基于行波非接觸式牽引供電故障精確定位系統(tǒng)研究

楊國棟

0 引言

牽引供電系統(tǒng)是現(xiàn)階段我國軌道交通主要電力來源，而牽引供電系統(tǒng)一旦發(fā)生故障，直接影響鐵路安全穩(wěn)定運行，甚至可能造成不良的社會影響。接觸網(wǎng)是鐵路牽引供電系統(tǒng)的重要組成部分，一般處于自然環(huán)境惡劣區(qū)域，受到自然環(huán)境、惡劣天氣的影響，易發(fā)生各類故障跳閘，供電臂長度一般在20～30 km，其運行維護采用人工巡線方式不僅花費大量的人力物力，而且工作效率極低，一旦遇到極端天氣，極易造成重合閘失敗。通過人工巡線排查故障往往需要花費大量時間，研究一種科學合理有效的故障測距手段顯得極為重要。

在現(xiàn)階段，接觸網(wǎng)故障測距的主要方法為上下行電流比法、吸上電流比法、橫聯(lián)線電流比法，上述方法基本均為阻抗法故障測距原理，無論何種方法都或多或少受到系統(tǒng)運行方式、接地過渡阻抗的影響，存在一定的局限性。而行波法故障測距基本不受系統(tǒng)及過渡電阻大小的影響，其又分為單端法、雙端法、網(wǎng)絡(luò)算法等一系列故障測距手段，無論采用哪種算法進行行波法故障測距，影響其故障測距精度的因素均為行波在接觸網(wǎng)中傳輸?shù)牟ㄋ僖约靶胁ǖ竭_監(jiān)測終端的波頭時刻，只需克服上述兩個因素的誤差影響即可實現(xiàn)故障精確定位。

近年來，隨著傳感器精度的提升以及數(shù)字化處理手段的提升[1，2]，行波法故障測距中的對時問題以及行波波頭時間的處理問題得到了解決，因此行波法故障測距得以實現(xiàn)用于現(xiàn)行的電力線路故障測距[3，4]。傳統(tǒng)的應(yīng)用于電力線路故障測距的監(jiān)測終端往往是采用接觸式采集終端設(shè)備，其與導(dǎo)線直接接觸，安裝、更換工藝復(fù)雜，需將線路全線停電后進行安裝，針對于重點負荷、無法停電線路極為不便。本文提出一種基于非接觸式的牽引供電系統(tǒng)故障測距手段。

1 非接觸式監(jiān)測系統(tǒng)

非接觸式故障測距手段最早提出于21世紀初期，最早應(yīng)用于輸電線路上，其監(jiān)測原理是采用探頭靠近被測線路，利用線路、雜散電容、探頭電容中間構(gòu)成的回路進行檢測，通過對探頭的振動頻率監(jiān)測進而計算線路電壓，但由于測量帶寬受到探頭振動頻率的影響以及雜散電容不可量化的影響，采用探頭進行電壓測量可能存在電壓失敗或測量精度過低的問題[5～7]。

本文提出一種改進的電壓傳感器，應(yīng)對于接觸網(wǎng)供電線路進行電壓量的采集，其測量帶寬可達100 MHz以上，對單線直供線路進行采集，在采集到交變信號后，對采集信號進行分類處理，通過判定工頻信號的有效性進行接觸網(wǎng)直供線路的故障跳閘判定，對于已發(fā)生跳閘的線路，選用合適的小波變換算法進行波頭的識別，從而計算出發(fā)生故障跳閘的短路接地點。圖1所示為非接觸式監(jiān)測系統(tǒng)的工作流程。

