基于相量測(cè)量在高鐵供電故障分析中的應(yīng)用

劉昊

摘 要：高速鐵路牽引供電的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)是基于同步相量測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用，在高鐵牽引供電設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，供電調(diào)度能通過(guò)scada系統(tǒng)上傳到調(diào)度端的報(bào)文數(shù)據(jù)，快速分析判斷故障性質(zhì)，利用遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備切除故障設(shè)備，保證高鐵運(yùn)輸安全可靠。本文就相量測(cè)量數(shù)據(jù)在高鐵供電故障的分析判斷中的應(yīng)用做了簡(jiǎn)單介紹。

關(guān)鍵詞：相量測(cè)量;高速鐵路;供電調(diào)度;故障分析

中圖分類號(hào)：U238 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）20-0152-02

0 引言

隨著我國(guó)高速鐵路網(wǎng)絡(luò)大面積投入運(yùn)行，國(guó)家中長(zhǎng)期鐵路“八縱八橫”格局建設(shè)的陸續(xù)完成，中國(guó)的軌道交通事業(yè)翻開(kāi)了嶄新的一頁(yè)，當(dāng)下乘坐高鐵出行不僅成為國(guó)人的家常便飯，更是我國(guó)閃耀世界的一張金名片。涉及高速鐵路的新裝備、新技術(shù)也如排山倒海般地不斷投入到實(shí)際運(yùn)用中。

高速鐵路牽引網(wǎng)采用牽引變電所、分區(qū)所和AT所全并聯(lián)供電方式。各牽引變電所上行、下行饋線出口處分別設(shè)置電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)，配備有電力及牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)，電力及牽引供電設(shè)施納入供電調(diào)度遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控。

1 同步相量測(cè)量

牽引供電系統(tǒng)的電壓水平受電力機(jī)車低功率因數(shù)、牽引負(fù)荷的不對(duì)稱性、沖擊性以及電力系統(tǒng)的運(yùn)行方式和短路容量等因素影響，造成對(duì)牽引網(wǎng)的電壓損失計(jì)算復(fù)雜，且變化幅度大的特點(diǎn)。

牽引網(wǎng)的電壓變化（電壓降△U）為首端電壓U與末端電壓U′的相量差。

如圖1所示：j為功率因數(shù)角，θ為供電線路首端與末端的電壓相量角。

實(shí)際運(yùn)算中θ=arctan數(shù)值很?。ù蠹s在3°-5°之間），在工程計(jì)算中可以忽略不計(jì)，因此電壓降（電壓損失）的值約為△U=RIcosj+XIsinj。

在上述表達(dá)式中j為電流I和電壓U′的功率因素角，當(dāng)電流I超前電壓U′時(shí)即為容性，j<0（即取負(fù)值）;當(dāng)電流I滯后電壓U′時(shí)為感性，j>0（即取正值）。

在對(duì)牽引網(wǎng)參數(shù)進(jìn)行建立模型計(jì)算時(shí)，往往根據(jù)實(shí)際情況如線路的長(zhǎng)短和電壓等級(jí)等進(jìn)行綜合考慮，即用短線路還是中長(zhǎng)線路進(jìn)行參考建模。對(duì)于中長(zhǎng)線路（一般線路長(zhǎng)度大于80km小于250km時(shí)，線路中的充電電流不能忽略，必須考慮分布電容，也就是將一半的集中電容分布在線路兩端進(jìn)行建模）。

而對(duì)于目前高速鐵路采用的雙邊供電模式，其牽引供電網(wǎng)絡(luò)的供電臂（兩相鄰牽引變電所、變電所與分區(qū)所之間的距離）絕大多數(shù)均小于80km，且牽引網(wǎng)的標(biāo)稱電壓為25KV，我們可以參考用短線路進(jìn)行建模，也就是說(shuō)可以忽略掉線路電容對(duì)計(jì)算的影響，將單位長(zhǎng)度的線路阻抗與線路長(zhǎng)度相乘而獲得線路模型。如圖2所示。

即X（t）=Xsin（ωt+j）

上述表達(dá)式中X是幅值，j為相位角度。相量測(cè)量就是同時(shí)測(cè)量幅值和相位，幅值用電壓表和電流表測(cè)量，不同的時(shí)間參考點(diǎn)所讀取的相位值不同，所以，相量測(cè)量必須選擇統(tǒng)一的時(shí)間參考?；贕PS秒脈沖（統(tǒng)一時(shí)間參考）的相量測(cè)量能夠完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，實(shí)時(shí)記錄功能。正常的電路負(fù)載中r（電阻）是大于x（電抗）的，總阻抗主要由負(fù)載決定，有功分量大于無(wú)功分量，純電阻電路中阻抗角為零。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)總阻抗則取決于線路阻抗（線路阻抗中電抗（x）大于電阻（r），阻抗特性成感性，電壓超前電流）阻抗角增大，介于0°-90°之間。供電調(diào)度能通過(guò)相量測(cè)量上傳至調(diào)度端的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電壓電流數(shù)據(jù)和阻抗角度大小值進(jìn)行故障的快速分析判斷。

