接觸網(wǎng)故障測距實現(xiàn)方案分析

常寶波，隋佳斌，程詠斌

（1.廣州市揚新技術研究有限責任公司，廣州 510540；2.佛山市鐵路投資集團運營事業(yè)總部，廣東 佛山 528000；3.廣州市世科高新技術有限公司，廣州 510540）

0 引言

地鐵對于改善城市公共交通壓力效果明顯，目前我國很多大城市都在大力興建地鐵。實際運行中的地鐵絕大多數(shù)故障是接觸網(wǎng)故障［1］，其主要有兩種短路故障類型，即接觸網(wǎng)對鋼軌（正極對負極故障），接觸網(wǎng)對地（正極對地故障）［2］。接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)是地鐵運行的重要組成部分，也是最薄弱的部分，因此接觸網(wǎng)是地鐵運行穩(wěn)定性、安全性的關鍵所在。如何確保地鐵直流牽引網(wǎng)的安全和穩(wěn)定運行，在故障后地鐵維修人員能夠迅速查找故障點，進而恢復正常供電，減小停運帶來的損失，就顯得十分重要。但到目前為止，我國還沒有實際運行的用于地鐵故障定位的裝置［3］，基本都是停留在仿真驗證階段［4－5］。雖然通過仿真驗證了所提方法較之于實際中的故障測距精度更高，但仿真中都沒有考慮大小雙邊切換供電方式的測距問題，并且大多都不是實時計算出故障距離的，應用起來困難、復雜、成本高。為改善目前故障測距方法的不足，本文結合地鐵大小雙邊供電方式以及現(xiàn)有繼電保護測控裝置的特點，提出了利用直流饋線保護裝置來實現(xiàn)兩種適應大小雙邊切換供電方式的接觸網(wǎng)短路故障測距方案。提出該方案的目的在于探討接觸網(wǎng)短路故障測距，為接觸網(wǎng)短路故障測距的具體實施做好技術準備。

1 地鐵直流供電系統(tǒng)特點

地鐵直流供電系統(tǒng)的特點是大小雙邊切換的供電方式。地鐵直流牽引供電系統(tǒng)一般是24脈波直流供電，電壓為±1 500 V或±750 V左右［6］。在國內(nèi)，DC1 500 V電流經(jīng)饋線，通過接觸網(wǎng)向電客車供電，并將上下行鋼軌全并聯(lián)作為回流導體，不另外假設回流線。這樣的供電方式導致供電電壓低，通過將上下行接觸網(wǎng)并聯(lián)雙邊供電的方式向電客車供電。現(xiàn)階段，地鐵通常采用大小雙邊切換供電方式供電。其特點是分為兩種供電方式，即直流牽引供電系統(tǒng)正常運行的供電方式和牽引變電所因故障退出運行時的供電方式。

雙邊供電原理如圖1所示，是直流牽引供電系統(tǒng)正常運行的供電方式，即小雙邊供電。虛框內(nèi)的隔離開關全部斷開，其余的斷路器、隔離開關均閉合，機車獲取的電流大部分來自相鄰兩側的牽引變電所。

圖1 雙邊供電原理

牽引變電所因故障退出運行時，則實行大雙邊供電。故障變電所的縱向開關均斷開，橫向隔離開關均閉合，其余變電所的縱向開關均閉合，橫向隔離開關均斷開。機車接受故障變電所相鄰兩側變電所的供電電流。大雙邊供電原理如圖2所示。

圖2 大雙邊供電原理

2 接觸網(wǎng)短路故障分析

城市軌道交通直流供電系統(tǒng)的電流經(jīng)過饋線開關、饋線電纜、上網(wǎng)隔離開關到達接觸網(wǎng)上，再通過機車上的受電弓到達列車，經(jīng)過鋼軌、回流線回到負極。由于供電電壓高，供電電流形成的回路復雜，涉及的設備多，因此，接觸網(wǎng)短路故障的原因多種多樣，總體上可以分為以下兩種類型。

