一種高速鐵路貫通地線斷線故障定位方法

潘怡林，陳麗華，黃 文，何正友，王 科

（西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031）

0 引言

為了降低鋼軌電位，保障人身、設(shè)備安全，我國(guó)高速鐵路廣泛采用綜合接地系統(tǒng)。貫通地線是綜合接地系統(tǒng)的重要組成部分，它將沿線的電力供電設(shè)備、信號(hào)設(shè)備、建筑物、站臺(tái)、橋梁和隧道鋼筋等連成一體［1］，一旦出現(xiàn)故障將帶來(lái)嚴(yán)重后果，如沿線設(shè)備缺少等電位接地體，不同設(shè)備參考地電位存在偏差從而引起保護(hù)誤動(dòng)作；牽引回流系統(tǒng)缺少一條重要的回流通路，造成電流分配不均、鋼軌電位過(guò)高［2-3］。由于貫通地線常年埋在地下并貫穿整條線路，因此，如何在不開(kāi)挖的前提下精確定位貫通線斷線故障點(diǎn)，縮短故障檢修時(shí)間，對(duì)保障牽引供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行具有重要的意義。

在電力系統(tǒng)中，很多學(xué)者針對(duì)不同導(dǎo)體斷線的識(shí)別方法展開(kāi)了深入研究。應(yīng)用較多的有脈沖反射法［4］、節(jié)點(diǎn)電壓測(cè)試法［5］、支路電阻測(cè)量法［6］以及電橋法與放音法相結(jié)合［7］等。這些方法在實(shí)際中已得到良好的應(yīng)用。在牽引供電系統(tǒng)中，針對(duì)貫通地線斷線的診斷方法少有文獻(xiàn)報(bào)道，文獻(xiàn)［8］提出在貫通地線上設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)觀察電流變化來(lái)確定是否斷線，該方法原理簡(jiǎn)單且直觀，但考慮到實(shí)際貫通地線每隔500 m左右會(huì)和保護(hù)線連接一次［1］，采用該方法需要沿線設(shè)置大量的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，且只能進(jìn)行區(qū)段定位，不能實(shí)現(xiàn)精確定位。由于貫通地線是埋地的銅絞線，又沿著線路全線鋪設(shè)進(jìn)行單相交流回流，電力系統(tǒng)中的許多方法均不適用于貫通地線故障定位研究。

本文針對(duì)以上問(wèn)題，結(jié)合上述方法和牽引供電系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出了一種貫通地線斷線故障精確定位的方法。首先，理論分析應(yīng)用信號(hào)電纜護(hù)層電流進(jìn)行區(qū)段定位的可行性；接著，分析貫通地線地表電位分布，根據(jù)地表電位分布規(guī)律對(duì)貫通地線的斷點(diǎn)進(jìn)行精確定位；最后，通過(guò)CDEGS仿真平臺(tái)對(duì)本文所提出的方法進(jìn)行仿真校驗(yàn)。

1 牽引供電綜合接地系統(tǒng)

高速鐵路牽引供電系統(tǒng)普遍采用全并聯(lián)自耦變變壓器（AT）供電方式，主要包括牽引變電所、牽引網(wǎng)和綜合接地系統(tǒng)三部分，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 AT供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of AT-fed system of high-speed railway

圖中，AT1和AT2為2個(gè)AT，兩AT所之間的距離一般在10～15 km［14］。牽引網(wǎng)為動(dòng)車(chē)組提供電能，并通過(guò)鋼軌和綜合接地系統(tǒng)進(jìn)行回流。綜合接地系統(tǒng)包括貫通地線、保護(hù)線和線路上的各個(gè)橫向連接線，同時(shí)沿線強(qiáng)弱電設(shè)備、橋梁隧道鋼筋結(jié)構(gòu)、各類電纜護(hù)層接地全部接入貫通地線。線路中的橫向連接大部分是通過(guò)2根軌道之間的扼流變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，同時(shí)沿線信號(hào)電纜也通過(guò)扼流變壓器的中性點(diǎn)與貫通地線形成連接，從而形成電纜護(hù)層的雙端接地。相鄰扼流變壓器的間距在1.5 km左右［1］，根據(jù)扼流變壓器的間距，一條長(zhǎng)線路可劃分為若干小區(qū)間。相鄰扼流變壓器之間的連接關(guān)系如圖2所示。

