導(dǎo)線(包括承力索)的電阻；C2，R2分別為下行接觸網(wǎng)的對(duì)地電容和導(dǎo)線(包括承力索)的電阻；Cm為上、下行接觸網(wǎng)的互電容；uc1，uc2分別為上、下行接觸網(wǎng)的暫態(tài)殘壓；k為故障點(diǎn)；Rk為故障通道的等值電阻。

圖2　復(fù)線接觸網(wǎng)故障跳閘等值電路

在變電所饋線斷路器跳閘前，上下行接觸網(wǎng)電壓的數(shù)值大小相等、相位相同，互電容Cm上沒有電壓差，也不儲(chǔ)存電荷，只有上下行接觸網(wǎng)對(duì)地電容儲(chǔ)存的電荷，并在接觸網(wǎng)跳閘后形成暫態(tài)殘壓uc1和uc2。由于上下行接觸網(wǎng)的結(jié)構(gòu)相同，故uc1=uc2=u0，其中u0為跳閘時(shí)刻接觸網(wǎng)的殘壓初始值。如果接觸網(wǎng)發(fā)生永久性故障，故障通道的等值電阻近似為0，使得變電所饋線斷路器跳閘后故障接觸網(wǎng)儲(chǔ)存的電荷瞬時(shí)釋放，接觸網(wǎng)的殘壓為0。

如果接觸網(wǎng)發(fā)生瞬時(shí)性故障，變電所饋線斷路器跳閘后，如圖2所示的故障接觸網(wǎng)儲(chǔ)存的電荷經(jīng)過Rk有所釋放；同時(shí)，相鄰的無故障接觸網(wǎng)(上行)儲(chǔ)存的電荷對(duì)故障接觸網(wǎng)(下行)產(chǎn)生靜電感應(yīng)，為故障接觸網(wǎng)提供部分靜電電荷。根據(jù)電路疊加定理，兩者共同作用，使故障接觸網(wǎng)能夠通過故障通道釋放的總電荷Q為

(1)

對(duì)故障接觸網(wǎng)(下行)首端的暫態(tài)殘壓進(jìn)行計(jì)算或測(cè)量時(shí)，考慮故障點(diǎn)分別發(fā)生在靠近接觸網(wǎng)首端的前半段、中間和靠近末端的后半段時(shí)，對(duì)應(yīng)的等值電路如圖3所示。圖中：R0為檢測(cè)裝置入口電阻；R21和R22為接觸網(wǎng)前半段的電阻，且R21+R22=0.5R2，2個(gè)電阻值的分配取決于故障點(diǎn)在前半段中的位置；R23為接觸網(wǎng)后半段的電阻，阻值取決于故障點(diǎn)在后半段中的位置；tk為瞬時(shí)故障消失時(shí)刻。

2.2　接觸網(wǎng)瞬時(shí)性故障時(shí)暫態(tài)殘壓的計(jì)算

復(fù)線接觸網(wǎng)發(fā)生瞬時(shí)性故障時(shí)，按照?qǐng)D3所示的等值電路推導(dǎo)出接觸網(wǎng)的暫態(tài)殘壓為

圖3　接觸網(wǎng)不同部位故障時(shí)的等值電路

(2)

式中：K為系數(shù)；τ為時(shí)間常數(shù)，均需要根據(jù)故障位置確定。

將式(1)代入式(2)中，可得復(fù)線接觸網(wǎng)故障跳閘后的暫態(tài)殘壓一般表達(dá)式為

(3)

當(dāng)復(fù)線接觸網(wǎng)故障點(diǎn)k發(fā)生在前半段時(shí)，如圖3(a)所示，系數(shù)K和時(shí)間常數(shù)τ分別為

(4)

(5)

當(dāng)復(fù)線接觸網(wǎng)故障點(diǎn)k發(fā)生在中間時(shí)，如圖3(b)所示，系數(shù)K和時(shí)間常數(shù)τ分別為

(6)

(7)

當(dāng)復(fù)線接觸網(wǎng)故障點(diǎn)k發(fā)生在后半段時(shí)，如圖3(c)所示，系數(shù)K和時(shí)間常數(shù)τ分別為

(8)

(9)

3　故障性質(zhì)綜合判斷方法

分析式(3)可以看到：復(fù)線接觸網(wǎng)的暫態(tài)殘壓隨時(shí)間呈指數(shù)衰減；故障消失時(shí)刻前后，時(shí)間常數(shù)分別為2個(gè)數(shù)值，必然會(huì)導(dǎo)致暫態(tài)殘壓衰減曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。依據(jù)接觸網(wǎng)暫態(tài)殘壓變化規(guī)律，提出以下故障性質(zhì)的綜合判斷方法。

