高速鐵路接觸網(wǎng)分布式故障診斷技術(shù)研究

章來勝

(中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 供電部, 上海 200071)

《輸電線路分布式故障診斷系統(tǒng)》(GB/T 35721—2017)由國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家標(biāo)準(zhǔn)化委員會于2017年12月29日發(fā)布，2018年7月1日實(shí)施的標(biāo)準(zhǔn)。分布式故障診斷系統(tǒng)在電力行業(yè)逐步推行。鐵路供電系統(tǒng)目前沒有成熟運(yùn)用經(jīng)驗，還未建立相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和體系。

目前，鐵路牽引供電系統(tǒng)故障診斷系統(tǒng)采用繼電保護(hù)方式，采取電抗法、上下行電流比法、吸上電流比法等進(jìn)行故障測距，一般要求故障測距誤差500 m范圍內(nèi)，左右共計1 000 m，搶修人員查找故障點(diǎn)困難，耗費(fèi)天窗時間和人力較多，延誤故障查找和應(yīng)急處置。根據(jù)《鐵路技術(shù)規(guī)程》(高速鐵路)接觸網(wǎng)跳閘重合閘成功后，后續(xù)首趟高鐵列車在故標(biāo)指示前后2 km范圍內(nèi)限速80 km/h運(yùn)行，司機(jī)注意觀察接觸網(wǎng)情況，如果故標(biāo)誤差大于2 km，超過限速范圍，對高速運(yùn)行通過故障點(diǎn)的動車組帶來巨大安全風(fēng)險。

研究分布式故障診斷技術(shù)，精準(zhǔn)故障定位，精確故障性質(zhì)，提高故障診斷針對性，指導(dǎo)安全生產(chǎn)，具有現(xiàn)實(shí)需求。

1 分布式故障診斷

高速鐵路接觸網(wǎng)分布式故障診斷是由分布安裝在牽引變電所、AT所、AT分區(qū)所等供電線上的監(jiān)測終端，不間斷監(jiān)測接觸網(wǎng)工頻電流、電壓，當(dāng)接觸網(wǎng)故障引起牽引變電所斷路器跳閘時，監(jiān)測終端進(jìn)行故障行波錄波，通過技術(shù)計算，精準(zhǔn)定位接觸網(wǎng)故障點(diǎn)，精確辨識故障原因。

2 診斷技術(shù)分析

(1)監(jiān)測終端

監(jiān)測終端(如圖1所示)外形成圓柱狀，直徑150 mm，長度300 mm，總質(zhì)量6.3 kg，由上下兩個半圓柱體合并而成，工作電源采取耦合取電方式，耦合取電正常工作電流范圍為30～2 000 A。監(jiān)測終端具有接觸網(wǎng)故障行波信號的檢測與采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信、自檢和自恢復(fù)、軟件升級功能蔽等功能。設(shè)備為獨(dú)立電位安裝，無高低電位的連接問題，也無其他較長引線，不會出現(xiàn)連接高低電位的隱患，免維護(hù)，預(yù)計壽命15年以上。

圖1 監(jiān)測終端設(shè)備

(2)定位原理

高速鐵路接觸網(wǎng)線路發(fā)生故障產(chǎn)生的行波電流在故障點(diǎn)向兩邊傳播，基于接觸網(wǎng)線路兩端同步采集的行波信號(見圖2)，利用雙端行波定位原理，當(dāng)行波電流到達(dá)監(jiān)測A、B端時，對應(yīng)時刻分別為t1和t2，則傳播時間差為δt=∣t1-t2∣，因此故障點(diǎn)到A監(jiān)測端的距離L1為：

圖2 行波定位原理

其中L為兩監(jiān)測終端線路總長，v為行波電流在接觸網(wǎng)線路中的傳播速度。

(3)故障判斷

分布式診斷系統(tǒng)判斷高速鐵路接觸網(wǎng)發(fā)生故障且繼電保護(hù)啟動動作的依據(jù)：電壓降低，并最終降為0 V；產(chǎn)生短路電流，并在分閘時降為0 A。

圖3 故障電流、電壓波形示例

(4)行別與相別判斷

根據(jù)故障行波電流方向(見圖4)，可知：故障發(fā)生在牽引變電所、AT所、AT分區(qū)所的行波電流流向相同行別；同理，故障發(fā)生在牽引變電所、AT所、AT分區(qū)所的行波電流流向相同相別(T/T相)。