圖1 非接觸式監(jiān)測系統(tǒng)工作流程

1.1 非接觸式電壓傳感器

參考文獻[6]中第一次提及非接觸式故障測距的方式采用探頭的振動頻率進行線路電壓的測量，該類測量方式雖然受限于探頭測量帶寬限制，但作為初代非接觸式電壓量測量模型，為非接觸式測量提供了理論依據(jù)。本文提出一種基于電容分壓的非接觸式電壓傳感器，基于現(xiàn)行的直供供電方式進行線路電壓、故障信息的采集[8～11]。利用電場耦合原理，采用雙極板形式進行線路電壓的測量；由于接觸網(wǎng)線路周圍存在電力自閉貫通線路以及部分高壓輸電線路，為屏蔽其他現(xiàn)場電場干擾，傳感器外殼采用錳鋁合金材料，其具備良好抗腐蝕性能的同時，可實現(xiàn)對外界靜電、交流電場的屏蔽，從而實現(xiàn)非接觸式電壓測量。

圖2所示為應(yīng)用于直供方式下接觸網(wǎng)線路的非接觸式電壓傳感器，該傳感器采用雙電容極板進行被測導(dǎo)線電壓測量，相比傳統(tǒng)的探頭式電壓測量，其具有更高的帶寬測量范圍以及更好的頻率響應(yīng)特性，其輸出呈現(xiàn)更好的線性特征，無論對于工頻低頻穩(wěn)態(tài)，還是行波高頻暫態(tài)，都可實現(xiàn)電壓信號采集，圖3為非接觸式電壓傳感器工作原理圖。

圖2 非接觸式傳感器實物

圖3 非接觸式電壓互感器測量原理

非接觸式電壓互感器采用雙極板式結(jié)構(gòu)進行電壓測量，Ch1、Ch2分別為接觸網(wǎng)線對雙極板電容，C2為串聯(lián)電容，C3為測量回路電容，為不影響測量精度，采用與C2同等量級的電容單位進行測量阻抗匹配，C3進入運放后輸出電壓信號，Cg1、Cg2為雙面電容對地雜散電容，U為被測線路電壓，則可得C2兩側(cè)進入運放電路的測量電壓UC為

基于參考文獻[10]中提到采用雙極板電容測量電壓時，高壓臂電容約為0.5 pF，低壓臂電容約為1.3 nF，且兩極板之間距離d= 20 cm時電壓測量為最精準值，在保證輸出信號為線性的同時，也能保證高頻暫態(tài)信號的快速響應(yīng)特性。對于雜散電容Ch1、Ch2、Cg1、Cg2，其電容的量級單位為 nF級，因此測量電壓基本位于C2兩端，此時為反饋測量電壓的準確性以及阻抗的匹配性，在C2上并聯(lián)同量級單位的電容即可實現(xiàn)，在本文中出于電壓精度的考慮，選取C3為300 nF，此時可形成約為300∶1的電壓值測量。

1.2 RC處理積分回路

由式（1）可知，本電壓互感器采用純?nèi)菪裕诶秒娙菔诫妷簜鞲衅鬟M行信號測量時必須使用積分器進行信號的還原，將采集的信號輸入RC積分器中即可實現(xiàn)。對于RC積分器的選定，若采用不合適的RC積分器可能導(dǎo)致信號還原出現(xiàn)問題。如果RC積分器參數(shù)選擇過大，將直接影響高頻響應(yīng)速率，更有甚者導(dǎo)致在波形處理時出現(xiàn)波頭偏移及波頭時刻錯誤的情況；如果RC積分器選用的參數(shù)過小，對于高頻信號可能出現(xiàn)關(guān)鍵點遺漏的情況，最終還原性能表現(xiàn)較差；因此合適的RC積分器參數(shù)選擇顯得極為重要[12]。

通過多次試驗選取RC積分器參數(shù)，選取R為80 Ω，C為320 pF，此時RC積分器對線路的信號還原度最好（圖4）。選取上述RC參數(shù)后，此時原始波形的上升沿時間t0為6.4 μs，而積分反饋輸出信號響應(yīng)時間t1為7.8 μs，則RC積分回路的動態(tài)響應(yīng)時間t及系統(tǒng)采樣響應(yīng)截止帶寬f為

圖4 RC積分器輸入輸出對比

如圖4中所示，選取RC積分器參數(shù)后可實現(xiàn)信號的理想還原，在滿足了響應(yīng)截止高頻率的同時，RC積分器響應(yīng)時間較短，在實驗環(huán)境下，非接觸式監(jiān)測傳感系統(tǒng)可實現(xiàn)直供接觸網(wǎng)線路的信號采集與還原。下文將詳細闡述非接觸式監(jiān)測終端在進行行波故障測距時系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理算法。