2 相量測(cè)量數(shù)據(jù)的分析判斷

高速鐵路接觸網(wǎng)故障停電時(shí)，供電調(diào)度員會(huì)立即對(duì)故障報(bào)文相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、判斷，優(yōu)先采用遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備快速切除供電線、F線等不影響接觸網(wǎng)送電的故障設(shè)備;做好高鐵負(fù)荷特性跳閘、變電所故障越區(qū)供電等應(yīng)急處置流程的應(yīng)用;正確采取接觸網(wǎng)最小單元停電、降弓通過(guò)等措施，最大限度地縮小停電范圍，壓縮停電時(shí)間、暢通運(yùn)輸秩序、滿足滯留列車供電條件。

2.1 T線瞬時(shí)金屬性接地故障的應(yīng)用

2月5日19：44，某變電所上下行211、214饋線斷路器跳閘，重合成功、動(dòng)作類型為電流速斷阻抗I段，上行TR故障，U=4.718kv，I=4807.983A，阻抗角度∠60.281°，故測(cè)距離0.505km。

根據(jù)相量測(cè)量數(shù)據(jù)，供電調(diào)度分析故障為金屬性短路接地，根據(jù)故測(cè)距離得到對(duì)應(yīng)公里數(shù)K1003+085，動(dòng)車組不需降弓，上下行首列動(dòng)車組在K1001+085至K1005+085限速80km/h，司機(jī)注意觀察運(yùn)行。后經(jīng)過(guò)安排供電人員巡視檢查發(fā)現(xiàn)在該供電區(qū)段10號(hào)桿有金屬絲狀物搭接隨后處理完畢恢復(fù)正常。

13時(shí)42分，某牽引變電所上下行211、214饋線斷路器跳閘，重合不成功，電流速斷，上行TR故障，U=4788.332V，I=7169.190A，阻抗角∠56.10°，故測(cè)距離1.638km。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和相量角度，供電調(diào)度分析：短路相位角在50～75度左右，電壓低于10000V，極有可能為金屬性接地短路故障，經(jīng)過(guò)查看列車運(yùn)行圖，發(fā)現(xiàn)有機(jī)車停在青X至樂(lè)X站之間，后經(jīng)過(guò)司機(jī)檢查和供電人員巡視發(fā)現(xiàn)機(jī)車受電弓被異物短接造成短路跳閘故障。

2.2 F線帶過(guò)渡電阻的接地短路故障的應(yīng)用

3月29日12：15，某變電所213饋線斷路器下行跳閘，重合閘失敗。動(dòng)作類型：阻抗II段動(dòng)作，F(xiàn)-R故障，跳閘數(shù)據(jù)：U=12600V、It=966A、If=959A，阻抗角34.5°、故測(cè)18.47km，對(duì)應(yīng)供電單元為區(qū)間23#桿。

根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，短路相位角在10～50度，短路電流、電壓在金屬性和高阻接地之間，供電調(diào)度迅速判斷疑似帶過(guò)渡電阻的接地短路。迅速通知供電檢修人員登乘動(dòng)車組巡視、外圍巡視，軌道車出動(dòng)準(zhǔn)備搶修。12：21列調(diào)反饋司機(jī)、車站未發(fā)現(xiàn)異常，12：23試送213斷路器成功（該供電臂供電線隔離開(kāi)關(guān)無(wú)法分?jǐn)?，無(wú)法直接切除F線）。12：34列調(diào)反饋該上行臂后續(xù)列車限速通過(guò)未發(fā)現(xiàn)異常。12：37列調(diào)反饋下行臂后續(xù)列車限速通過(guò)未發(fā)現(xiàn)異常，恢復(fù)常速。12：58供電工區(qū)檢修人員添乘動(dòng)車巡查供電設(shè)備可視部分無(wú)異常，13：30外圍巡查完畢，供電設(shè)備可視部分無(wú)異常。30日0：17-2：41，供電工區(qū)申請(qǐng)故障檢修，對(duì)跳閘供電臂進(jìn)行上網(wǎng)檢查，檢查發(fā)現(xiàn)編織袋短接該供電單元55#桿AF線懸式絕緣子，懸式絕緣子有燒傷痕跡，隨后當(dāng)場(chǎng)更換。

