多股道站場牽引網(wǎng)故障定位方案研究

張 希，林國松，王 牣

0 引言

近年來，隨著我國電氣化鐵路建設(shè)的不斷推進，采用帶回流線的直供方式已占鐵路供電總比重的55%～65%。在電氣化鐵路網(wǎng)建設(shè)進程中，多股道站場接觸網(wǎng)線路的交匯點和分岔點不斷增加，且線路露天架設(shè)，運行環(huán)境惡劣，易發(fā)生故障[1]。站場股道發(fā)生短路故障將直接影響供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此及時確定多股道站場故障點位置對保障線路的正常運行具有重要意義。

目前，常用的故障測距原理主要包括電抗測距、AT吸上電流比、上下行電流比等方法[2]。采用AT供電或復(fù)線直供方式的簡單輸電線路發(fā)生短路時，常用上述方法作為理論基礎(chǔ)進行故障測距的研究。而對于采用帶回流線的直供方式的站場，尤其是具有3條線路以上的復(fù)雜站場的故障定位，上述故障測距原理并不能完全適用，現(xiàn)有的故障定位方案仍存在一些問題，如測距誤差較大，方案可行性小等。因此，對多股道站場的故障定位方案仍需進一步研究改進。

基于上述問題，本文對采用直供加回流的站場股道進行分組研究，通過電流大小定位故障股道，針對股道兩端架設(shè)的電流信息采集裝置，提出以電流比值為基礎(chǔ)對故障線路進行故障測距的計算方法，并利用Matlab/Simulink搭建仿真模型對方案進行可行性研究。

1 直供牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)

1.1 帶回流線的直供方式

對于采用帶回流線的直供方式的牽引供電系統(tǒng)，其線路主要由接觸線T、回流線N、鋼軌R組成[3]，如圖1所示。在帶回流線的直供系統(tǒng)中，回流線并聯(lián)架空在鋼軌側(cè)上方，組成一個回流系統(tǒng)，因此可以將回流線和鋼軌作為“回流線+軌道”系統(tǒng)，計算時可等效為一條接地線路[4，5]。

圖1 帶回流線的直接供電方式示意圖

根據(jù)文獻[3]關(guān)于復(fù)線牽引網(wǎng)阻抗的理論（Carson理論）可以得到對稱布置且末端相連線路的等值阻抗Z3計算式：

式中：Z1、Z2分別表示兩條線路各自的對地單位自阻抗，Z12表示兩條線路對地的單位互阻抗；r1、r2分別表示線路1、2的電纜直徑；n1、n2分別表示線路1、2的裂相數(shù)目；D1、D2、D12表示導(dǎo)線間的幾何均距；Dg為等值深度，都與大地電阻率相關(guān)，一般取值930 m。通過Carson理論計算出“回流線+軌道”系統(tǒng)等值阻抗及與接觸網(wǎng)相關(guān)的其他線路的阻抗參數(shù)。

1.2 接觸網(wǎng)線路分組

站場內(nèi)股道數(shù)目較多，且線路長度一般為1～2 km，距離相對較短，根據(jù)畢奧-薩伐爾定律，有

式中：B為磁感應(yīng)強度，I為電流，μ0為真空磁導(dǎo)率，a表示平行導(dǎo)線的間距。一般而言，正常運行時流過直供牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)線路的電流大約為500 A，2條線路中心間距約為6 345 mm，不同間距的平行導(dǎo)線相互之間的電磁干擾不同，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)線間距對磁感應(yīng)強度的影響

分析圖2發(fā)現(xiàn)：相距2～3個線路中心間距的2條導(dǎo)線間的磁感應(yīng)強度約為相距1個線路中心間距時的50%；當(dāng)2條平行導(dǎo)線相距4個線路中心間距以上時，線路之間的電磁影響極小，可忽略不計。

高壓輸電線路電流較小，且相距較遠的2根導(dǎo)線之間的互阻抗的數(shù)量級通常在0.01～0.1 Ω范圍。在牽引網(wǎng)額定電壓為25 kV的情況下，根據(jù)牽引網(wǎng)線路相關(guān)計算（式3）可知，相距較遠的2根導(dǎo)線之間的互阻抗對線路電壓、電流的影響幾乎可以忽略不計。

