鐵路10 kV電力線路故障測距技術研究

張辰光 張曉昆 王蟬瑞

(大秦鐵路股份有限公司太原供電段，山西 太原 030013)

鐵路10 kV電力線路故障測距技術研究

張辰光 張曉昆 王蟬瑞

(大秦鐵路股份有限公司太原供電段，山西 太原 030013)

介紹了鐵路電力10 kV中性點不接地系統(tǒng)的運行特點，并針對故障排查難點，總結(jié)了一種利用突變行波信號理論來分析排查線路故障點的方法，通過試驗裝置現(xiàn)場進行驗證，為鐵路電力10 kV中性點不接地系統(tǒng)故障點精準定位提出一種有效的深入研究方向。

鐵路，電力線路，故障測距技術

1 10 kV鐵路電力線路基本特點

10 kV鐵路電力線路為鐵路運輸生產(chǎn)提供電力保障，其供電可靠性直接影響鐵路運輸?shù)陌踩\行。鐵路供電系統(tǒng)在構(gòu)成和功能上存在有別于其他電力系統(tǒng)的特點，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：1)供電可靠性要求高。2)系統(tǒng)接線形式特殊。鐵路供電系統(tǒng)中各配(變)電所沿鐵路線基本均勻分布，并且互相連接，構(gòu)成手拉手供電方式。鐵路供電系統(tǒng)的特點又決定了其電力線路多在野外分布，線路供電點多且分散、供電臂長，線路周圍環(huán)境復雜，多處山區(qū)、曠野，樹木侵害，交叉跨越多，絕緣等級偏低，耐雷水平不高，易發(fā)生樹害、雷害和損害等各類故障。由于遠離城市及工作場所、交通不便、通訊不暢、環(huán)境復雜等，給故障查找?guī)砗艽罄щy。

2 傳統(tǒng)的人工故障定位方式及其缺點

1)傳統(tǒng)的人工故障定位方式。目前，鐵路上對于電力線路查找故障的方法，采用的是人工二分之一試送法，依次進行試送操作，找到故障區(qū)間，然后在本區(qū)間內(nèi)巡視或登桿檢查，直到找到故障點為止。2)傳統(tǒng)人工故障定位的方式缺陷。第一，故障定位困難、時間長、故障查找困難，人力、物力消耗大，一般都需七八個小時，停電故障延時直接影響鐵路運輸秩序。第二，故障定位方式對系統(tǒng)和用戶沖擊大。

3 鐵路10 kV電力線路故障測距定位難度

第一，鐵路10 kV電力線路為中性點對地絕緣系統(tǒng)。線路發(fā)生故障時，短路或接地阻抗均不確定。第二，鐵路10 kV電力線路均為架空、電纜混合線路。導線材質(zhì)有鋁芯、銅芯、鋼芯鋁絞線等，線路電抗及接續(xù)電阻都不連續(xù)或固定，對于故障定位極為不利。第三，線路所帶設備導致電參數(shù)分布不規(guī)律。

4 電力線路故障點判斷的理論分析

1)突變行波的傳輸速度與線路對行波的阻抗。

一般纜線的波阻抗為10 Ω～100 Ω，架空線路的波阻抗為300 Ω～500 Ω。

2)突變行波在電纜和架空混合線路中的傳播特點。

電纜和架空線路兩者的波阻不同，電纜和架空混合線路連接處為波阻不連續(xù)點，行波在不連續(xù)點將發(fā)生反射和折射。

即距n端距離為：

理論上來說，此故障定位方法不受中性點不接地與接地方式的限制，也不受電纜與架空是否混合方式的限制，也不受線路是單電源輻射還是雙電源互備運行方式影響，適合于鐵路中性點不接地電力線路的故障定位要求。

5 研究試制故障測距定位裝置

基于以上理論我們研究適合于鐵路中性點不接地電力線路故障探測及定位的方法并通過試制裝置加以驗證。

1)裝置構(gòu)成。

裝置主要分為傳感、處理存儲、網(wǎng)絡、后臺、授時五部分，各部分之間既有硬件的連接，又有軟件上的數(shù)據(jù)交換，各部分又相對獨立完成各自功能。

2)行波信號采集部分。

故障定位裝置利用帶電顯示器來解決鐵路電力線路行波測距裝置中的行波信號提取方法，為鐵路電力線路故障測距裝置提供基本的條件。

對于50 Hz的工頻信號來說，高壓帶電顯示裝置的等效電容為高阻狀態(tài)，10 kV電壓大部分都分配在此電容上。行波提取電路上僅有5 V左右的工頻電壓。當線路發(fā)生故障時，高達200 kHz～2 MHz的高頻暫態(tài)信號以接近光速從故障點沿線路傳輸?shù)脚潆娛倚胁▊鞲衅魑恢脮r，由于電容對高頻信號的低阻抗作用，約200 kHz的高頻暫態(tài)信號容抗約為50 Hz工頻信號時的幾千分之一，絕大部分行波信號在電阻上形成高頻壓降，實現(xiàn)行波信號的有效提取。所以線路故障時的行波高頻信號主要由電阻阻抗分壓，本裝置起到了理想的提取高頻信號作用。