圖4 電流流向

例如，當(dāng)故障發(fā)生在上行T相時，牽引變電所、AT所、AT分區(qū)所的上行T相行波電流流向相同，下行或F相行波電流流向相反。

(5)校驗波速與初定位

使用默認(rèn)波速(290 m/us)通過變電所與分區(qū)所的波形初步計算故障點(diǎn)位置，再使用非故障區(qū)段兩端波形反算出線路實(shí)際波速(見圖5)。

圖5 初定位示意圖

(6)精確定位

分別使用變電所、AT所、分區(qū)所監(jiān)測到的行波進(jìn)行精確定位，選取兩端波形時間差最小的診斷結(jié)果作為最終定位結(jié)果(見圖6)。

圖6 精確定位示意圖

(7)故障原因辨識

先用小波變換原理將監(jiān)測到的故障波形分解為不同頻率波段的波形，再用FFT(Fast Fourier Transformation快速傅氏變換)對故障波形進(jìn)行加工分解，獲取不同頻率波段信號的中心頻率與最大幅值，將歷史波形案例在不同頻率段的最大幅值學(xué)習(xí)形成故障原因集合需要通過試驗或?qū)嶋H故障建立集合，根據(jù)故障波形的中心頻率與最大幅值，映射到故障原因集合，對應(yīng)映射點(diǎn)落入置信區(qū)間為故障原因。

3 試驗驗證

2018年10月新建杭州至黃山鐵路聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間，在接觸網(wǎng)短路試驗項目同步開展了高速鐵路接觸網(wǎng)分布式故障診斷系統(tǒng)試驗驗證。在杭黃鐵路建德東牽引變電所、廷章AT所、文昌西AT分區(qū)所T/F相供電線上安裝監(jiān)測終端(見圖7和圖8)。

圖7 杭黃鐵路建德東—文昌西接觸網(wǎng)分布式診斷示意圖

圖8 供電線上安裝的監(jiān)測終端實(shí)物圖

短路試驗采用金屬性接地試驗、非金屬性接地試驗(樹枝和小動物)類型，在供電臂第1 AT段和第2 AT段共計進(jìn)行7次短路試驗。根據(jù)現(xiàn)場設(shè)備采集波形計算故障點(diǎn)位置，與實(shí)際故障點(diǎn)對比，見表1所示。

通過高速鐵路接觸網(wǎng)分布式故障診斷系統(tǒng)定位的故障點(diǎn)位置與實(shí)際試驗設(shè)置的故障點(diǎn)位置吻合，平均定位誤差在100 m(2兩個接觸網(wǎng)跨距)以內(nèi)；系統(tǒng)對于不同接地方式的故障具有良好的適應(yīng)性，其定位精度不受接地方式的影響；故障原因辨識基本能夠有效區(qū)分接觸網(wǎng)上發(fā)生的故障類型，更精細(xì)的故障原因辨識方法尚需數(shù)據(jù)積累。

第1次試驗診斷分析(117#支柱(K156+39)F相金屬性接地)

(1)故障判斷

2018-10某時間段，杭黃鐵路5113供電單元變電所、AT所、分區(qū)所均監(jiān)測到故障電流、電壓波形(如圖9所示)。故障電壓波形出現(xiàn)降低，并最終分閘到0 V；故障電流波形出現(xiàn)明顯的短路電流，并在分閘時歸0 A。

圖9 建德東牽引變電所監(jiān)測終端監(jiān)測的電流、電壓波形

表1 計算和實(shí)際故障點(diǎn)位置對比

(2)相別與行別判斷

根據(jù)監(jiān)測到的建德東牽引變電所、廷章AT所、文昌西AT分區(qū)所T/F相電流波形(見圖10)，T線變電所與AT所、分區(qū)所電流方向相反；F線變電所與AT所、分區(qū)所電流方向相同，所以故障發(fā)生在F線上。

圖10 T線變電所與AT所、分區(qū)所電流及F線變電所與AT所、分區(qū)所電流

(3)精確定位過程

使用默認(rèn)波速，牽引變電所與分區(qū)所行波初步定位在分區(qū)所附近；使用牽引所與AT所校驗得到實(shí)際波速為296 m/us。使用時間差最小的兩個波形(AT所與分區(qū)所)進(jìn)行精確定位得到故障點(diǎn)位置為距離文昌分區(qū)所上網(wǎng)點(diǎn)的117#支柱約25 m(誤差25 m)，見圖11。

