戴麗君

(南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道供電系,南京 210031)

高速鐵路10 kV電力電纜行波故障測(cè)距系統(tǒng)的研制

戴麗君

(南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院鐵道供電系,南京 210031)

高速鐵路10 kV電力電纜的供電可靠性直接影響高速鐵路列車的安全、可靠運(yùn)行。針對(duì)高速鐵路10 kV電力電纜出現(xiàn)故障時(shí)的特征,提出一整套利用暫態(tài)行波的高速鐵路10 kV電力電纜行波故障測(cè)距方案,并研制出電纜行波故障測(cè)距系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)電纜行波采集裝置采集電纜銅屏蔽層接地引線上的電流信號(hào),采用單端行波故障測(cè)距原理進(jìn)行故障測(cè)距,同時(shí)介紹了電纜行波故障測(cè)距系統(tǒng)所用到的關(guān)鍵技術(shù)。實(shí)際運(yùn)行表明高速鐵路10 kV電力電纜行波故障測(cè)距系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)單端行波故障測(cè)距,而且測(cè)距精度很高,使高速鐵路10 kV電力電纜的在線監(jiān)測(cè)成為可能,具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

高速鐵路;電力電纜;行波;故障測(cè)距;在線監(jiān)測(cè)

隨著我國(guó)高速鐵路的快速發(fā)展,鐵路電力系統(tǒng)越來(lái)越多地采用10 kV電力電纜作為線路和綜合貫通線路。地方電力企業(yè)及工廠企業(yè)的大量運(yùn)行實(shí)踐表明,電力電纜并不是免維護(hù)的。電力電纜鋪設(shè)在地下,由于受到電場(chǎng)、磁場(chǎng)等因素的影響容易發(fā)生絕緣老化,造成突發(fā)停電及火災(zāi)隱患[1-3]。而高速鐵路電力系統(tǒng)的10 kV貫通電力電纜沿鐵路線帶狀分布,供電距離長(zhǎng),運(yùn)行環(huán)境多為偏遠(yuǎn)山區(qū),經(jīng)常穿越山川、河流等復(fù)雜地形,運(yùn)行環(huán)境相對(duì)惡劣,容易導(dǎo)致安全隱患,也給運(yùn)營(yíng)及維護(hù)造成更多不便。因此,采用現(xiàn)代化技術(shù)手段,對(duì)高速鐵路沿線的貫通電力電纜進(jìn)行必要的監(jiān)視和管理,是一項(xiàng)具有重要意義的工作。

目前電力電纜故障測(cè)距普遍采用的是行波法。行波法原理簡(jiǎn)單、不受電纜故障類型和線路不對(duì)稱因素的影響。文獻(xiàn)[4]針對(duì)10 kV客運(yùn)專線電力電纜貫通線故障定位問(wèn)題,采用C型行波法,通過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率、持續(xù)時(shí)間和頻帶寬度可調(diào)的高頻注入信號(hào)來(lái)進(jìn)行長(zhǎng)電纜貫通線路的故障測(cè)距;文獻(xiàn)[5-6]采用小波變換模極大值的方法分析故障行波信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)行波故障測(cè)距。文獻(xiàn)[7-8]都只是針對(duì)電力電纜出現(xiàn)的各種故障進(jìn)行模擬試驗(yàn),文獻(xiàn)[9]設(shè)計(jì)的異步傳輸?shù)姆植际借F路10 kV電力監(jiān)控系統(tǒng),對(duì)于實(shí)現(xiàn)高速鐵路在線監(jiān)測(cè)具有重要意義。然而,總體上對(duì)于電力電纜故障測(cè)距的研究?jī)H停留在理論研究方面,沒(méi)有進(jìn)行實(shí)際的驗(yàn)證。本文提出一整套利用暫態(tài)行波的高速鐵路10 kV電力電纜行波故障測(cè)距方案,并研制出相應(yīng)的電纜行波故障測(cè)距系統(tǒng),利用單端行波測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距。

1 高速鐵路10 kV電力電纜行波故障測(cè)距系統(tǒng)的構(gòu)成

高速鐵路10 kV電力電纜行波故障測(cè)距系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示,整個(gè)系統(tǒng)由以下3部分構(gòu)成。

