基于C型行波法的軌地絕緣損壞定位方法研究

劉建華 穆明亮 裴文龍 劉 旭

（中國礦業大學信息與電氣工程學院，221116，徐州∥第一作者，副教授）

行業標準CJJ 49—92《地鐵雜散電流腐蝕防護技術規程》規定地鐵全線應具有良好的軌地絕緣。軌地絕緣損壞將造成雜散電流及軌電位的變化，對地鐵安全會造成嚴重危害。目前，軌地絕緣的評價指標為軌地過渡電阻，但過渡電阻不能反映軌地局部絕緣損壞的情況。為了更準確地分析軌地絕緣，確保地鐵安全穩定運行，有必要對軌地局部絕緣損壞進行定位。行波法在電力系統故障定位中得到成熟而且廣泛的應用。C 型行波法是一種離線定位方法，不受故障時刻的影響，測量精度高。鑒于此，有必要對基于C 型行波法的軌地局部絕緣損壞定位方法進行分析研究。

1 C型行波法定位原理

1.1 定位原理

C 型行波法為離線定位法，人工向絕緣損壞線路注入脈沖信號，由于波阻抗的不同，行波信號在注入點與絕緣損壞故障點之間反射，根據行波信號在測量點與故障點之間往返的時間和行波的波速來確定絕緣損壞故障點的具體位置，對絕緣損壞點進行定位。C 型行波法定位原理如圖1所示。

圖1 C 型行波法定位原理示意圖

如圖所1 示，AB表示單根鋼軌，A、B兩點分別為鋼軌線路的始端與終端，假定鋼軌在C點發生局部絕緣損壞。在t1時刻，往鋼軌始端注入電壓脈沖信號，行波信號會以波速v由A點向C點傳播，到達絕緣損壞故障點C后，由于波阻抗不連續，會發生全反射，并改變極性；行波信號再由C點傳向A點，在t2時刻到達檢測點A，即鋼軌始端。假設檢測點A到故障點C的距離為x，則軌地局部絕緣損壞定位計算公式為：

由上式可知，利用C 型行波法進行軌地局部絕緣損壞定位的關鍵是確定行波信號波速及準確獲得故障反射波到達始端的時刻，即確定鋼軌故障特征波。

1.2 波速與故障特征波的確定

波速可以根據鋼軌電參數，通過理論計算獲取，但在實際應用中，可利用高頻信號測量行波信號傳播的速度作為線路中行波的波速。

由于鋼軌與均流線、回流電纜相連接，連接點均為波阻抗不連續點，因此，鋼軌始端監測獲取的信號含有各種反射與折射的行波信號。絕緣損壞定位只需要故障點的反射波，該波稱為故障特征波。實際定位中，可以通過比較法來確定故障特征波。對線路正常時的反射波與線路發生絕緣損壞故障時的反射波進行對比，對比后差異波形的第一個畸變點就是故障點的反射波，也就是所需的故障特征波。確定故障特征波，可以獲得故障點反射波到達測量點的時刻，再根據C 型行波法定位原理對軌地絕緣局部損壞進行定位。

2 仿真分析

2.1 等效仿真模型

為驗證C 型行波法定位的可行性，依據時域有限差分思想，在電磁暫態仿真軟件的仿真平臺中，搭建鋼軌回流線路空間離散模型。仿真假設鋼軌長度為6 km，實際線路中，道岔數量很少，為簡化模型，仿真線路不設置道岔。鋼軌之間均流線的間距設置為400 m，回流電纜間距為2 000 m。如圖2所示的等效仿真模型中，在鋼軌始端注入脈沖寬度為1μs的電壓脈沖信號，根據內奎斯特采樣定理，采樣頻率不低于信號頻率的2倍，檢測裝置的采樣頻率設置為100 MHz。在鋼軌末端經與波阻抗值相同的純電阻接地，使鋼軌末端無電壓及電流反射，避免該處折射與反射對測量造成的影響。

圖2 等效仿真模型

2.2 仿真分析

為簡化仿真模型，仿真不考慮鋼軌接縫，鋼軌波阻抗取值70Ω。行波在介質中傳播速度μ為介質相對磁導數，ε為介質相對電系數。經分析計算，行波信號波速設為均流線長度取2 m，連接鋼軌與變電所整流柜負極的回流電纜長度取100 m。忽略導線電阻以及對地電導，分布參數電感設置為L＝1.228×10－4mH／m，電容設置為C＝3.296×10－4μF／m，注入脈沖信號幅值設置為100 V。假設局部絕緣損壞在距始端4 600 m 處，局部絕緣損壞處接地電阻初步設為0Ω。分別在正常情況與絕緣損壞情況下進行仿真，利用ATP仿真軟件的軌地局部絕緣損壞定位仿真電路如圖3所示。

圖3 軌地局部絕緣損壞定位仿真電路實景圖

經過仿真，得到正常線路行波信號與軌地局部絕緣損壞時線路行波信號如圖4所示。

對比圖4仿真波形可以看出，兩仿真波形差異非常小，并且顯得無規律可循，這表明均流線和回流電纜產生的反射信號淹沒了故障點反射信號。僅僅根據圖4b）對故障點的反射波進行判斷，顯得異常困難，也就無法對絕緣損壞進行定位。

為此，可以利用比較法來確定故障特征波，將正常線路與故障線路波形信號進行比較。通過MTLAB軟件，將正常行波信號數據與絕緣損壞時行波信號數據作相減運算，使用MATLAB 繪圖工具將運算結果繪圖，得到正常線路與局部絕緣損壞線路的差異波形，如圖5所示。

從圖5差異波形可以看出，波形突變點非常明顯，波形第一個畸變點所對應的時刻為t＝5.304 5×10－5s。此時刻之前的波形差異值為零，表明絕緣損壞以后，故障點之前的鋼軌線路反射過程和正常情況是一致的，但是在絕緣損壞處發生了不同于正常情況的波反射過程。在t＝5.304 5×10－5s時刻差異值不再為零，此時刻的波形信號便是故障點的反射波。根據前述定位原理，可以得到軌地絕緣損壞點在距離鋼軌線路始端4 594 m 處，與仿真設置參數4 600 m 相差6 m。

圖4 正常線路與局部絕緣損壞線路仿真信號波形

圖5 正常線路與局部絕緣損壞線路行波信號波形差

改變絕緣損壞處接地電阻，分別取10Ω、100Ω接地電阻。得到兩種情況下的仿真波形差，如圖6所示。

圖6 接地電阻改變時的仿真波形差

通過圖6分析可以看出，絕緣損壞處接地電阻發生改變時，畸變波形差的幅值發生明顯變化，隨著接地電阻的增大，幅值減小，但第一畸變點發生的時間并沒有改變，仍然發生在t＝5.304 5×10－5s處。這說明接地電阻的大小并不影響絕緣檢測的準確性。

通過仿真分析研究，說明利用C 型行波法進行軌地局部絕緣損壞定位是可行的，并且絕緣損壞處接地電阻的大小不影響檢測的準確性。

3 結語

通過測量過渡電阻，不能準確反映軌地局部絕緣情況。本文對基于C 型行波法軌地局部絕緣損壞定位進行分析研究，利用ATP與MATLAB 仿真軟件對定位方法進行仿真。仿真結果表明，此方法是可行的，并且絕緣損壞處接地電阻的大小不影響檢測的準確性。仿真是在理論情況下進行的，還有待于現場實際的驗證。

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