（1）接觸網(wǎng)對鋼軌短路故障

這種類型的故障也可以稱為正極對負極短路故障。當發(fā)生接觸網(wǎng)斷線掉落到鋼軌上、機車頂部對接觸網(wǎng)放電、接觸網(wǎng)錯誤掛接地線等情況時，接觸網(wǎng)便對鋼軌發(fā)生短路故障。短路電流非常大，可達幾萬A，這會使直流開關大電流脫扣保護瞬間動作，DDL—Delta—I也會啟動。造成城市軌道交通因接觸網(wǎng)短路故障導致沒有供電電流而停止運行。

（2）接觸網(wǎng)對大地短路故障

接觸網(wǎng)對大地短路故障也可以稱為正極對大地短路故障。產(chǎn)生此種故障的原因有很多，主要有接觸網(wǎng)直接接地；絕緣子擊穿、折斷；接觸網(wǎng)對架空地線放電。

接觸網(wǎng)對大地短路故障不會引起相應保護設備動作。故障時，電流持續(xù)性地流入大地，如果不及時清除，很容易將故障擴大，故障電流通過綜合接地裝置、鋼軌與地之間的泄漏電阻到負極的短路故障，將會對直流設備造成嚴重燒損，甚至更大的破壞性。

3 接觸網(wǎng)檢測故障現(xiàn)狀技術分析

到目前為止，市面上還沒有成熟的接觸網(wǎng)短路故障測距裝置。當接觸網(wǎng)短路故障發(fā)生時，需要先手動重合閘，以判斷出故障的類型，再進行人工沿鋼軌路徑尋找短路故障點，或者直接進行人工沿鋼軌尋找短路故障點。

手動重合閘成功時，表明故障是由接觸網(wǎng)短時閃絡或接觸網(wǎng)斷開直接接地造成的。此時，可以判定是接觸網(wǎng)對鋼軌短路故障。

手動重合閘不成功時，表明故障是由接觸網(wǎng)對地短路而造成的。

這樣檢測故障的確定在于，手動進行重合閘時，雖然時間短，在合閘的時候，短路處照樣會產(chǎn)生大電流，會對連接設備造成嚴重的損壞，甚至威脅到正在線上檢測接觸網(wǎng)人員的生命安全。從地鐵公司的角度來看，這種方法顯然不適合接觸網(wǎng)短路故障的檢測。

本文提出的接觸網(wǎng)短路故障檢測技術是在短路器斷開之前就能檢測到故障點，這樣就避免了因檢測故障進行重合閘而帶來的經(jīng)濟損失以及人身安全威脅等等。

4 接觸網(wǎng)短路故障測距方案

接觸網(wǎng)對鋼軌短路故障的測距等效原理如圖3所示。圖中，Reqm、Leqm和Reqn、Leqn分別為m、n兩端整流機組等效內(nèi)電阻和等效內(nèi)電感；Ueqm、Ueqn分別為m、n兩端供電電源；Rc、Lc和Rr、Lr分別為供電區(qū)間接觸網(wǎng)和鋼軌等效電阻、電感。

圖3 接觸網(wǎng)對鋼軌短路故障測距等效原理

短路故障測距公式為：

接觸網(wǎng)對地短路故障的測距等效原理如圖4所示。圖中，Reqm、Leqm和Reqn、Leqn分別為m、n兩端整流機組等效內(nèi)電阻和等效內(nèi)電感；Ueqm、Ueqn分別為m、n兩端供電電源；Rc、Lc分別為供電區(qū)間接觸網(wǎng)等效電阻、電感。

圖4 接觸網(wǎng)對地短路故障測距等效原理

短路故障測距公式為：

針對上述的兩種短路故障及其測量原理，對測距方案的要求主要有以下兩點。

（1）采集數(shù)據(jù)的同步性。根據(jù)兩個故障測距原理，可知所需采集量必須是同步數(shù)據(jù)。所需數(shù)據(jù)多，式（1）為6個，式（2）為4個，且分布在測量區(qū)間兩端，對于DCR150的數(shù)據(jù)收集是非常困難的。