圖2 相鄰扼流變壓器連接示意圖Fig.2 Schematic diagram of connection between two adjacent impedance transformers

2 貫通地線斷線分析

2.1 信號(hào)電纜護(hù)層電流分析

信號(hào)電纜護(hù)層可等效為阻抗模型，通常保護(hù)線和貫通地線每隔500 m連接一次［1］，2個(gè)扼流變壓器之間線路可等效為如圖3所示的電路模型。

圖3 扼流變壓器之間線路等效電路Fig.3 Equivalent circuit between impedance transformers

圖中，I為鋼軌流入扼流變壓器的電流有效值，Z1和Z2分別為長(zhǎng)500 m的保護(hù)線和貫通地線等效阻抗，Z3為電纜護(hù)層阻抗。由基爾霍夫電壓定律知，流過(guò)信號(hào)電纜護(hù)層的電流有效值I0為：

若中間段的貫通地線發(fā)生斷裂，其等效電路如圖4所示。

圖4 貫通地線斷裂時(shí)的等效電路Fig.4 Equivalent circuit with broken integrated grounding line

此時(shí)，信號(hào)電纜護(hù)層電流I′0可表示為：

對(duì)比式（1）、（2）可知，I′0＞I0，即當(dāng)貫通地線發(fā)生斷裂后，流過(guò)電纜護(hù)層的電流增大。同理可驗(yàn)證貫通地線任何一段發(fā)生斷裂后，離斷點(diǎn)最近的2個(gè)扼流變壓器之間連接的信號(hào)電纜護(hù)層電流會(huì)增大，由此可判斷貫通地線斷裂所在區(qū)段。

2.2 貫通地線地表電位分析

在獲取貫通地線斷線區(qū)段后，向故障區(qū)段鋼軌的首端注入直流電流，此電流通過(guò)線路橫向連接流入貫通地線，通過(guò)檢測(cè)貫通線上方電位的變化情況，實(shí)現(xiàn)對(duì)貫通地線的斷點(diǎn)進(jìn)行精確定位。常用地表電位計(jì)算法主要有矩量法、有限元法、鏡像法等［11］。下面結(jié)合有限元法和鏡像法來(lái)計(jì)算貫通地線的地表電位。貫通地線可按一定的長(zhǎng)度劃分為多個(gè)有限元，如圖5所示。

圖5 鏡像法求地表電位示意圖Fig.5 Schematic diagram of image method to measure surface potentials

圖中，微元1在空間任意一點(diǎn)產(chǎn)生的電位為［11］：

其中，ρ為土壤電阻率；r為微元中點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)p的距離；r0為微元鏡像點(diǎn)到場(chǎng)點(diǎn)p的距離；Ileak1為微元1處的泄漏電流。

當(dāng)場(chǎng)點(diǎn)p位于土壤與地表的分界面時(shí)，有r=r0，則地面上任意一點(diǎn)的電位為：

根據(jù)疊加定理，貫通地線產(chǎn)生的地表電位Ud的通用計(jì)算公式可表示為：

圖5中p點(diǎn)地表電位可表示為：

當(dāng)圖5中所示貫通地線存在斷線時(shí)，注入的電流可通過(guò)保護(hù)線傳輸?shù)綌嗑€的另一端，如圖6所示。

由于斷點(diǎn)處泄漏到大地中的電流為0，則p點(diǎn)電位為：

圖6 鏡像法求斷線時(shí)的地表電位Fig.6 Schematic diagram of image method to measure surface potentials for broken integrated grounding line