3.1　永久性故障判斷

因?yàn)橛谰眯怨收贤ǖ赖牡戎惦娮杞茷?，造成接觸網(wǎng)“死”接地，接觸網(wǎng)儲(chǔ)存的電荷瞬間釋放完，暫態(tài)殘壓趨近于0。所以，檢測(cè)時(shí)根據(jù)接觸網(wǎng)暫態(tài)殘壓uc(t)≈0，就可以判斷為永久性故障。

3.2　瞬時(shí)性故障判斷

瞬時(shí)性故障的產(chǎn)生和消失過程復(fù)雜，特別是故障消失時(shí)刻tk的隨機(jī)性很大，它受故障性質(zhì)、氣象條件等多種外界因素影響，需要充分利用故障的信息特征進(jìn)行綜合判斷?；跁簯B(tài)殘壓計(jì)算和分析，提出如下綜合判據(jù)。

判據(jù)①：變電所饋線斷路器跳閘后，能夠在接觸網(wǎng)首端檢測(cè)到某一閾值的暫態(tài)殘壓，就可能是瞬時(shí)性故障。這個(gè)閾值可以根據(jù)仿真或經(jīng)驗(yàn)預(yù)先設(shè)置，然后通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行修正。顯然，閾值越大越準(zhǔn)確，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)顯示大約為1～10 kV。

判據(jù)②：變電所饋線斷路器跳閘后，能夠檢測(cè)到接觸網(wǎng)的暫態(tài)殘壓呈指數(shù)衰減(暫態(tài)過程中還可能疊加有諧波和振蕩),且衰減曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)(存在2個(gè)時(shí)間常數(shù))，就可能是瞬時(shí)性故障。

判據(jù)③：采用人工接地方式分別測(cè)出接觸網(wǎng)首端和末端故障時(shí)相位角θ首和θ末，如果接觸網(wǎng)故障跳閘時(shí)相位角介于θ首與θ末之間，那么就可能是瞬時(shí)性故障。

判據(jù)④：同時(shí)滿足判據(jù)①—判據(jù)③時(shí)，就可以確認(rèn)是瞬時(shí)性故障。

4　應(yīng)用試驗(yàn)

專用鐵路的接觸網(wǎng)從干線接觸網(wǎng)T接引出，為了保護(hù)專用鐵路的接觸網(wǎng)，在專用鐵路的接觸網(wǎng)首端設(shè)置了有斷路器保護(hù)的開關(guān)站[7-8]。專用鐵路接觸網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，開關(guān)站跳閘后專用接觸網(wǎng)的暫態(tài)殘壓也只取決于等效電容儲(chǔ)存的電荷，其物理過程與復(fù)線接觸網(wǎng)故障跳閘后的情況相似。因此將本文研究的故障性質(zhì)辨識(shí)方法應(yīng)用到西北1條專用鐵路的接觸網(wǎng)開關(guān)站，采用人工接地方式分別模擬接觸網(wǎng)發(fā)生永久性故障和瞬時(shí)性故障進(jìn)行試驗(yàn)。

西北某鐵路專用線長約12 km，從一小站引出，不存在平行走向的相鄰鐵路，試驗(yàn)中人工接地點(diǎn)設(shè)在專用線中間?？紤]到斷路器本身的機(jī)械動(dòng)作時(shí)間大約為30～100 ms，將開關(guān)站斷路器的自動(dòng)重合閘時(shí)間設(shè)置為1.6 s，變電所饋線斷路器的自動(dòng)重合閘時(shí)間設(shè)為1 s。為實(shí)現(xiàn)人工智能控制開關(guān)站的斷路器重合閘，首先要在自動(dòng)重合閘之前，完成故障信息的采集、重組和分析判斷。奈奎斯特采樣定理指出：采樣頻率至少是信號(hào)頻率的2倍，采樣間隔足夠密，采樣頻率足夠高，才能夠用采樣的數(shù)字信號(hào)完全重建被檢測(cè)的模擬信號(hào)。試驗(yàn)中檢測(cè)暫態(tài)殘壓的信號(hào)采樣器的采樣率為50 MHz，1 ms可采集5萬個(gè)樣本，足夠還原信號(hào)。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，暫態(tài)殘壓的閾值設(shè)為1 kV。

4.1　瞬時(shí)性故障試驗(yàn)

