基于鐵路10kV電力線路故障在線監測技術研究

中國鐵路設計集團有限公司 張 瑩

基于鐵路10kV 電力線路故障在線監測技術是通過對電力線路運行參數和狀態量的監測，實現對電力線路運行狀態的監測與診斷，通過對狀態量的分析及判斷能夠及時發現故障點并進行報警。在實際運行中，由于環境條件等因素影響很難做到全面、準確地收集到全部運行參數和信息[1]。

1 10kV 鐵路電力線路故障在線監測系統的構成與應用原理

10kV 電力線屬于城市交通電力網絡的重要組成部分，由于其傳輸距離遠，所以供電可靠性高。其具有以下特點：鐵路10kV 電力線傳輸距離長，線路易發生故障，故障排查困難；電力線運行過程中需要通過電容、電感、電阻等元器件進行能量的轉換和傳遞，如果這些元器件發生故障，則會導致整個電力線路出現故障，影響鐵路運輸的安全性。鐵路10kV 電力線在實際運行過程中會受到外部環境和條件的影響，因此容易出現安全事故。在鐵路10kV 電力線路出現故障的情況下，首先要對故障點進行定位。在實際工作中，可以采用感應電流法來實現對鐵路10kV 電力線路故障進行檢測和定位，這種方法不需要借助額外的監測設備就可以實現對電力線路故障點的監測和定位[2]。

10kV 鐵路電力線路故障在線監測系統包括：檢測單元、數據采集單元、數據處理單元、監控管理中心。檢測單元：主要由10kV 電力線路故障在線監測系統的供電電源、數據采集單元、數據處理單元、監控管理中心構成。其主要作用是檢測10kV電力線路出現的故障，并通過實時監測、自動報警等方式對故障進行排除，以保證鐵路交通運輸的安全；數據采集單元：主要由通信模塊、數據采集模塊、時鐘模塊等組成。其主要作用是收集電力線路運行過程中的數據信息，并將這些信息通過GPRS或者GPRS/CDMA 網絡傳輸到監控管理中心，并對其進行有效處理，從而實現對電力線路運行過程中的故障進行遠程診斷。

數據處理單元：主要由計算機和軟件組成。其主要作用是對采集到的數據信息進行處理，并將處理后的結果通過GPRS/CDMA 網絡傳輸到監控管理中心，以實現對鐵路電力線路運行過程中的故障進行遠程診斷；監控管理中心：主要由服務器、數據庫、系統管理軟件、軟件開發工具包、圖形用戶界面等構成。其主要作用是將電力線路運行過程中采集到的數據信息進行處理，并將處理結果以圖形界面的形式顯示出來，從而實現對鐵路電力線路運行過程中的故障進行遠程診斷，同時利用數據庫對數據進行存儲和管理，并通過服務器將數據信息推送到計算機終端，以實現對鐵路電力線路運行過程中的故障進行遠程診斷。

在鐵路電力線路故障在線監測系統的前端，需要安裝各類在線監測裝置，如電流互感器、電壓互感器等；在服務器端需要安裝各類數據庫，如電力線路模型、數據庫等；在監測終端則需安裝各類傳感器，如電流傳感器、溫度傳感器等。電力線路故障在線監測系統的功能作用，主要是通過采集、處理數據來完成故障報警。

在線監測系統在鐵路電力線路運行中的具體應用過程如下：首先，在鐵路電力線路運行中，需要利用電流互感器將鐵路電力線路的電壓、電流數據采集下來；其次，當鐵路電力線路發生故障時，通過電流互感器將電流數據傳輸到服務器端；最后，服務器端會將故障信息反饋到在線監測系統中，在線監測系統會對信息進行分析處理，判斷出具體的故障類型并及時發出報警信號[3]。

2 故障顯示裝置的應用

2.1 故障類型

目前，我國10kV 鐵路電力線路應用的大多是消弧線圈接地或者是不接地形式的小電流系統，所以在具體運行中，其主要的故障類型有單相接地、兩相接地、兩相短路以及三相短路4種。單相接地故障是10kV 電力線路中最為常見的一種故障類型，其發生的頻率較高，如果發生了單相接地故障，則會導致電力線路的絕緣保護失效，進而出現了整個系統被破壞的情況。單相接地故障的發生原因是多方面的，其主要可以分為兩個方面：一是鐵路電力線路在正常運行時出現了絕緣薄弱處，其會導致單相接地故障的發生；二是由于線路運行人員在工作中操作不當使得接地電流較大，從而造成了單相接地故障的發生。

當鐵路電力線路中發生單相接地故障時，由于其電壓值不是很高，其發生電弧放電的概率非常小，因此這種故障情況下的電力線路也就不會出現電弧放電。但由于在鐵路電力線路中發生了單相接地故障，其會對系統中的其他設備產生較大影響，并且也會對鐵路電力線路的正常運行產生嚴重的影響[4]。

圖1 單相接地故障

兩相接地：當鐵路電力線路中發生單相接地故障時，當其三相電壓值處于平衡狀態時，由于中性點不接地，所以也就不會產生電弧，所以這種故障情況下的電力線路不會出現電弧放電。但在鐵路電力線路中如果發生了兩相接地故障，則其會在中性點出現接地電流，使得中性點電位升高，最終會使該線路的絕緣保護失效，進而導致電力系統出現故障。在鐵路電力線路中發生兩相接地故障時，其主要原因可分為以下方面：一是由于鐵路電力線路中發生了兩相接地故障，進而導致中性點電壓升高；二是由于鐵路電力線路中的避雷器以及電纜存在了過電壓；三是由于鐵路電力線路中存在的過電壓引起的，同時也可以將鐵路電力線路中的電纜絕緣擊穿；四是由于鐵路電力線路中存在的電弧接地引起的，并且在該故障情況下還會有弧光接地。

