池黃高速鐵路引入黟縣東站接觸網(wǎng)故障測(cè)距分析

劉 寧

（皖贛鐵路安徽有限責(zé)任公司，工程師，安徽 合肥，230000）

1 引言

近年來，我國(guó)高速鐵路快速發(fā)展，“八縱八橫”高鐵網(wǎng)發(fā)揮出越來越重要的作用。在縱橫之間，兩條及以上的高速鐵路在同一車站相互交叉的情況越來越多。由于地型的多樣性、供電方式的復(fù)雜性和對(duì)接觸網(wǎng)行車檢算的要求越來越高，制約著接觸網(wǎng)電分相位置的設(shè)置，導(dǎo)致接觸網(wǎng)的“接入段”變長(zhǎng)，分支變多。本文以池黃高速鐵路引入黟縣東站接觸網(wǎng)工程為例，研究如何在上述不利條件下，快速準(zhǔn)確判斷接觸網(wǎng)分支故障跳閘位置，旨在為有關(guān)維修單位和人員提高準(zhǔn)確判斷快速處理此類故障、最大限度減少對(duì)運(yùn)輸秩序影響提供參考。

2 初步設(shè)計(jì)概況

黟縣東站屬于昌景黃高速鐵路的在建車站，計(jì)劃將于2023年初投入運(yùn)營(yíng)。新建池黃高速鐵路計(jì)劃將于2024年投入運(yùn)營(yíng)，池黃高速鐵路終點(diǎn)接軌黃山地區(qū)黟縣東站與在建昌景黃鐵路共站（昌景黃鐵路外包，池黃本線居中），黟縣東至黃山北段本線與昌景黃鐵路共線運(yùn)行。供電方式如圖1所示：

圖1 黟縣東站供電方式示意圖

有圖1可知，池黃和昌景黃都是AT供電方式，從黃山北牽引所引出兩條饋線分別為昌景黃高鐵南昌方向供電至分區(qū)所1，為池黃高鐵池州方向供電至分區(qū)所2。分區(qū)所1至黟縣東站上下行（接觸網(wǎng)長(zhǎng)度為9 km）、分區(qū)所2至黟縣東站上下行（接觸網(wǎng)長(zhǎng)度為5.5 km）、黟縣東站上下行都是相同的兩個(gè)供電單元（A、B單元）。池黃高鐵分區(qū)所2至黟縣東站區(qū)間有兩座距離較近的隧道，分區(qū)所2位置設(shè)計(jì)在隧道1的池州側(cè)。

3 存在問題分析及應(yīng)對(duì)方案

在AT供電方式下，若A單元接觸網(wǎng)故障跳閘時(shí)，牽引所故障報(bào)文里的故標(biāo)指示在黟縣東站左側(cè)區(qū)間時(shí)，既有的繼電保護(hù)不能準(zhǔn)確判斷故障地點(diǎn)是在池黃高鐵上行線還是在昌景黃高鐵上行線。在故障巡視時(shí)，既要巡視昌景黃高鐵的分區(qū)所1至黟縣東站區(qū)間上行線，又要巡視池黃高鐵的分區(qū)所2至黟縣東站區(qū)間上行線，巡視的范圍是一般情況時(shí)的兩倍。因此，接觸網(wǎng)故障應(yīng)急處置效率將會(huì)很低，影響正常運(yùn)輸秩序，降低運(yùn)輸效率和效益。

高速鐵路供電工程的建設(shè)要綜合考慮地理環(huán)境、外部供電能力、建設(shè)成本等因素，接觸網(wǎng)電分相的設(shè)置要遵循鐵路總公司關(guān)于其位置不宜在連續(xù)較大坡道和變坡點(diǎn)、大電流以及出站加速區(qū)段，同時(shí)還應(yīng)盡量避免在隧道內(nèi)、低凈空橋等跨越建筑物下設(shè)置的技術(shù)規(guī)定，并經(jīng)列車過分相能力實(shí)測(cè)檢算和滿足列車3 min追蹤檢算的要求。為了有利于準(zhǔn)確、快速排除接觸網(wǎng)故障，本文遵循高速鐵路供電工程建設(shè)要求，提出四個(gè)不同角度考慮的設(shè)計(jì)方案，并就各方案優(yōu)劣作如下簡(jiǎn)要介紹和分析。