2.3 F線短時(shí)接地、絕緣部件瞬時(shí)閃絡(luò)（電擊小動(dòng)物）故障的應(yīng)用

某日9：35祁某變電所211、`212饋線斷路器跳閘重合成功，阻抗Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作，211母線電壓11.88KV、電流It：813A、If：711A，阻抗22.97Ω、阻抗角71.9°。212母線電壓10.95KV、饋線電流It：826A、If：2798A、阻抗14.55Ω、阻抗角69.5°。9：37祁某變電所211饋線斷路器第二次跳閘重合成功，212饋線斷路器重合失敗。阻抗Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作，211母線電壓11.63KV、電流It：825A、If：721A，阻抗22.72Ω、阻抗角72°。212母線電壓10.69KV、饋線電流It：836A、If：2836A、阻抗19.89Ω姆、阻抗角74.1°。故標(biāo)類型：212，F(xiàn)型故障，故標(biāo)測(cè)距與第一次跳閘相同。

供電調(diào)度根據(jù)跳閘參數(shù)綜合分析判斷為212饋線F線短時(shí)接地故障，結(jié)合兩次跳閘參數(shù)故障電壓在10KV左右，角度小于75°且第一次重合成功，故障可能是短時(shí)接地故障或飛鳥撞線。供電調(diào)度立刻告知列車調(diào)度上述情況且太谷某站（含）至祁某東站（含）間上行線路接觸網(wǎng)跳閘無(wú)電，命令該區(qū)段的動(dòng)車組降弓后試送電，下行線路首列按故標(biāo)指示位置前后兩公里限速80km注意運(yùn)行。9：40供電調(diào)度果斷遠(yuǎn)動(dòng)斷開(kāi)上行線F線隔離開(kāi)關(guān)后試送電成功并通知接觸網(wǎng)已恢復(fù)供電，且上行首列按故標(biāo)前后兩公里限速80km注意運(yùn)行。隨后供電調(diào)度通知祁某東牽引變電所及網(wǎng)電工區(qū)人員迅速巡視檢查設(shè)備，2小時(shí)后網(wǎng)電工區(qū)人員巡視發(fā)現(xiàn)祁某東至太某西間上行線335km+600m處F線下錨絕緣子有放電痕跡，支柱根部有只被電擊死的鳥。設(shè)備檢查完畢后未發(fā)現(xiàn)其余設(shè)備異常，F(xiàn)線隨后投入運(yùn)行，祁某東變電所212饋線恢復(fù)AT供電方式。

2.4 高鐵負(fù)荷特性跳閘的應(yīng)用

2018年12月10日14時(shí)13分，某牽引變電所212饋線斷路器跳閘，過(guò)電流動(dòng)作，14時(shí)15分手動(dòng)合閘成功（因下行供電臂有停電配合作業(yè)，自動(dòng)重合閘取消，詢問(wèn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)異常后送電成功），電壓26581V，電流1123A，電阻10歐，阻抗角9度，故判距離10.17km，對(duì)應(yīng)該供電單元54號(hào)桿。

供電調(diào)度通過(guò)數(shù)據(jù)分析，阻抗角在0-20°，電流在2500A以下，電壓20KV以上，判斷為負(fù)荷特性跳閘，處置要點(diǎn)為不降弓不限速不巡視檢查不影響正常動(dòng)車運(yùn)行。16時(shí)00分，供電車間巡檢人員反饋未發(fā)現(xiàn)異常。原因，當(dāng)時(shí)該牽引變電所212供電臂內(nèi)共有3列電力機(jī)車運(yùn)行，電流值為：1123A，超過(guò)過(guò)電流保護(hù)定值（1100A），多列機(jī)車瞬間同時(shí)加速取流，電流疊加，超出最大負(fù)荷能力，是造成212饋線保護(hù)裝置動(dòng)作跳閘的主要原因。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)目前高速鐵路牽引變電所斷路器跳閘，重合閘和強(qiáng)送電均不成功，接觸網(wǎng)或供電線、加強(qiáng)線斷線接地，絕緣子擊穿，隔離開(kāi)關(guān)處于分閘接地狀態(tài)下的分段絕緣器擊穿，機(jī)車故障（如機(jī)車瓷瓶擊穿），等較嚴(yán)重的弓網(wǎng)故障，以及斷路器跳閘后重合成功（試送電成功）的絕緣部件瞬間閃絡(luò)，電擊人或動(dòng)物等短時(shí)（瞬時(shí)）接地故障，基于相量測(cè)量的數(shù)據(jù)報(bào)文均能準(zhǔn)確的反饋到調(diào)度端，輔助調(diào)度員做出正確的應(yīng)急處置措施。確保高速鐵路供電可靠，最大限度壓縮停電時(shí)間，暢通運(yùn)輸秩序。

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