兩相短路：鐵路電力線路中發生的兩相短路故障主要是因為電網中存在電容電流以及鐵磁諧振現象，這種故障發生的頻率相對較低，但是對于整個電力系統的危害極大，因此必須要引起足夠的重視。在鐵路電力線路中，由于其中性點采用的是消弧線圈，所以當發生兩相短路故障時，其會在故障點產生較大的電容電流，而電網中存在的鐵磁諧振現象則會使中性點出現零序電壓，最終導致電網中的電流在瞬間達到很高的數值。

三相短路：當鐵路電力線路中發生三相短路故障時，其發生的頻率較高，并且會對整個電力系統造成較大的影響。通常情況下，三相短路故障主要是因為線路中存在著兩個并聯的變壓器，或者是母線以及電容式電壓互感器等設備，從而使系統中產生了鐵磁諧振現象。

2.2 監測方法

10kV 鐵路電力線路單相接地故障的主要監測方法有首半波法、諧波方向法、信號注入法以及零序電流法等。首半波法是指當故障發生時，通過測量首半波的幅值以及相位來判斷是否發生了單相接地故障。信號注入法是指通過向線路注入零序電流的方法，在線路故障點注入零序電流，判斷是否發生了單相接地故障[5]。根據上述分析可知，10kV鐵路電力線路單相接地故障在線監測裝置的工作原理是：當10kV 鐵路電力線路出現單相接地故障時，零序電流互感器中的信號會發生改變，從而使其內部的勵磁繞組產生變化，通過測量勵磁電流的大小可以判斷出是否發生了單相接地故障。

基于上述分析可知，基于鐵路10kV 電力線路單相接地故障在線監測裝置中的零序電流互感器在采集回路中的零序電流數據時，需要對其進行特殊處理。首先，將采集到的零序電流數據通過高頻信號發生器產生相應頻率的高頻信號；其次，將高頻信號通過濾波器濾波處理；再次，將濾波后的高頻信號經過整流電路轉換成直流電壓，并通過開關控制電路使其導通；最后，將該直流電壓經過穩壓電路后變成相應頻率的交流電壓信號，并通過相應的檢測電路來判斷該交流電壓信號是否達到報警值。對于該裝置來說，為了提高其檢測性能和測量精度，需要在保證檢測精度的前提下對其進行優化設計。

3 系統應用分析

3.1 太陽能通信主機的應用

太陽能通信主機通過光纖傳輸到線路故障在線監測系統的信號采集端，完成實時數據采集及傳輸。太陽能通信主機將采集到的現場數據通過光纖傳輸到遠方監控中心，實現了電力線路的故障監測。太陽能通信主機采用雙CPU 系統設計以保證數據采集和傳輸的實時性，系統采用模塊化設計，各模塊均有各自的功能。

其中，太陽能通信主機與監測終端之間的通信采用光纖網絡，為保證數據傳輸的穩定性和實時性要求，光纖采用光電混合接口，并采用“1+1”冗余配置方式，即有一條光纖作為主干光纖、一條備用光纖作為后備光纖；太陽能通信主機與監測終端之間的通信采用CAN 總線。CAN 總線具有實時性、可靠性和開放性等特點，而太陽能通信主機與監測終端之間的通信主要是通過CAN 總線進行的，該方式具有實時性、開放性等特點。

OPC Server 是一種工業標準的企業應用軟件，可以通過TCP/IP 協議與其他計算機或數據采集設備進行信息交換。在OPC Server 中可以方便地實現各種信息的采集、處理、分析、顯示和存儲等功能。GPRS 網絡是一種面向全球開放的、可無限擴展和無限升級的無線數據傳輸網絡，通過GPRS 網絡傳輸數據可以實現遠距離、高速、穩定的傳輸。

3.2 系統主站的應用

太陽能通信主機通過CAN 總線將采集的數據傳輸到主站，主站軟件通過OPC Server 軟件對數據進行處理，并根據分析結果在界面上顯示出來，以便工作人員能夠及時掌握電力線路運行狀態[6]。

監控中心。可根據不同的需求設置不同的監控界面，包括各鐵路區段故障監測系統界面、各鐵路區段故障信息顯示界面、各鐵路區段設備故障信息顯示界面等；狀態評估。通過對電力線路故障進行分析，可判斷出電力線路運行是否正常，狀態是否存在異常情況；預警預報。利用太陽能通信主機采集到的電力線路實時狀態數據和歷史數據，結合線路實時運行情況進行分析和預報，以便于工作人員提前做好準備，保證鐵路電力線路的安全穩定運行。

設備監測。利用太陽能通信主機采集到的設備運行參數數據對設備進行實時監測，并結合當前設備的運行情況，給出相應的設備檢修建議；管理監控。利用太陽能通信主機采集到的數據對電力線路進行管理，包括對線路巡檢情況、故障搶修情況等進行統計分析和管理；操作培訓。利用太陽能通信主機采集到的電力線路故障數據和歷史數據，通過OPC Server 軟件對電力線路進行操作培訓。在培訓過程中，工作人員可以通過觀察實時監測數據和歷史監測數據了解當前電力線路運行狀態，以便更好地應對各種突發事件。同時在培訓過程中還可以學習到一些電力系統相關知識、了解一些專業術語等。

4 結語

鐵路電力系統特殊性較強，其電力線路運行環境較為惡劣且維護成本較高，為保證鐵路運輸安全，對鐵路電力線路的運行狀態進行實時監測的意義非常重要。實踐表明，基于太陽能通信主機的鐵路10kV 電力線路故障在線監測技術，可以為鐵路供電部門提供安全、可靠、準確的線路運行數據。