方案一：距離黟縣東站最近的牽引變電所是黃山北牽引所，但由于距離太遠(yuǎn)，無法考慮增加兩回饋線為“接入段”供電。

方案二：在黟縣東站附近新建一個(gè)開閉所。優(yōu)點(diǎn)是不需要改變電分相位置；“接入段”由獨(dú)立饋線供電，故障情況下不相互影響其他線路。缺點(diǎn)是通過開閉所給正線供電，故障節(jié)點(diǎn)增加，存在二級(jí)供電，上級(jí)變電所饋線需配合開閉所保護(hù)時(shí)間級(jí)，故障切除時(shí)間變長(zhǎng)；需要增加開閉所建設(shè)用地，投資增加較多。

方案三：分相由隧道1池州側(cè)調(diào)整至隧道1和隧道2之間，優(yōu)點(diǎn)是分區(qū)所所址不需改變；“接入段”變短，減小了因本線“接入段”故障引起的昌景黃鐵路饋線跳閘的概率。缺點(diǎn)是路基段坡度較大，且部分分相在隧道內(nèi)，該分相位置不能通過行車檢算；接觸網(wǎng)路基段僅為176 m，電分相有一半在隧道內(nèi)，分區(qū)所2距離上網(wǎng)點(diǎn)2.3 km，其中隧道為1.57 km，沿線均為山區(qū)，供電線需采用全電纜沿隧道壁敷設(shè)，投資費(fèi)用較大。

方案四：在接觸網(wǎng)的接入段首尾端增加行波測(cè)距裝置。優(yōu)點(diǎn)是利用該輔助手段可盡快確定故障點(diǎn)是否在接入段，減少故障排查工作量；分區(qū)所所址和分相位置也不需改變；減小了投資費(fèi)用。

各分相調(diào)整方案均不引起變壓器增容，供電臂延長(zhǎng)后的末端壓降均能滿足負(fù)荷需求。通過對(duì)以上四個(gè)設(shè)計(jì)方案的分析，可以確定方案四是較優(yōu)的方案。由于行波測(cè)距裝置在高速鐵路接觸網(wǎng)工程上應(yīng)用較少，下面重點(diǎn)介紹行波測(cè)距裝置的原理、安裝方式。

4 行波測(cè)距裝置方案分析

4.1 行波測(cè)距原理當(dāng)線路某一點(diǎn)所發(fā)生電壓、電流的突變情況時(shí)，這一變化并不會(huì)立刻在線路其它各點(diǎn)出現(xiàn)，而是要以電磁波的形式按一定的速度值從電壓、電流突變點(diǎn)向其它各點(diǎn)傳播。這種沿線路傳播的電壓波以及與其相伴而行的電流波稱為行波。行波傳輸?shù)乃俣葍H受分布電感與分布電容影響，若忽略電感與電容，行波的傳輸速度是光速，在實(shí)際中，行波在架空導(dǎo)線的傳播速度在0.91 c～0.97 c之間，行波在波阻抗不連續(xù)的位置會(huì)發(fā)射折反射現(xiàn)象，逐漸衰減一段時(shí)間后，這部分暫態(tài)能量消失，系統(tǒng)趨于穩(wěn)定狀態(tài)。通過對(duì)該故障行波的采集、分析、計(jì)算，可以進(jìn)行故障定位以及故障原因辨識(shí)，相應(yīng)的產(chǎn)生了多種行波行為原理，此工程采用的是雙端行波定位技術(shù)。