式中，?表示電流的相位角，單位長線路阻抗為Z=R+Xi，Q表示線路傳遞的無功功率。根據(jù)式（3）可知，相距較遠的2根導(dǎo)線之間的互阻抗對線路電壓、電流的影響幾乎可以忽略不計。

綜上分析，可將站場接觸網(wǎng)線路根據(jù)分岔點、交匯點和線路間距離的遠近情況進行分組研究，從而提高電抗測距法的計算精度。

多股道站場上行、下行距離較遠且末端未并聯(lián)，可不考慮上、下行接觸網(wǎng)-地回路的互阻抗對網(wǎng)壓的影響，將接觸網(wǎng)分成上行和下行兩部分分別進行考慮。將上行（或下行）分岔線路中起點和終點相距50 m以內(nèi)的2～3條線路視作1組，只考慮組內(nèi)相鄰線路-地回路的互阻抗，忽略不同組線路之間的互阻抗。

例如，某站場上行架設(shè)了5條接觸網(wǎng)線路（圖3），C、F兩點之間橫向距離約為50 m，可以看作為同一點。CD段和FD段相距較遠，不需要考慮兩條線路的互阻抗。最終可根據(jù)分岔位置不同將其分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3組線路進行研究分析，若AB段距離小于200 m，可考慮不對Ⅲ組進行測距。

圖3 多股道站場上行接觸網(wǎng)分段、分組示意圖

當(dāng)輸電線路發(fā)生短路故障時，可先判斷出故障點所在股道，再利用股道上的電流信息計算出故障點的位置。

1.3 故障信息采集裝置分布

由于站場內(nèi)股道數(shù)目較多，對故障線路定位判斷也更加復(fù)雜。當(dāng)某線路發(fā)生短路故障時，該線路左右兩端檢測到的電流大小相差較大?？梢酝ㄟ^在股道兩端距上網(wǎng)點幾米內(nèi)的位置安裝線路采集裝置用于判斷電流方向。當(dāng)某一股道發(fā)生故障時，該線路左端電流將明顯大于右端電流，通過比較電流大小得到故障點所在股道。

根據(jù)站場股道的分岔點和交匯點設(shè)置采集裝置（圖4），在分岔點后的每條線路和交匯之前的每條線路上分別安裝采集裝置。文獻[1]提出了通過采集站場股道接觸網(wǎng)承力索的電流電壓數(shù)據(jù)，快速準確判定出故障股道的方案。根據(jù)該方法，對于股道距離通常在2 km左右的站場，線路單位長度自阻抗約為Z1= 0.145 + 0.400i，正常運行時線路兩側(cè)電流差幾乎為0。故障點在線路中部時，線路兩側(cè)電流差ΔI1與線路其他點發(fā)生故障時的電流差ΔI2相比，ΔI1明顯小于ΔI2，此時結(jié)合線路電流作為判斷依據(jù)，降低誤判的可能性。為避免外界因素造成電流故障誤判，假設(shè)線路兩端采集到的電流分別為I1、I2，當(dāng)I1、I2均大于800 A且電流增量|ΔI|≥450 A時，或當(dāng)I1或I2小于800 A且電流增量|ΔI|≤450 A時，認為該股道發(fā)生短路故障。

圖4 線路采集裝置安裝示意圖

以某多股道站場為例（圖5），在每條線路的A、B兩點右側(cè)，C～E點左側(cè)分別安裝電流采集裝置，根據(jù)線路始、末兩端的電流差，判斷發(fā)生短路故障的股道。

圖5 多股道站場接觸網(wǎng)示意圖

對于分岔點B左側(cè)的電流方向，可根據(jù)B點右側(cè)的2個采集裝置進行判斷，若通過B點右側(cè)的采集裝置得到的電流之和與A點測得的電流之差滿足要求，則說明AB段發(fā)生故障。確定故障點是否在交匯點C、E右側(cè)兩段的方法與AB段類似。