2 非接觸式牽引供電系統(tǒng)工頻電壓判定邏輯

本文利用雙極板式傳感器對直供接觸網(wǎng)線路進行故障精確定位，采用電容分壓形式進行線路電壓測距，通過后端RC積分電路實現(xiàn)接觸網(wǎng)線路電壓的還原[13～15]。

2.1 有效值計算

非接觸式傳感器采集到工頻電壓信號時，首先對工頻信號進行快速傅里葉積分變換，通過工頻信號主頻率分布進行信號選擇性判定，當傅里葉積分變換分解出主頻率為 50 Hz時進行工頻的有效值計算，有效值計算是通過求對應(yīng)通道數(shù)據(jù)的均方根實現(xiàn)。設(shè)置采樣點為pi，一個周期內(nèi)總采樣點數(shù)為n，平均值為X，有效值為yRMS，則關(guān)系式可以表示為

當每一個周期的有效值計算完畢后，進行緩存，共緩存3個相鄰半周期（取10 ms為半個周期）的有效值，用于觸發(fā)判斷。

2.2 工頻電流增量觸發(fā)邏輯

對緩存的 3個相鄰半周期的工頻電流有效值進行計算，故障工頻增量保護觸發(fā)邏輯示意如圖5所示。系統(tǒng)電流增量觸發(fā)邏輯如下：

圖5 故障工頻增量保護觸發(fā)邏輯示意圖

本次工頻故障電流如圖5所示，依據(jù)鐵路接觸網(wǎng)智能故障監(jiān)測裝置工頻電流觸發(fā)經(jīng)驗值，thresholdI= 287.3 A，k= 20。選取直供牽引所部分工頻電流進行有效值計算，依據(jù)式（2）—式（5）對其進行故障判定，當計算數(shù)值滿足時，則判定為故障跳閘，此后采用濾波后的高頻信號（即行波信號）進行小波分解，從而實現(xiàn)直供方式下接觸網(wǎng)線路故障精確定位[16～18]。

3 行波故障測距定位方法

當牽引供電系統(tǒng)發(fā)生振蕩或故障跳閘時，接地點會產(chǎn)生向兩邊傳播的行波電壓，利用高精度GPS進行行波電壓絕對時刻對時。應(yīng)用于牽引供電系統(tǒng)的行波法故障精確定位是指當電力系統(tǒng)發(fā)生故障跳閘時，獲取行波到達雙端的波頭時刻，利用對應(yīng)的模量波速進行故障測距，其測距計算式為

式中：d為距離牽引所距離，L為兩監(jiān)測終端之間的距離，v為行波傳播波速，t1為一端監(jiān)測經(jīng)相模變換后時刻，t2為另一端監(jiān)測經(jīng)相模變換后時刻。

進行故障定位時，在行波波速方面，利用被測線路參數(shù)進行相模變換，一般情況選用線模波速進行故障測距；在行波波頭方面，結(jié)合 GPS獲取行波的絕對時刻，然后利用小波變換獲取行波到達雙端傳感器的波頭時刻從而進行故障定位。

3.1 行波波速

行波是指行走的電磁波，在接觸網(wǎng)線路中，行波會以電場和磁場相互變換的方式傳播，在忽略接觸網(wǎng)電路對地導(dǎo)納后，傳播的波動方程為

式中：?u為故障點電壓偏微分值；?i為故障點電流偏微分值；?x2為故障點距離平方的偏微分值；?t2為行波傳輸時間平方的偏微分值；L為線路中不同相別的電感矩陣；C為線路中不同相別的電容矩陣[19]。

當線路固定時，L、C為固定參數(shù)。由此可見，行波的波動過程只與傳輸時間和傳輸距離有關(guān)，與線路本身無關(guān)。無論是輸電線路還是牽引供電系統(tǒng)中，都存在耦合關(guān)系，電磁解耦后變成相互無關(guān)系的電磁關(guān)系模量，解耦方法大多采用對角陣法計算，通過解耦可知：