雙端行波故障精確定位的簡(jiǎn)單模型，如圖2所示。下文擬結(jié)合圖2就行波測(cè)距原理運(yùn)用作簡(jiǎn)要介紹。

圖2中L代表所設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1與監(jiān)測(cè)點(diǎn)2之間的距離，A代表故障發(fā)生在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1與監(jiān)測(cè)點(diǎn)2之間的位置，L1和L2分別代表監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2與故障發(fā)生點(diǎn)A的距離。

圖2 簡(jiǎn)單雙端行波定位模型

設(shè)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)1和監(jiān)測(cè)點(diǎn)2監(jiān)測(cè)到行波電流的時(shí)間分別為t1、t1，行波在線路中的傳播速度為V，則，L1值和L2值可分別運(yùn)用公式1和公式2計(jì)算得到［4］：

設(shè)通過GPS提供的準(zhǔn)確相對(duì)時(shí)間t1、t2，可以定位得到故障點(diǎn)A距監(jiān)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際距離，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的［4］。

4.2 供電臂全區(qū)段故障監(jiān)測(cè)解決方案接觸網(wǎng)行波測(cè)距裝置安裝在牽引所、AT所、分區(qū)所的供電線上，采集線路上的跳閘信息并上傳后臺(tái)進(jìn)行診斷，通過對(duì)數(shù)據(jù)的分析與計(jì)算，定位故障點(diǎn)和辨識(shí)故障原因，實(shí)現(xiàn)牽引所至分區(qū)所區(qū)間內(nèi)全線接觸網(wǎng)的故障監(jiān)測(cè)。昌景黃鐵路上下行兩側(cè)供電臂供電范圍內(nèi)各需配置16臺(tái)監(jiān)測(cè)裝置。全區(qū)段監(jiān)測(cè)配置如圖3所示。

圖3 饋線供電臂行波測(cè)距裝置示意圖

4.3 供電臂特定區(qū)段故障監(jiān)測(cè)解決方案牽引變電所饋線本身設(shè)有繼電保護(hù)裝置，結(jié)合考慮節(jié)省工程預(yù)算，可進(jìn)一步優(yōu)化行波測(cè)距裝置的安裝方式。帶分支的AT供電方式下，如果需要進(jìn)行特定區(qū)段故障監(jiān)測(cè)，則只在分區(qū)所2饋線的供電線及分支點(diǎn)附近承力索下錨處、正饋線上安裝監(jiān)測(cè)裝置。池黃鐵路接觸網(wǎng)兩側(cè)支線部分的上下行供電臂供電范圍只需配置8臺(tái)監(jiān)測(cè)裝置。黟縣東站至分區(qū)所2區(qū)間支線監(jiān)測(cè)配置如圖4所示

圖4 饋線供電臂特定區(qū)段行波測(cè)距裝置示意圖

5 結(jié)論

本文從多個(gè)角度分析了新建池黃高速鐵路接觸網(wǎng)引入黟縣東站的方案和現(xiàn)有故障測(cè)距方法中存在的問題，并重點(diǎn)論述了行波測(cè)距法應(yīng)用在本接觸網(wǎng)工程的可行性。經(jīng)過評(píng)估論證，確定本文主張的接觸網(wǎng)行波故障測(cè)距系統(tǒng)是新建池黃高速鐵路接觸網(wǎng)引入黟縣東站的最優(yōu)方案，能夠幫助相關(guān)單位和人員準(zhǔn)確找到故障位置、迅速排除故障，減少故障對(duì)高鐵安全運(yùn)行的影響，具有較好的推廣使用價(jià)值。

接觸網(wǎng)故障問題對(duì)電氣化鐵道的運(yùn)輸效率與安全有著至關(guān)重要的影響，尤其是在較復(fù)雜的供電方式下，如何準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)高效處理高速鐵路接觸網(wǎng)故障，是一項(xiàng)需要不斷深入研究的課題。筆者下一步將跟蹤本文所提方案實(shí)施效果，發(fā)現(xiàn)問題，研究新情況，形成新對(duì)策，更好地為高鐵安全運(yùn)輸做貢獻(xiàn)。