（2）采集數(shù)據(jù)的實時性。接觸網(wǎng)短路故障發(fā)生后，在60 ms內(nèi)，供電系統(tǒng)的斷路器要斷開，故而，對于方案的時間要求非常高。

可以設計出兩種同時滿足兩種短路測距原理的故障測距方案。一種是電氣量是基于電纜傳輸?shù)?，如圖5所示；一種是電氣量基于光纖傳輸?shù)?，如圖6所示。

圖5 基于電纜傳輸接觸網(wǎng)短路故障測距方案

圖6 基于光纖傳輸接觸網(wǎng)短路故障測距方案

本文所提出的短路故障測距方案包括以下3種設備：

（1）雙邊聯(lián)跳裝置（以下簡稱：FMT100），用于實現(xiàn)地鐵供電系統(tǒng)大小雙邊切換時，兩個站之間電氣量、開關量的傳遞；

（2）直流變送器裝置（以下簡稱：DCS100），用于采集線路的電氣量，并通過光纖或電纜將電氣量信息傳遞給其他裝置；

（3）直流繼電保護測試儀（以下簡稱：DCR150），用于計算故障點的裝置。

兩種方案均需要6臺雙邊聯(lián)跳裝置，8臺直流變送器裝置，8臺直流繼電保護測控裝置，具體配置如圖5～6所示。

基于電纜傳輸接觸網(wǎng)短路故障測距方案，如圖5所示，DCS100采集完間隔中的電流、電壓，將電氣量信號通過電纜傳輸給DCR150，DCR150與FMT100之間，以及FMT100之間通過光纖傳遞電氣量數(shù)字信息。

這種方案要求DCR150處理的采集信號必須是同步的，可以在DCR150中需要添加數(shù)據(jù)信號的同步處理算法，如乒乓法，其原理如圖7所示。將直流變送器選擇為時間基準終端并設置為主站。與之直接連接的另一接觸網(wǎng)上的直流牽引保護測控裝置設置為子站。主子站是為了采樣時間同步的方便而設置。時間同步利用一個數(shù)據(jù)幀接收時間執(zhí)行。為了執(zhí)行子站的時間同步，主站將時間信號發(fā)到子站并且子站的采樣時間與子站接收時間同步。

圖7 乒乓算法原理

基于光纖傳輸接觸網(wǎng)短路故障測距方案，如圖6所示，DCS100采集完間隔中的電流、電壓，將電氣量信號通過光纖傳輸給DCR150，DCR150與FMT100之間，以及FMT100之間通過光纖傳遞電氣量數(shù)字信息。

這種方案要求DCR150處理的采集信號也必須是同步處理的，可以在直流變送器中添加GPR對時器，在DCR150中添加相應的數(shù)據(jù)解析算法。

上述兩種故障測距方案對采集數(shù)據(jù)的實時性要求高，電纜和光纖的信息傳輸速度能滿足DCR150對數(shù)據(jù)處理的要求。

上述兩種接觸網(wǎng)短路故障測距方案均能滿足接觸網(wǎng)短路故障測距要求。方案有如下優(yōu)點：

（1）具有實時性、同步性的特點；

（2）本方案所使用的裝置是已在地鐵運行多年而未出錯的裝置，故其測量穩(wěn)定性、準確性是可以保障的；

（3）所使用的裝置是在原有的裝置上進行改造的，故本方案實現(xiàn)簡單；

（4）使用的裝置是現(xiàn)有的裝置，故而花費少。

5 結束語

本文針對地鐵供電系統(tǒng)大小雙邊切換供電的特點，分析了接觸網(wǎng)對鋼軌、對地故障、接觸網(wǎng)中電流情況，提出了能夠同時解決大小雙邊供電方式時接觸網(wǎng)對鋼軌、地短路兩種故障類型的兩種故障測距方案，即電氣量信息基于電纜傳輸與電氣量信息基于光纖傳輸。經(jīng)分析得出，該方案具有實時性強，在故障發(fā)生時即可計算出故障距離，可大大縮小地鐵維修人員排查故障的時間；該方案通過直流饋線保護裝置來實現(xiàn)，實現(xiàn)起來具有簡單可靠、成本低等優(yōu)點。