圖11 精確定位計算

(4)故障原因辨識

選取故障點(diǎn)最近的故障行波波形(分區(qū)所)，通過小波變換原理、FFT變化將監(jiān)測到的故障波形分解為0～62.5～125～187.5～250 kHz 4個頻率波段的波形，同時獲取不同頻率波段信號的中心頻率與最大幅值(如圖12所示)，映射到故障原因集合，對應(yīng)映射點(diǎn)落入金屬95%置信區(qū)間(如圖13所示)，其故障性質(zhì)為金屬性接地。

圖12 不同頻率波段信號的中心頻率與最大幅值

4 故障診斷實(shí)例

2018年4月在滬寧城際鐵路無錫東牽引變電所供電臂上應(yīng)用了分布式診斷系統(tǒng)，在牽引變電所、AT所、AT分區(qū)所供電線上分別安裝了行波監(jiān)測裝置。2019年4月30日某時刻，分布式診斷系統(tǒng)監(jiān)測到滬寧城際609供電單元故障行波，判斷接觸網(wǎng)發(fā)生故障跳閘，經(jīng)過系統(tǒng)計算，故障公里標(biāo)為K113.11808，故障具體位置為無錫新區(qū)站37#支柱。接觸網(wǎng)設(shè)備運(yùn)營維護(hù)單位上海高鐵維修段常州綜合工區(qū)天窗點(diǎn)巡查故障點(diǎn)，實(shí)際故障點(diǎn)為37#～39#跨中，因無錫新區(qū)3道雨棚鋁質(zhì)封邊條從固定處脫落后短接3道承力索，造成接觸網(wǎng)跳閘，重合閘成功。分布式故障診斷定位誤差接近0。無錫東牽引變電所故障測距裝置通過吸上電流比法計算給出的故標(biāo)指示位置為K111+456(區(qū)間)，故標(biāo)誤差1 660 m。

圖13 故障原因集合

(1)故障相別分析

由無錫東609供電單元變電所、AT所、分區(qū)所位置設(shè)備監(jiān)測的合并工頻電流主波極性相同，可判定本次故障為T線故障，見圖14。

(2)故障點(diǎn)位置分析

線路發(fā)生跳閘，故障點(diǎn)電流行波從故障點(diǎn)傳到AT所與故障點(diǎn)傳到無錫東變電所差為ΔT為99.5 μs，因此可判斷故障點(diǎn)距離牽引所設(shè)備安裝點(diǎn)為7.21 km，由于牽引所安裝設(shè)備距上網(wǎng)點(diǎn)(K106.605)距離為0.69 km，所以故障點(diǎn)距離上網(wǎng)點(diǎn)為6.52 km，對應(yīng)公里標(biāo)為K113.118，對應(yīng)支柱為無錫新區(qū)站37#，見圖15。

圖14 無錫東609供電單元牽引所、AT所、分區(qū)所故障工頻電流

圖15 行波電流

新區(qū)站位置=(L-v×ΔT)/2=7 210(m)

L為無錫東牽引所到AT所距離

v=290 m/us

(3)故障類型分析

由于雷電流能量很大、衰減較快，所以雷電流幅值較大、主波脈寬較窄。本次故障主波脈寬≥20 us、電流行波幅值≤200 A，因此本次故障可判定為非雷擊故障，波形見圖16。

5 結(jié)束語

分布式診斷技術(shù)完全不依賴傳統(tǒng)繼電保護(hù)，徹底與之分離。分布式診斷終端安裝在供電線上，避開接觸網(wǎng)接觸線或承力索，不屬于高鐵軌旁設(shè)備范疇，簡單易行，安全可靠。通過試驗和運(yùn)行實(shí)踐，分布式故障診斷技術(shù)定位誤差在100 m范圍內(nèi)(左右2個跨距)，不但提高查找故障精準(zhǔn)度、針對性，而且基本消除故標(biāo)誤差大引起的高鐵列車安全風(fēng)險，對高速鐵路接觸網(wǎng)運(yùn)行安全和故障診斷技術(shù)發(fā)展具有重要意義。