式中：Zm為各模量波阻抗；Vm為各模量波速度。

對于直供牽引供電系統(tǒng)，考慮到牽引供電系統(tǒng)一般采用上下行并聯(lián)的方式運行，因此在進行直供線路故障定位時需考慮另一行接觸網(wǎng)對本行的影響。直供線路等效模型如6所示。

通過圖6中等效模型構(gòu)建ATP-EMTP模型，建立回流線、鋼軌、接觸網(wǎng)3個等效參數(shù)，視鋼軌為四分裂導(dǎo)線，承力索、接觸網(wǎng)共同體為兩分裂導(dǎo)線，回流線為兩分裂導(dǎo)線，從而求取行波在接觸網(wǎng)中線模波速度，通過解耦獲取各直供接觸網(wǎng)線路電容、電感矩陣，通過式（8）即可求取線模波速度。

圖6 直供系統(tǒng)上下行全并聯(lián)等效模型

3.2 小波函數(shù)及分解層數(shù)的對比

小波變換是一種現(xiàn)行的極為有效的數(shù)據(jù)處理方法，常規(guī)的小波變換采用小波基函數(shù)及尺度函數(shù)進行。小波變換能夠很好地實現(xiàn)信號在時域和頻域的區(qū)分，但小波變換中存在多個小波基函數(shù)及尺度函數(shù)，針對同一個行波電壓信號，采用不同的小波基函數(shù)及尺度函數(shù)可能出現(xiàn)不同的結(jié)果。理論上，監(jiān)測裝置采樣率越高，小波尺度函數(shù)分解層數(shù)越大，最終故障定位越準確。但從實際工程應(yīng)用層面上，過高的設(shè)備采樣率影響數(shù)據(jù)傳輸時效，過高的分解層數(shù)可能導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)較慢。結(jié)合上述考慮，非接觸式傳感器采用10 MHz的采樣頻率，選取db5、db8、sym5、sym8進行4、6、8、10層分解，結(jié)合經(jīng)驗法手動標記波頭進行對比，圖7所示為經(jīng)驗法標記牽引供電系統(tǒng)故障行波電壓波頭時刻，圖8所示為不同小波尺度函數(shù)及分解層數(shù)誤差對比。

圖7 經(jīng)驗法標記波頭故障時刻

圖8 小波變換及分解層數(shù)誤差對比

經(jīng)過多次試驗，在利用小波變換時選取多種小波基函數(shù)及分解層數(shù)進行誤差對比可知，采用小波函數(shù)db5進行8層分解時，此時故障測距偏差最小。下文對非接觸式監(jiān)測終端進行現(xiàn)場實驗驗證。

4 實驗驗證

4.1 實驗概況

選取南寧局管內(nèi)某直供線路進行故障測距驗證，本直供線路采用上下行并聯(lián)方式供電，部分區(qū)域設(shè)有加強線，牽引所上網(wǎng)點公里標（K243+209），分區(qū)所上網(wǎng)點公里標（K261+100），主線全長17.891 km，途經(jīng)陽朔站和一個開閉所，開閉所中帶繞行線，在 X牽引所處采用電纜架空上網(wǎng)，上網(wǎng)線全長約500 m。分別在牽引所和分區(qū)所上網(wǎng)點前支柱上安裝非接觸式故障監(jiān)測裝置，分別選取距離牽引所6 km處和距離牽引所10 km處進行短路接地實驗。圖9為接觸網(wǎng)現(xiàn)場等效示意圖。

圖9 現(xiàn)場供電示意圖及裝置安裝點

由于該直供線路存在 T接繞行線及部分區(qū)域存在加強線，線路阻抗分布不均，采用阻抗法故障測距誤差較大，甚至無法區(qū)分線路故障位于主線還是支線。選擇采用非接觸式故障測距，彌補所內(nèi)故障測距判定精度過低的情況。在安裝非接觸式行波故障測距監(jiān)測裝置后，利用已知接觸網(wǎng)參數(shù)進行相模變換，表1所示為經(jīng)過相模變換后參數(shù)[20，21]。