確定故障點所在股道后，通過電流比值得到故障距離，綜合股道信息與距離計算信息得到故障點所在位置。

2 站場股道故障測距

2.1 直供牽引網(wǎng)故障測距原理

根據(jù)不同工況和不同短路方式選擇不同的測距原理，目前常用的故障測距方法的原理及其適用場合見表1[6～8]。

表1 故障測距原理及適用供電方式

從表1可以看出，電抗測距法和上下行電流比法均適用于對帶回流線的直供牽引供電系統(tǒng)的站場進行故障測距。

目前，對于直接供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)故障測距普遍采用電抗法[9]。電抗法相對其他方法更簡單可靠，但存在測距精度不準的問題[8]。上下行電流比法是通過下行饋線電流與上下行饋線電流之和的比值進行測距[6]，該方法只適用于復(fù)線條件且分區(qū)所并聯(lián)供電模式，多用于AT供電方式下的T線、TF線故障。由于多股道站場線路復(fù)雜，僅依靠上下行饋線電流無法實現(xiàn)對多條線路的故障測距，但是可以通過類似方法對多個點的電流進行測量、比較，實現(xiàn)故障測距。

綜上分析，本文以上下行電流比法[6]為基礎(chǔ)思路，提出通過股道的電流比值實現(xiàn)多股道站場故障測距的方法。

2.2 電流比值法測距

針對帶回流線直供方式的多股道站場，可通過線路電流之間的比值關(guān)系進行牽引網(wǎng)故障測距。本文以某站場接觸網(wǎng)（圖5）為例，假設(shè)所有線路均為均勻傳輸線，對多股道站場進行故障測距計算。

某條線路發(fā)生短路故障時，故障點左右兩側(cè)電流大小相差較大，外部電流也會影響電流比值。規(guī)定電流流向以電流從電源側(cè)（左）流向非電源側(cè)（右）為正方向，線路發(fā)生故障時，線路右側(cè)電流方向變?yōu)樨撓?。假設(shè)圖5—圖8中所有電流方向均為正，由于電流總是從電源側(cè)流向短路點，確定某條線路發(fā)生短路故障后，線路故障點右側(cè)的電流是從線路右端流向故障點，與規(guī)定的電流方向相反，取負值。

圖中，I01、I02表示外部電流，I11、I12、I21、I22、I2、I3、I42表示線路采集裝置采集到的電流。

（1）2條股道一組。站場內(nèi)某條線路發(fā)生如圖6所示故障時，利用線路右側(cè)電流減小外部電流I02對距離計算的影響，通過分析電流、電壓關(guān)系得到

式中，Z0表示線路單位阻抗。線路發(fā)生故障時，I12、I02電流方向與圖示方向相反，取負值。

化簡式（5）得到故障距離為

圖6 多股道線故障電路

（2）3條股道一組。與上述方法類似，當(dāng)3股道一組的接觸網(wǎng)發(fā)生線路短路故障①時，故障距離l可以通過任一非故障股道流過的電流計算得到。通過電流I21計算得到

圖7 多股道線路故障電路

其中，I12方向與圖示方向相反。

通過電流I3計算得到

其中，I12方向與圖示方向相反。

由于故障線路不在對稱軸上（故障點②），非故障線路上流過的電流I21和I3不相等，為減小誤差，取計算結(jié)果的平均值作為故障測距結(jié)果，即

其中，I12方向與圖示方向相反。

同樣方法對故障線路在對稱軸上進行分析，此時非故障線路I11=I3，可得到

其中，I22方向與圖示方向相反。

通過上述分析發(fā)現(xiàn)，3股道一組的線路無論故障線路是否位于對稱軸，都可用式（11）進行故障測距計算，式中故障線路右側(cè)電流取負值。

（3）股道末端交叉合并。圖8所示站場只在點①發(fā)生短路故障，與本小節(jié)第（2）種情況所提到的計算方法類似，故障點①的位置可通過I21或I3計算得到，取2種計算結(jié)果的平均值作為測距計算式，從而減小測距誤差：

