牽引網中的故障測距方法

李松楠

（吉林鐵道職業技術學院，吉林 吉林132000）

1 牽引網供電方式

電氣化鐵道牽引供電系統是指從牽引變電所的饋電線到牽引網再到電力機車的工作系統。我國電氣化鐵道采用的是工頻單相交流牽引制式。牽引變電所一般用于將三相110/220kV的電能變換成275kV（牽引網額定電壓為25kV）的電能并按單相分配給機車用戶。牽引網供電方式一般可分為：直接供電（direct feeding）、BT（booster transformer）供電、帶回流線的直供、AT（autotransformer）供電和同軸電纜供電方式。根據牽引網不同供電方式的要求及牽引變電所為抑制單相牽引負荷造成電力系統的不對稱影響，常采用不同接線方式與結構的主變壓器，并以此將變電所區分為三相牽引變電所（一般用Y0／△-11變壓器，二次側△的C相接地，由A、B相向兩側供電，形成左右兩側供電臂）、單相牽引變電所、三相兩相牽引變電所（如Scott接線主變壓器、平衡變壓器等）。

2 電力牽引負荷的特點

我們根據上述不同的牽引變電所形式、不同的牽引網供電方式及針對單復線電氣化區段，對故障測距均有不同的要求。因此，有必要研究針對不同類型牽引網的故障測距算法。電力牽引負荷的特點從故障測距涉及的因素來考查電力牽引負荷的特點，會發現它有5個特點值得關注。①一段牽引網一般只由1臺變壓器從單端供電，形成明顯的線路首端和末端，并且沒有分支；在線路的首端，可將變壓器看成它的電源。②單臺機車功率相對于變電所容量較大，因此，機車的各種工況導致的負荷電流波動較大；電流的變化以突變（階躍）居多。③負荷峰、谷值相差懸殊。④滑動取流的機車受電弓由于離線產生電弧及機車的頻繁調級、投切（變壓器空載），導致在系統中產生豐富的諧波（高次及分次）。⑤系統的回流（經回流軌、地或回流線）雜亂。

3 故障測距方法比較

按照故障測距原理，輸電線故障測距一般可分為阻抗法、故障分析法和行波法。

阻抗法利用故障時測量到的工頻電壓和電流量來計算故障回路的阻抗值，是基于線路長度與阻抗值成正比的原理而求出觀測點到故障點的距離。阻抗法的應用較廣泛，隨著計算機的應用，不論是采用單端法還是雙端法，在準確度和可靠性方面都有較大的提高，并涌現出了許多有針對性的算法，在此不再贅述。

目前，電氣化鐵道牽引網故障測距裝置多是基于這一原理的。由上文的特點一可知，牽引網一般處于單端電源供電狀態，在供電臂故障時，只能用單端電氣量測距。因此它不可避免地要受到過渡阻抗的影響。另外，一個比較關鍵的問題是對于富含高次及分次諧波的電氣化鐵道牽引網，傅里葉算法在處理大量分次諧波及非周期分量時比較困難，因此準確獲得工頻電壓、電流值也將是困難的。正是由于上述牽引網的結構、負荷的特點及阻抗測距原理本身的原因，一些圍繞阻抗法所做的修正方法或者關于消除諧波及過渡阻抗影響的算法當應用于牽引網故障測距時，都難以得到穩定、精確的測距效果。牽引網故障測距的多年應用實踐也證實了這一方法在精度及穩定性方面存在著諸多不足。

故障分析法是在系統運行方式已確定和線路參數已知的條件下，輸電線路發生故障時，故障點距離的函數是裝置處的電壓和電流。本法就是利用故障時記錄下來的電壓、電流值對故障進行分析與計算，實時求出測量點到故障點的距離。故障分析法與阻抗法的區別在于它不以測量阻抗或電抗為基礎。研究表明，該方法在一般輸電線的故障測距中將是一種有前途的方法。將其應用于電氣化鐵道牽引網的故障測距也將明顯優于阻抗法。但不足的是，故障分析法與阻抗法一樣仍然需要使用工頻的電壓、電流量；同時，隨著機車受電弓滑動取流造成的導線逐步磨耗及部分區段的換線、頻繁的人工檢修、復線區段由于鄰線狀況的不確定性等因素造成的線路單位阻抗Z的不穩定性，使得故障分析法在應用于這一領域時受到極大的干擾和限制。另外在提取實時故障分量電流時，上文特點二所述的大量躍變電流也將對測距穩定性造成不可低估的影響。因此，利用工頻量的故障分析法也難以適用于電鐵牽引網的故障測距。

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，因而，行波法故障測距有較好的精度和穩定性。

早期利用行波的測距裝置可分為A、B、C型3種。A型裝置利用故障點產生的行波在測量點到故障點間來回往返的時間與行波波速之積來確定故障位置；B型裝置利用故障點產生的行波到達兩端的時間差與波速之積來確定故障位置；C型裝置是在故障發生時于線路的一端施加高壓高頻或直流脈沖信號，根據脈沖往返時間來確定故障位置。這3種方法中，A型、C型為單端測距；B型為雙端測距，需要有兩端通信。A型和B型裝置對輸電線路的瞬時性和永久性故障均有較好的適應性，C型裝置則可在線路斷開的條件下檢測出故障，因此多用于永久性故障定位。

現代行波法中，基于全球定位系統（Global Positioning System，GPS）精確對時的雙端行波法的D型裝置（原理同B型）使得行波故障測距的實現既簡單又精確穩定，并且有良好的適應性。由B型裝置的測距算法可看到，由GPS精確獲得tT、tQ、tC是可能的，而行波速度V一般是穩定的，因此DnF的精確而穩定是由D型裝置而獲得的。行波法應用于電氣化鐵道牽引網的故障測距，行波信號可直接通過電壓互感器、電流互感器獲取，其測距精度和穩定性不受過渡電阻及上述牽引負荷特點二至特點四等造成的影響。

4 結語

比較阻抗法、故障分析法及行波法在電氣化鐵道牽引網中故障測距的適應性，前兩種方法固然有它的優點，但隨著輸電線行波傳輸理論研究的深入及電子技術、計算機技術的發展和相關技術的引入，現代行波法將更勝一籌，其應用前景將更加廣泛。現代行波法已在信號的傳變、提取、識別、處理等技術方面取得了長足進步。本文提出將行波法應用于電氣化鐵道牽引網故障測距也是結合現有技術水平和以上比較而得出的。