(1)箱變/遠(yuǎn)動(dòng)房電纜行波采集裝置

箱變/遠(yuǎn)動(dòng)房電纜行波采集裝置采集電纜銅屏蔽層接地引線上的工頻電流信號(hào)和2～125 MHz范圍內(nèi)的高頻暫態(tài)電流信號(hào),可監(jiān)視兩回10 kV三相單芯貫通電力電纜。

(2)主站

主站系統(tǒng)負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程調(diào)取各箱變/遠(yuǎn)動(dòng)房行波采集裝置記錄到的電纜故障行波數(shù)據(jù),并進(jìn)行電纜的故障測(cè)距。

(3)通信網(wǎng)絡(luò)

通信網(wǎng)絡(luò)可以直接采用鐵路遠(yuǎn)動(dòng)SCADA數(shù)據(jù)通信網(wǎng),也可以采用3G無(wú)線通信網(wǎng)。

2 行波故障測(cè)距原理

當(dāng)高速鐵路電力電纜某點(diǎn)的主絕緣發(fā)生故障時(shí),在故障點(diǎn)將產(chǎn)生高頻暫態(tài)行波,而且故障暫態(tài)行波將在故障相芯線和金屬護(hù)層之間傳播,如圖2所示。因此,通過(guò)在電纜金屬護(hù)層接地端安裝行波采集裝置并實(shí)時(shí)采集接地線上的高頻暫態(tài)行波電流,就可以進(jìn)行故障測(cè)距。

如圖2所示的單相電纜系統(tǒng)中,M端金屬護(hù)層直接接地,N端經(jīng)保護(hù)器接地。電纜MN內(nèi)部F點(diǎn)故障時(shí)產(chǎn)生的故障暫態(tài)行波信號(hào)將以速度v(v為已知量,具體取決于電纜分布參數(shù))從F點(diǎn)向電纜兩端傳播,規(guī)定從M端到F點(diǎn)的傳播方向?yàn)樾胁▊鞑サ恼较?在M端接地線中測(cè)量到的行波電流波形如圖2(b)所示。

圖2 電纜主絕緣故障暫態(tài)行波傳播示意

如圖2(a)所示,F點(diǎn)故障時(shí),產(chǎn)生故障暫態(tài)行波并分別向電力電纜線路兩端傳播,i(t)為第一個(gè)到達(dá)測(cè)量端M的反向行波,到達(dá)時(shí)刻記為TM1,之后i-(t)反射形成第一個(gè)正向行波i+(t),i+(t)到達(dá)故障點(diǎn)后再次反射形成反向行波iFR(t),到達(dá)測(cè)量端M的時(shí)刻記為TM2,由此故障距離表示為[10]

式中,v是波速度;Δt為測(cè)量點(diǎn)感受到故障初始行波浪涌與故障點(diǎn)第1次反射波之間的時(shí)延。

3 關(guān)鍵技術(shù)

(1)高頻暫態(tài)行波信號(hào)的獲取

由于電纜某點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)將在電纜接地回路中產(chǎn)生很高頻率的暫態(tài)行波信號(hào),需要設(shè)計(jì)專門的傳感器來(lái)獲取電纜銅屏蔽層接地線上的暫態(tài)行波電流信號(hào)。

傳感器帶寬需要滿足電纜故障定位分辨率的要求。為了達(dá)到小于1 m的電纜故障定位分辨率,傳感器帶寬需要達(dá)到數(shù)十兆赫茲以上。本文設(shè)計(jì)的電流傳感器帶寬為125 MHz,可以很好地滿足電纜行波故障測(cè)距的需要。

(2)超高速數(shù)據(jù)采集

為了保證電纜故障定位的高分辨率,需要對(duì)電纜銅屏蔽層接地引線上的高頻暫態(tài)行波電流信號(hào)進(jìn)行超高速采集。為了達(dá)到小于1 m的電纜故障定位分辨率,行波信號(hào)采集頻率一般要達(dá)到近100 MHz,使用常規(guī)的由微處理器直接控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)的方式很難實(shí)現(xiàn)。為此,設(shè)計(jì)了專門的超高速數(shù)據(jù)采集電路單元來(lái)記錄故障行波電流信號(hào),其采樣頻率為250 MHz。

超高速數(shù)據(jù)采集電路的原理如圖3所示,由高頻傳感器獲取的暫態(tài)行波信號(hào),經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行增益調(diào)整和低通濾波送給高速模數(shù)轉(zhuǎn)換和高速比較器,在現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣的控制下根據(jù)高速比較器的輸出決定是否啟動(dòng)高速模數(shù)轉(zhuǎn)換和存儲(chǔ),中央處理器通過(guò)中斷得到數(shù)據(jù)有效信息,經(jīng)過(guò)算法處理,通過(guò)以太網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。