3)行波信號高速連續(xù)存儲單元。

行波數(shù)據(jù)采集裝置的采樣頻率一般要求高于500 kHz，使用常規(guī)的由微處理器直接控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D的方式很難實現(xiàn)這個要求，因此，需要專門設計高速數(shù)據(jù)采集電路來記錄線路故障行波數(shù)據(jù)，在高速數(shù)據(jù)采集電路捕捉到暫態(tài)數(shù)據(jù)后，CPU用較慢的速度讀取此暫態(tài)數(shù)據(jù)，并將其存入由CPU直接控制讀寫的內(nèi)存里，實現(xiàn)暫態(tài)行波數(shù)據(jù)的超高速采集。

4)行波信號處理運算單元。

突變量經(jīng)過傳感器采集到裝置中時，信號非常弱，雖經(jīng)過傳感器的有效波形提取、選擇，但仍然含有其他的干擾信號，所以需進一步有效提取出到達的初次突變信號，并將其與理論設定值進行比較、放大、數(shù)模轉(zhuǎn)換、CPU邏輯運算，為兩側(cè)信號時間對比提供準確參數(shù)。其要達到僅僅突變信號被有效放大，并掌握好觸發(fā)的門檻值，在靈敏度與抗干擾之間選擇適合的平衡點，傳輸誤差小等性能。

5)啟動行波信號上送方案。

為在突變信號超過閥值判斷后，仍可追溯突變信號發(fā)生的過程，就要求故障處理裝置工作時，不論有無突變信號，都不間斷在采集運行數(shù)據(jù)，并且將數(shù)據(jù)可靠存儲。由于不間斷記錄數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量大，所以在合適的時間段后，裝置要自動對前段記錄的數(shù)據(jù)進行運算處理，需要長期保存的保存，不需要長期保存的舍棄，需要上送到數(shù)據(jù)處理運算中心做判斷的，就自動上送，并響應數(shù)據(jù)處理中心的數(shù)據(jù)請求。

6)后臺數(shù)據(jù)處理流程。

故障定位裝置要求收集A，B兩側(cè)測量到的故障行波波頭到達時間，進行故障定位計算。故障定位軟件采用技術成熟的C++Builder語言進行編程，對各種故障行波的情況進行綜合分析，提出了一種可靠、準確、完整的算法。

后臺軟件的數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

7)高精度時鐘授時方案。

利用GPS同步時鐘的輸出技術，解決兩端行波測距裝置1 μs的精確時間同步，以滿足300 m以內(nèi)的測距分辨率，2 μs的兩端設置的時間同步精度。

6 實測結(jié)果情況

2012年7月23日，在故障測距定位裝置成套研制完成后，我們在榆次、壽陽配電室進行現(xiàn)場安裝。2013年5月17日，裝置所安裝的榆次—壽陽10 kV電力線路發(fā)生瞬時性故障，裝置在故障瞬間啟動，實現(xiàn)故障瞬間高頻行波的采集、運算處理、記錄。通過軟件運算，我們得出本次故障距榆次配電室約21.55 km，經(jīng)與設備臺賬及現(xiàn)場巡視檢查結(jié)果對比，基本相符。

7 結(jié)語

根據(jù)鐵路電力線路的基本特點和故障類型，進行鐵路10 kV電力線路中性點不接地系統(tǒng)故障測距技術研究是完全可行的。

該技術研究利用線路故障時產(chǎn)生的突變行波信號來分析線路故障點；通過智能示波器的分析手段，檢測到達電源側(cè)的突變行波信號是否為首端，如不是，利用計算方法，還原突變行波到達首端的準確時間；利用暫態(tài)信號分析模型、GPS衛(wèi)星對時技術、能量傳遞數(shù)學模型，增強對中性點不接地系統(tǒng)線路故障點定位的準確度。試驗結(jié)果可行，繼續(xù)深入研究，可作為10 kV電力線路中性點不接地系統(tǒng)故障準確定位的有效手段。

[1] 藤 林.一種實用的新型高壓輸電線路故障雙端測距精確算法[J].電網(wǎng)技術，2001，25(18)：110-114.

[2] 束洪春.利用雙端不同步數(shù)據(jù)的高壓輸電線路故障測距實用算法及其實現(xiàn)[J].電網(wǎng)技術，2000，24(2)：10-13.

Research on faults location techniques of railway 10 kV power line

ZHANG Chen-guang ZHANG Xiao-kun WANG Chan-rui

(TaiyuanPowerSupplySection,Da-QinRailwayCo.,Ltd,Taiyuan030013,China)

The paper introduces operation features of railway power 10 kV ungrounded neutral system, provides line faults examination method with fault vibration signals, carries out in-situ examination with experimental device, which has pointed out an effective research direction of accurate fault location of railway power 10 kV ungrounded neutral system.

railway, power line, faults location techniques

1009-6825(2014)17-0153-02

2014-04-02

張辰光(1982- )，男，工程師； 張曉昆(1970- )，男，高級工程師； 王蟬瑞(1958- )，男，高級工程師

TM711

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