比較式（6）和（7）可知，U′p＜Up。 即當(dāng)貫通地線存在斷線時(shí)，斷點(diǎn)附近的地表電位會(huì)減小?；诖丝膳袛嘭炌ǖ鼐€是否斷線，并對(duì)斷點(diǎn)進(jìn)行精確定位。

綜上分析，貫通地線斷點(diǎn)定位的方法流程如圖7所示。

圖7 確定貫通地線斷線位置流程圖Fig.7 Flowchart of break point determination

在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，每段信號(hào)電纜護(hù)層的電流具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，考慮到牽引供電系統(tǒng)具有一定的周期性，周期一般為24 h，因此可利用95%概率求出一天每個(gè)區(qū)段護(hù)層電流監(jiān)測(cè)值的95%概率極大值作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，以減小線路可能出現(xiàn)的瞬時(shí)故障對(duì)電流的影響。

另外，電流增大也可能是保護(hù)線發(fā)生斷線造成的。因此，應(yīng)先確定區(qū)段內(nèi)的保護(hù)線是否完好，進(jìn)而確定是否為貫通地線故障。

3 實(shí)例分析

3.1 牽引供電系統(tǒng)仿真模型及信號(hào)電纜護(hù)層電流仿真

某高速鐵路牽引供電系統(tǒng)采用AT全并聯(lián)供電方式，鋼軌和保護(hù)線以及貫通地線每隔1.5 km連接一次；上下行鋼軌、保護(hù)線和貫通地線每隔1.5 km連接一次；保護(hù)線和貫通地線每隔500 m橫連。其中一個(gè)AT段長(zhǎng)度為12 km，信號(hào)電纜型號(hào)SPTYWPL-2344A［3］，鋁護(hù)套外徑為 31.2 mm，厚度為 1.2 mm，護(hù)層直流電阻為0.8 Ω。貫通地線埋地深度為0.7 m，土壤電阻率為100 Ω·km，其他導(dǎo)體型號(hào)及參數(shù)如表1所示?；贑DEGS仿真平臺(tái)，搭建某高鐵牽引供電系統(tǒng)仿真模型。

表1 相關(guān)導(dǎo)體型號(hào)Table 1 Type of related conductors

當(dāng)機(jī)車(chē)在不同位置時(shí)，每一段貫通地線正常和斷線故障2種情況下，流過(guò)每一段信號(hào)電纜護(hù)層的電流分布如圖8所示。

圖8 信號(hào)電纜護(hù)層電流分布仿真圖Fig.8 Simulative current distributions of signal cable sheath

從圖8中可知，當(dāng)列車(chē)運(yùn)行到某個(gè)區(qū)段附近時(shí)，該區(qū)段的信號(hào)電纜護(hù)層電流會(huì)達(dá)到最大值；當(dāng)各個(gè)區(qū)段的貫通地線發(fā)生斷線后，對(duì)應(yīng)區(qū)段的信號(hào)電纜電流變化的最大值會(huì)顯著增大。由此，可根據(jù)正常和故障時(shí)電纜護(hù)層電流的大小判斷故障所在區(qū)段。

3.2 貫通地線地表電位仿真

3.2.1 正常情況下貫通地線地表電位分布

向扼流變壓器區(qū)段一端的鋼軌注入50 A直流電流，貫通地線正常時(shí)，其正上方縱向1500 m范圍內(nèi)地表電位分布如圖9所示。

從圖9可知，從電流注入點(diǎn)首端到線路末端，地表電位呈現(xiàn)整體下降的趨勢(shì)，這是由于外加注入的電流在沿著線路傳輸時(shí)泄漏到土壤中的電流越來(lái)越小，使地表電位也不斷降低。

圖9 貫通地線地表電位分布圖Fig.9 Simulative earth surface potential distribution of integrated grounding line