表1 相模變換后各模量參數(shù)

由于接觸網(wǎng)線路對地高度較小，線路對地雜散電容較大，而行波波速受到影響，選取不同的模量進行故障測距時，其故障定位結(jié)果相差較大。依據(jù)參考文獻[18]中提及行波衰減和色散問題，在長距離輸電情況下，行波波頭和相位都會發(fā)生偏移，為保證應(yīng)用于牽引供電故障測距系統(tǒng)的穩(wěn)定性和有效性，本文選取接觸網(wǎng)線模量波速作為故障測距參考波速，依據(jù)式（8）進行參考波速v計算：

4.2 故障定位計算

為驗證非接觸式牽引供電故障測距裝置的高精度性和穩(wěn)定性，選取故障點距離牽引變電所6 km處進行金屬性接地短路實驗，接地電阻小于10 Ω，然后在變電所內(nèi)進行合閘操作。非接觸式牽引供電系統(tǒng)故障監(jiān)測裝置按圖1所示流程進行故障判定，系統(tǒng)快速響應(yīng)判定為故障跳閘，對牽引所、分區(qū)所采集的行波電壓數(shù)據(jù)進行小波變換，電壓行波模極大值判定為行波波頭時刻，采用db5進行8層分解。圖10所示為牽引所和分區(qū)所監(jiān)測裝置采集到的行波電壓波形及其對應(yīng)的小波變換結(jié)果。

圖10 短路實驗行波電壓及其小波變換結(jié)果

如圖10所示，對牽引所、分區(qū)所的短路實驗數(shù)據(jù)進行分析，利用最佳小波變換即db5 8層分解，得到的牽引所和分區(qū)所對應(yīng)的模極大值即為波頭故障時刻，即t1= 413 μs，t2= 434 μs。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（6）可得出故障點距離牽引所距離為

更換實驗地點，采用上述相同方案進行故障實驗，選取故障點距離牽引變電所10 km處進行高阻性接地短路實驗，接地電阻約為1 000 Ω，驗證非接觸式故障監(jiān)測系統(tǒng)在高阻抗情況下特性。在變電所斷路器合閘后，對牽引所、分區(qū)所采集的行波電壓數(shù)據(jù)進行故障測距計算，系統(tǒng)采集行波電壓波形和小波變換結(jié)果如圖11所示。

圖11 高阻接地實驗行波電壓及其小波變換結(jié)果

得到小波變換后的結(jié)果，通過對監(jiān)測終端進行計算可得出高阻接地實驗情況下故障點距離牽引變電所距離為

對非接觸式故障監(jiān)測系統(tǒng)進行不同距離和不同短路阻抗下故障測距精度驗證，實驗表明：非接觸式故障監(jiān)測終端不僅能實現(xiàn)直供接觸網(wǎng)線路的信號測量，同時能夠保證監(jiān)測終端的故障快速啟動和判定，且在線路存在加強線及T接繞行線的情況下，故障監(jiān)測終端依然能保證200 m誤差以內(nèi)的故障測距精度，從而彌補了所內(nèi)阻抗法故障測距的不足，具有重要的工程實際意義。

5 結(jié)論

（1）采用雙極板非接觸式故障測距系統(tǒng)選擇合適的傳感器尺寸及RC積分還原電路，具有響應(yīng)時間短、測量頻帶寬等優(yōu)點，能夠線性地實現(xiàn)直供方式下接觸網(wǎng)線路電信號的還原；

（2）由于接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu)相比輸電線路而言受到雜散電容的影響更大，選用更穩(wěn)定的接觸網(wǎng)線模波速作為接觸網(wǎng)故障測距的參考波速更為準確；

（3）對于后臺數(shù)據(jù)處理，合適的小波變換及分解層數(shù)能夠減小測距時差，本文采用db5 8層分解方式在實驗情況下無論是高阻還是低阻故障均能實現(xiàn)200 m誤差以內(nèi)的故障測距精度，彌補了阻抗法故障測距的不足。