圖3 超高速采集電路原理

(3)準(zhǔn)確故障定位

采用匹配濾波器算法可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確故障定位[11]。設(shè)測(cè)量點(diǎn)感受到的故障后第1個(gè)行波電流脈沖為i1(t),與其對(duì)應(yīng)的故障點(diǎn)反射波引起的電流脈沖為i2(t),t∈[0,T],其中T略大于該行波浪涌所占的時(shí)間寬度,則匹配濾波器的沖擊響應(yīng)可以表示為

匹配濾波器對(duì)故障點(diǎn)反射波引起電流脈沖i2(t)的響應(yīng)可以表示為

式中,ΔT為行波在測(cè)量點(diǎn)與故障點(diǎn)之間往返一次的傳播時(shí)間。

當(dāng)匹配濾波器檢測(cè)到故障點(diǎn)反射波引起的電流脈沖時(shí),其輸出達(dá)到最大值。設(shè)匹配濾波器輸出在t=τ時(shí)刻達(dá)到最大值,則故障點(diǎn)到本端測(cè)量點(diǎn)的距離可以表示為

式中,v為波速度。

利用式(4)即可實(shí)現(xiàn)電力電纜故障的準(zhǔn)確測(cè)距。

4 實(shí)際應(yīng)用案例

2012年4月,項(xiàng)目研制的高速鐵路10 kV電力電纜行波故障測(cè)距系統(tǒng)在上海虹橋動(dòng)車所投入試運(yùn)行,監(jiān)視1號(hào)環(huán)網(wǎng)柜的1回10 kV三相單芯貫通電力電纜,整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成如圖4所示。

圖4 上海虹橋動(dòng)車所貫通電纜行波故障測(cè)距系統(tǒng)構(gòu)成

2013年7月7日早晨7 h 23 min 17 s,系統(tǒng)所監(jiān)視的B相電纜產(chǎn)生故障暫態(tài)觸發(fā)。圖5給出了系統(tǒng)采集到的故障暫態(tài)行波波形。通過(guò)分析可以確定電纜故障距離為2 640.57 m(測(cè)距波速度為170 m/μs),實(shí)際故障點(diǎn)位置與此相吻合。

圖5 故障暫態(tài)行波波形

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)高速鐵路10 kV電力電纜,提出一整套利用暫態(tài)行波的高速鐵路10 kV電力電纜行波故障測(cè)距方案,并研制出相應(yīng)的電纜行波故障測(cè)距系統(tǒng),利用單端行波測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)故障測(cè)距。實(shí)際的運(yùn)行表明,高速鐵路10 kV電力電纜行波故障測(cè)距系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電力電纜故障的準(zhǔn)確測(cè)距,具有很強(qiáng)的實(shí)用性,可以推廣到6 kV及以上電壓等級(jí)的電力電纜使用。

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Development of Traveling-Wave Fault Location System of 10 kV Power Cable for High-speed Railway

DAI Li-jun
(Faculty of Railway Power Supply,Nanjing Institute of Railway Technology,Nanjing 210031,China)

The power supply reliability of 10 kV power cable of high-speed railway directly affects the safe and reliable operation of high-speed trains.Focusing on the failure features of 10 kV power cable of high-speed railway,this paper put forward a set of traveling-wave fault location scheme of 10 kV power cable for high-speed railway by using the transient travelling wave,and then developed the cable traveling-wave fault location system.The key technologies used in the cable traveling-wave fault location system were introduced in this paper.This system collects the electrical current signal of the ground lead of copper shielding layer of the cable by using a cable traveling-wave collection device,and performs fault location by using single-ended traveling-wave fault location principle.Actual operation shows that this 10 kV power cable traveling-wave fault location system of high-speed railway not only can implement single-ended traveling-wave fault location,but also can work at higher location accuracy,making the on-line monitoring of 10 kV power cable of high-speed railway possible,and having very strong practicability.

high-speed railway;power cable;traveling wave;fault location;on-line monitoring

U238;U226

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.036

1004-2954(2014)08-0148-04

2014-05-15

戴麗君(1967—),女,副教授,1990年畢業(yè)于華東交通大學(xué),工學(xué)學(xué)士,E-mail:1170899318@qq.com。