3.2.2 斷線故障后貫通地線地表電位分布

在一個(gè)區(qū)段中分別在貫通地線700 m、900 m、1100m處設(shè)置斷裂點(diǎn)，向扼流變壓器區(qū)段的鋼軌一端注入50 A直流電流，其地表電位分布如圖10所示。

圖10 貫通地線斷線時(shí)地表電位分布圖Fig.10 Simulative earth surface potential distributions of broken integrated grounding line

由圖10可知，當(dāng)斷點(diǎn)分別在距離貫通地線首端700 m、900 m、1100 m處時(shí)，對(duì)應(yīng)的地表電位出現(xiàn)了顯著的突變，說(shuō)明能從地表電位的分布來(lái)較精確地判斷貫通地線斷線的位置。其中1100 m位置斷點(diǎn)處的突變下降幅度很大，是因?yàn)樵?000 m處存在保護(hù)線和貫通地線的橫連線，1100 m處斷線后大部分電流會(huì)通過(guò)橫連線進(jìn)入保護(hù)線，導(dǎo)致后方貫通地線的泄漏電流極大降低，使地表電位急劇減小。

需要注意設(shè)置的斷點(diǎn)和仿真結(jié)果的電位突變點(diǎn)之間存在一定的誤差。并且，電位突變點(diǎn)都在斷點(diǎn)前方幾米。為了查看誤差的大小，不斷改變貫通地線斷開(kāi)的位置，每隔100 m進(jìn)行一次仿真，記錄地表電位突變點(diǎn)的位置和誤差。仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 斷點(diǎn)絕對(duì)誤差仿真Fig.11 Simulative absolute error of break point

通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)，地表電位突變點(diǎn)都會(huì)在斷裂點(diǎn)前方幾米處。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)修正的時(shí)候，可以適當(dāng)判斷故障點(diǎn)在電位突變點(diǎn)后方幾米。通過(guò)分析，其絕對(duì)誤差的平均值為4.85m，說(shuō)明本文所采用方法誤差較小，能夠?qū)收蠑帱c(diǎn)進(jìn)行較精確定位。

3.2.3 多點(diǎn)斷線貫通地線地表電位分布

同時(shí)在700 m和1200 m處設(shè)置斷點(diǎn)，向扼流變壓器區(qū)段的鋼軌一端注入50 A直流電流，貫通地線地表電位的分布如圖12所示。

圖12 貫通地線兩斷點(diǎn)時(shí)地表電位分布圖Fig.12 Simulative earth surface potential distribution of integrated grounding line with two break points

由圖12可知，2個(gè)斷點(diǎn)所在處的地表電位均發(fā)生了突變，說(shuō)明本文所采用方法能對(duì)多點(diǎn)故障進(jìn)行診斷。但是，如果2個(gè)故障點(diǎn)都在1 000 m之后，此方法只能定位前面那個(gè)故障。要解決這個(gè)問(wèn)題，可以在首端注入電流完成定位后，將首端末端顛倒，再?gòu)膮^(qū)段末端注入電流，測(cè)量地表電位來(lái)進(jìn)行定位。若2次地表電位突變點(diǎn)不是同一點(diǎn)，說(shuō)明出現(xiàn)了2個(gè)斷點(diǎn)均在1000m后的情況。

4 結(jié)論

本文提出了一種高速鐵路埋地貫通地線斷線定位的方法，通過(guò)理論分析和CDEGS仿真分析得到如下結(jié)論：

a.利用信號(hào)電纜護(hù)層電流能對(duì)牽引供電系統(tǒng)貫通地線的故障區(qū)段進(jìn)行精確定位；

b.根據(jù)地表電位分布情況可對(duì)故障區(qū)段的斷點(diǎn)進(jìn)行精確定位，絕對(duì)誤差在5 m左右，可用于現(xiàn)場(chǎng)修正；

c.該方法不受故障區(qū)段斷點(diǎn)數(shù)目的影響，能診斷出該區(qū)間內(nèi)的多個(gè)斷點(diǎn)。

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