模擬瞬時(shí)性故障的試驗(yàn)方案：采用2根普通接地線(含絕緣桿)，先將第1桿的接地導(dǎo)線從掛鉤上拆開，在掛鉤和接地導(dǎo)線之間串接1根長1 m的5 A保險(xiǎn)絲；再拆除第2桿的接地導(dǎo)線，僅剩絕緣桿，把兩根絕緣桿可靠連接，以加長絕緣桿的有效長度。在保障操作人員安全的前提下，將這個(gè)加長絕緣桿的接地線掛到帶電接觸網(wǎng)上，短路電流必然熔斷保險(xiǎn)絲，自動(dòng)斷開接地，如同發(fā)生瞬時(shí)性故障。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：在接地線掛到帶電專用線接觸網(wǎng)的瞬間，保險(xiǎn)絲立即熔化并產(chǎn)生火球，開關(guān)站斷路器跳閘；同時(shí)，變電所饋線斷路器也跳閘，經(jīng)過1 s變電所饋線斷路器自動(dòng)重合閘成功，將電送到開關(guān)站；開關(guān)站經(jīng)過1.6 s自動(dòng)重合閘成功，恢復(fù)專用線接觸網(wǎng)供電，表明開關(guān)站已經(jīng)識(shí)別出是瞬時(shí)性故障。試驗(yàn)中采用高壓分壓器對(duì)專用線接觸網(wǎng)的電壓進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量電壓波形如圖4(a)所示，可以看到：開關(guān)站從跳閘時(shí)刻t0到自動(dòng)重合閘時(shí)刻tc，接觸網(wǎng)暫態(tài)殘壓在tk時(shí)刻前衰減很快，tk后衰減較慢，衰減曲線存在拐點(diǎn)，衰減過程出現(xiàn)2個(gè)時(shí)間常數(shù)，驗(yàn)證了本文研究得到的暫態(tài)殘壓變化規(guī)律。

4.2　永久性故障試驗(yàn)

模擬永久性故障的試驗(yàn)方案：采用2根普通接地線(含絕緣桿)，先將第2桿的接地導(dǎo)線從掛鉤上拆開，并將這根接地導(dǎo)線與第1桿的接地導(dǎo)線并聯(lián)，以加強(qiáng)其承受短路電流的能力；再將拆除了接地導(dǎo)線的第2絕緣桿與第1絕緣桿可靠連接，以加長絕緣桿的有效長度。在保障操作人員安全的前提下，將這個(gè)加長絕緣桿的接地線掛到帶電專用線接觸網(wǎng)上，就會(huì)形成永久性接地故障。

試驗(yàn)結(jié)果顯示：開關(guān)站斷路器立即跳閘并閉鎖；同時(shí)，變電所的饋線斷路器也跳閘，經(jīng)過1 s后變電所自動(dòng)重合閘成功，將電送到開關(guān)站，但開關(guān)站不再重合，說明開關(guān)站已經(jīng)識(shí)別出是永久性故障。試驗(yàn)中專用線接觸網(wǎng)側(cè)的電壓波形如圖4(b)所示，可以看到：開關(guān)站在t0時(shí)刻跳閘后接觸網(wǎng)的暫態(tài)殘壓迅速降到0；盡管1 s后開關(guān)站入口已經(jīng)恢復(fù)電壓，但又經(jīng)過了1 min也沒有再自動(dòng)重合閘，驗(yàn)證了故障辨識(shí)機(jī)理分析的正確性。

圖4　人工模擬故障試驗(yàn)的電壓波形

4.3　計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比分析

1)瞬時(shí)性故障試驗(yàn)

如圖4(a)所示，在發(fā)生瞬時(shí)性故障的跳閘時(shí)刻t0前，專用線接觸網(wǎng)側(cè)的電壓為22 V，根據(jù)測(cè)量分壓器的分壓比1 700∶1進(jìn)行換算，得到換算后接觸網(wǎng)電壓的有效值為26.4 kV；在t0時(shí)刻跳閘的瞬間保險(xiǎn)絲熔斷，根據(jù)保險(xiǎn)絲技術(shù)特性估計(jì)熔斷時(shí)間為100 ns, 暫態(tài)殘壓快速衰減到約(負(fù))9 000 V,從拐點(diǎn)tk時(shí)刻又經(jīng)過大約1.4 s，緩慢衰減至(負(fù))3 500 V；開關(guān)站跳閘1.6 s后自動(dòng)重合閘成功。