式中，故障時I12、I02電流方向與圖示方向相反，取負值。

圖8 多股道線路故障電路

當(dāng)該站場上只在點②發(fā)生短路故障時，與上述計算方法相似，在此不做過多描述。

該站場上只在點③發(fā)生短路故障時，方法同上。此時I42、I02電流方向與圖示方向相反，取負值。由于該組線路不對稱，需要通過不同計算數(shù)值求取平均值得到故障點位置：

本節(jié)通過對多種類型的多股道線路進行分析、計算，當(dāng)站場某組股道接觸網(wǎng)發(fā)生故障時，選取對應(yīng)的計算方法實現(xiàn)較高精度的故障測距。

3 故障測距原理仿真

本文以某多股道站場模型（圖5）進行故障測距方案的研究，并搭建該站場Simulink仿真模型。

該站場接觸網(wǎng)線路各段長度參數(shù)如表2所示。

表2 接觸網(wǎng)線路距離 m

根據(jù)表2看出，AB、EC兩段中的2條股道相鄰，需考慮線路間的互阻抗；A、B兩點相距不超過200 m，只需判斷該股道上是否發(fā)生短路故障，不需要進行故障測距；CD段所涉及的2條股道相距較遠，長度在100 m以內(nèi)，無需考慮線路間的互阻抗，也不用進行故障測距的計算。

根據(jù)股道分岔、交匯位置不同可將該站場牽引網(wǎng)分為3組：Ⅰ組（下行1、3股道）、Ⅱ組（上行2、4股道BC段）、Ⅲ組（上行6、8、10股道BE段、上行8股道EC段）。

該站場的牽引網(wǎng)阻抗參數(shù)如下：

（1）雙線路并聯(lián)阻抗參數(shù)：

根據(jù)站場牽引網(wǎng)阻抗參數(shù)搭建Simulink仿真模型，對多股道站場的故障測距方法進行驗證。

站場故障測距流程見圖9。通過電流差值判斷出故障點所在股道后，根據(jù)該組股道的模型選擇相應(yīng)的故障測距原理，調(diào)用該組股道的短路電流信息進行故障距離計算，最終定位故障點。下文以表格形式列出多股道站場故障測距的仿真結(jié)果。

圖9 站場故障測距流程

表3 Ⅰ組股道故障定位仿真結(jié)果 km

表4 Ⅱ組股道故障定位仿真結(jié)果 km

表5 Ⅲ組股道故障定位仿真結(jié)果 km

通過仿真發(fā)現(xiàn)，大部分故障測距誤差在10 m以內(nèi)，故障點靠近線路左端時，最大誤差在50 m左右，小于線路長度的5%。目前工程上對于幾公里到幾十公里的線路，故障測距精度要求在500 m米或10%以內(nèi)。本文研究的站場模型雖然距離較短，但誤差在線路長度的5%以內(nèi)，因此可以認為本文所提出的故障定位方案效果較為理想。

對于部分故障點的測距誤差為0的情況，其主要原因：（1）線路較短，且仿真模型相對理想，不存在外界環(huán)境對測距結(jié)果的影響；（2）數(shù)據(jù)單位為km，計算結(jié)果只保留小數(shù)點后3位，經(jīng)四舍五入后認為誤差小于1 m的為0誤差。

結(jié)合仿真結(jié)果和上述分析發(fā)現(xiàn)，可以通過電流比值法進行多股道站場故障測距，且該方法對于帶回流線的直供站場的多股道故障測距方法來說，精度較高，在100 m以內(nèi)。

4 結(jié)語

本文針對帶回流線的直供牽引供電系統(tǒng)的多股道站場牽引網(wǎng)提出故障定位方案。從信息采集裝置安裝、故障股道判斷和電流比值法測距3個方面進行研究，將上述3項內(nèi)容組合，針對站場牽引網(wǎng)具體線路選擇相應(yīng)的計算模型，最終實現(xiàn)站場牽引網(wǎng)的故障測距。通過仿真模型的模擬發(fā)現(xiàn)，在多股道站場模型中，利用同一組線路的電流進行比值運算，得到的測距誤差較小。本文通過對站場牽引網(wǎng)模型研究，提出的故障定位方案可大大提高多股道站場牽引網(wǎng)故障的測距精準度，縮短故障搶修時間，進一步保障了鐵路的運輸安全和通暢。