牽引網故障測距

林依姜

牽引網故障測距

林依姜

向莆鐵路股份有限公司

牽引供電系統是電氣化鐵路的基礎，但牽引供電系統由于受各種因素的影響，容易出現故障導致斷電，所以牽引網的故障測距，有助于及時修復故障線路, 減輕維護人員體力勞動, 對鐵路安全經濟運營具有十分重要的意義。該文介紹分析牽引網故障測距中的主要方法及特點，為牽引網供電系統的安全運行和維護提供幫助。

故障測距 牽引網 行波分析法 阻抗分析法

0 引言

鐵路供電系統是鐵路運輸安全可靠運行的保障，一旦供電系統發生故障，就可能造成巨大的經濟損失。電氣化鐵道牽引供電系統是電力系統中一個特殊的分支，由于牽引網與電力機車受電系統特殊的滑動受電與取流方式限制，決定了牽引網既要承擔一般輸電線沿鐵道傳輸電能的任務，又要承擔移動的機車用戶頻繁操作而產生的強大的電與機車受電弓滑動機械的沖擊，因此將不可避免地形成頻繁的牽引網故障，嚴重影響電氣化鐵道的運行。對高速電氣化鐵道，牽引網故障的精確定位，對縮短搶修時間，提高運輸效率將具有直接的影響。

本文主要介紹目前常用故障測距中的兩種主要方法，即阻抗分析法和行波分析法，兩者分別利用故障的穩態和暫態信息進行故障定位，各有優點和缺點，相互之間互補關系。

1 阻抗分析法

阻抗分析法是指在系統運行方式確定和線路參數已知的條件下，根據故障時測距裝置安裝處測量到的電壓、電流參數計算出故障回路的阻抗，然后根據線路長度與阻抗成一定正比例的原理，求出裝置安裝處與故障點的距離。可用下式表示：

1.1 阻抗法的優缺點

阻抗法是目前測距裝置應用最廣泛的方法，它的優點是測距簡單可靠, 技術上比較成熟, 有豐富的現場運行經驗; 不受故障發生時刻、系統阻抗的影響, 無測距死區; 由于利用工頻穩態相量測距, 因此對電壓、電流傳感器和信號采集系統的要求較低; 基于該算法的裝置結構簡單, 易于實現, 并且成本較低; 抗干擾能力強, 故障發生時可以可靠啟動。但是在其應用過程中還存在一定的問題，比如，過渡電阻的影響，線路單位阻抗的整定，基波信號的提取與分析，由于采用集中參數, 忽略了分布電容的影響, 必將導致原理性的誤差，因此這些問題導致阻抗法的應用有明顯的局限性。

1.2 阻抗法的分析

可以運用電抗法消除過渡電阻的影響，即取式（1）中的虛部：

從上式不難看出，電抗法沒有用到電阻參數，所以也不受過渡電阻的影響，但這種方法準確度還是不高，大概在1km左右，文獻[2]詳細提出了穩定性不好的一些原因。另外文獻[6]也提出了采用帶串聯電容補償裝置的方法是對電抗法的補充和改進，也是阻抗法的改進，參考牽引網串補電容，區間串補電容值和它們的投入情況作為整定值整定，進而采用電抗分段距離法查表，即可準確計算出故障點所在位置。

由于以上方法都各有其局限性，因此國內外學者一直在尋求其他新的故障測距方法，如上下行電流比法、轉移阻抗測距法、單線雙差比測距法，吸饋電流比與電抗測距法等，但這幾種方法都是基于阻抗法的原理，而阻抗法受牽引網運行方式、供電方式和線路結構等因素的影響比較大，而行波法受各種因素的影響較小，行波的傳播速度比較穩定，且準確度較高，速度又快。隨著輸電線路行波傳輸理論研究的深入、計算機技術和微電子技術的發展及數字濾波技術、小波變換理論、GPS 及光電互感器等的相繼引入，特別是行波法在電力系統輸電線中已有較為成功的應用, 行波法在牽引網故障測距中的應用已成為研究者關注的重要熱點。

2 行波分析法

行波法就是根據行波傳輸理論實現對輸電線故障測距的方法，即利用高頻故障暫態電流、電壓行波或在故障后用脈沖頻率調制雷達系統以及斷路器斷開或重合時產生的暫態信號等來間接判定故障點的位置。文獻[11]指出，現國內外研究6種行波測距原理方法，而所有的這些測距原理都可以看成兩種，即單端行波測距和雙端行波測距，其中A、C、E、F型是基于單端測距原理，而B、D型是基于雙端測距原理。

2.1 單、雙端行波測距原理

圖1為某一長度為L的單相系統行波故障測距原理，M、N分別為測量兩端，內部F為故障點，AC為電源。虛線為線路故障時行波傳輸線。

圖1 行波故障測距原理圖

2.2 行波法的優缺點

行波法是根據行波傳輸理論實現對輸電線故障測距的方法。由于行波在線路中有比較穩定的傳播速度, 且測量到的時間差不受線路類型、故障電阻及系統運行參數等影響, 行波信號可直接通過電壓互感器、電流互感器獲得, 其測距精度和穩定性不受過渡電阻及上述牽引負荷特點造成的影響。這將有可能消除牽引網測距中的多種偶然誤差, 并且克服阻抗存在的原理型差，真正得到牽引網故障定位穩定而精確的結論。但在現場的應用中也發現定位結果具有不可靠性，主要包括四個方面：第一，行波信號的不確定性并且存在測距死區；第二，故障點反射波的識別；第三，行波信號的提取與處理；第四，波速的不準確性。

2.2.1故障點反射波的識別和提取

線路上存在著大量的干擾, 其特征與故障點的反射波極為相似。正常運行情況下，較大的干擾主要來自斷路器和隔離開關的操作、直流電動機運行狀態的改變以及弓網狀態的變化, 任何上述變化都會產生劇烈的電壓、電流變化，從而產生陡峭的行波信號。故障后主要干擾是在行波沿牽引網傳播時，因波阻抗的變化而產生的排除干擾、正確識別故障點反射波是能否準確可靠進行故障測距的關鍵技術問題。文獻[11]采用極性對故障點反射波和對端母線反射波進行識別，文獻[9]使用精密時間協議實現牽引網故障測距時間同步，也可以采用GPS。文獻[11]、[12]分別介紹利用小波分析識別和提取故障信號。

2.2.2波速的變化

3 阻抗法與行波法的結合

故障發生在行波法近端的測距死區時, 過渡電阻較小，阻抗法的精度比較高; 故障發生在線路中間區段時, 與阻抗法相比，行波法不受過渡電阻的影響, 均有較高的測距精度;當故障發生在線路遠端時, 阻抗法誤差與近端故障相比明顯增大, 而行波法的測距結果完全不可信。經過分析發現，遠端故障時，行波法測得的實為對端母線到故障點的距離, 用線路總長度減去測得的距離進行修正才是實際的故障距離, 修正后行波法的精度比較高。

顯然, 兩種算法分別利用故障穩態和暫態信息, 從不同的角度進行測距, 其優勢互補, 適合將兩種算法的測距結果進行綜合處理, 進而提高故障測距的精度和魯棒性。文獻[8]、文獻[4]通過實驗數據得出，阻抗法與行波法的結合使用比單一使用一種方法要準確。

4 小結

由上述的分析可知, 阻抗法和行波法相組合的算法可以使行波法和阻抗法在優缺點方面相互補充，同時利用二者的優點, 弱化二者的缺點。在實際應用時先分別采用行波法和阻抗法進行測距, 得到數據之后運用組合算法的原理得出綜合結果。

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