試驗(yàn)的專用線接觸網(wǎng)采用單鏈型懸掛，接觸線為GLCA-100/215型，承力索為GL-70型，結(jié)構(gòu)高度為1 300 mm，單位長度電阻為0.231 Ω·km-1，對(duì)地電容為0.124×10-7F·km-1，12 km長接觸網(wǎng)導(dǎo)線電阻R2=2.772 Ω，電容C2=1.49×10-7F；單線路互電容Cm=0；分壓器的電阻R0=27.5 MΩ。在人工模擬瞬時(shí)性接地的過程中，保險(xiǎn)絲未熔斷前故障通道的等值電阻Rk≈0.5 Ω，保險(xiǎn)絲熔斷后Rk為無窮大。由于跳閘時(shí)刻接觸網(wǎng)殘壓的初始值u0取決于斷路器分閘時(shí)刻，是一個(gè)隨機(jī)量，為了與試驗(yàn)結(jié)果比較，從圖4(a)中查得分閘時(shí)刻的相位角大約為-66°,則殘壓初始值u0=-34 kV。故障發(fā)生在線路中間，按照式(6)和式(7)計(jì)算系數(shù)K和時(shí)間常數(shù)τ，按照式(3)分別計(jì)算暫態(tài)殘壓uc在拐點(diǎn)tk和重合閘tc時(shí)刻的大小，有關(guān)數(shù)值列于表1中。表1中還列出了tk和tc時(shí)刻的試驗(yàn)值，以及計(jì)算值與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差。

表1　tk和tc時(shí)刻的暫態(tài)殘壓計(jì)算值與試驗(yàn)值比對(duì)

從表1可以看到：接觸網(wǎng)的暫態(tài)殘壓在拐點(diǎn)時(shí)刻tk的計(jì)算值與試驗(yàn)值非常接近，相對(duì)誤差為1.5%；在重合閘時(shí)刻tc的計(jì)算值與試驗(yàn)值相差較大，原因是在圖3所示的等值電路與計(jì)算中沒有計(jì)入接觸網(wǎng)絕緣子的表面泄漏電阻，若在tk時(shí)刻后計(jì)入接觸網(wǎng)絕緣子的表面泄漏電阻(如取為20 MΩ)，則重合閘tc時(shí)刻的暫態(tài)殘壓為3 713 V，與試驗(yàn)值的相對(duì)誤差僅為6%。

應(yīng)該指出：接觸網(wǎng)故障性質(zhì)的判斷需要應(yīng)用綜合判據(jù)；比如，在圖4(a)已經(jīng)看到暫態(tài)殘壓變化在tk有拐點(diǎn)，也超過了閾值1 kV，據(jù)此就可以判斷故障的性質(zhì)了，不再追求重合閘tc時(shí)刻的計(jì)算精度，從而較大地簡化了計(jì)算，提高了故障辨識(shí)的速度，對(duì)工程應(yīng)用十分有益。

2)永久性故障試驗(yàn)

因永久性故障導(dǎo)致跳閘后的專用線接觸網(wǎng)電壓如圖4(b)所示，接觸網(wǎng)暫態(tài)殘壓的試驗(yàn)值為0；若取永久性故障通道的等值電阻Rk=0，則暫態(tài)殘壓的計(jì)算值也是0，兩者結(jié)果完全一致。

5　結(jié)　論

(1)永久性故障導(dǎo)致接觸網(wǎng)暫態(tài)殘壓快速趨于零值。瞬時(shí)性故障使接觸網(wǎng)具有一定數(shù)值的暫態(tài)殘壓，且呈指數(shù)衰減，故障消失前后的時(shí)間常數(shù)有所不同，衰減曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)。對(duì)接觸網(wǎng)的瞬時(shí)性故障性質(zhì)進(jìn)行判斷，需要應(yīng)用綜合判據(jù)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)表明，基于暫態(tài)殘壓的綜合判斷方法，能夠辨識(shí)永久性與瞬時(shí)性故障；暫態(tài)殘壓在拐點(diǎn)時(shí)刻的試驗(yàn)值與計(jì)算值的相對(duì)誤差為1.5%。由于本文方法在等值電路建立和計(jì)算推導(dǎo)過程沒有人為假設(shè)條件，辨識(shí)方法具有一定的普遍意義，能夠滿足工程應(yīng)用。

(2)在保障接地操作人員安全的前提下，用普通接地線進(jìn)行人工接地，可以模擬接觸網(wǎng)發(fā)生的永久性故障；在接地導(dǎo)線中串聯(lián)保險(xiǎn)絲、并采用2倍加長的絕緣桿人工接地方式，可以模擬接觸網(wǎng)發(fā)生的瞬時(shí)性故障。試驗(yàn)結(jié)果表明：本文方法可以有效辨識(shí)接觸網(wǎng)的故障性質(zhì)。

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