霍中原

（中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院，北京 100844）

AT供電方式接觸網(wǎng)故障測距誤差分析及對策

霍中原

（中國鐵路經(jīng)濟規(guī)劃研究院，北京 100844）

論述京滬高速鐵路供電方式及保護配置情況，從故障性質(zhì)判斷、AT供電方式測距結(jié)果決策、故障距離計算等方面闡述AT供電方式接觸網(wǎng)故障測距原理；從測距裝置數(shù)據(jù)、饋線保護裝置測距、與實際故障點比較及故障測距誤差原因等方面進行分析，并提出采用吸上電流比測距法和電抗測距法的對策及措施。

AT供電方式；接觸網(wǎng)；故障測距；誤差分析；高速鐵路

0 引言

隨著高速鐵路的快速發(fā)展，牽引供電接觸網(wǎng)成為重要的運輸裝備。接觸網(wǎng)所處的工作環(huán)境非常惡劣，長期處在大電流、高頻振動、強張力、持續(xù)磨損的工況中，是高速鐵路運輸保障系統(tǒng)中比較薄弱的環(huán)節(jié)。接觸網(wǎng)沿鐵路線路架設(shè)，電氣關(guān)聯(lián)的區(qū)域廣，一旦出現(xiàn)短路故障，如果不能精確判斷故障性質(zhì)和位置，就無法迅速恢復(fù)正常供電[1]。

京滬高速鐵路于2011年6月開通至今，接觸網(wǎng)短路故障時有發(fā)生，因故障測距不準確造成的故障地點誤判，延誤搶修時間的情況也有發(fā)生。因此，分析其誤差原因并采取應(yīng)對措施十分必要。

1 AT供電方式接觸網(wǎng)故障測距原理

1.1 京滬高速鐵路供電方式及保護配置

京滬高速鐵路采用全并聯(lián)AT供電方式，其AT供電牽引網(wǎng)示意見圖1。

圖1 AT供電牽引網(wǎng)示意圖

從圖1可知，京滬高速鐵路一側(cè)供電臂由牽引所、AT所、分區(qū)所組成，牽引所饋線保護設(shè)有阻抗一段保護（保護范圍為本供電臂全長的2倍，動作時限為0.1 s）、低壓啟動過流保護（后備保護，動作時限為0.1 s/0.4 s）、電流速斷保護（動作時限為0.06 s）和重合閘（重合時限為2 s）；AT所饋線保護設(shè)有失壓跳閘（動作時限為1 s）和檢有壓重合閘（重合時限為3 s）；分區(qū)所饋線保護設(shè)有阻抗一段保護（保護范圍為并聯(lián)供電臂全長）、失壓跳閘保護（動作時限為1 s）和檢有壓重合閘（動作時限為3 s/4 s）。

當(dāng)供電臂中出現(xiàn)接觸網(wǎng)短路故障時，無論故障在上行或下行，牽引所上下行饋線斷路器同時（0.1 s）跳閘；1 s后AT所、分區(qū)所饋線斷路器失壓跳閘；2 s后牽引所上下行饋線斷路器重合閘，出現(xiàn)故障的行別斷路器重合失敗，無故障的行別斷路器重合成功；3 s后AT所、分區(qū)所饋線斷路器檢測線路有壓重合成功，檢測線路無壓不重合，從而切除故障線路，保證另一供電臂正常供電。故障測距裝置在牽引所饋線斷路器重合之前啟動測距功能，通過專用故標(biāo)通道，將AT所、分區(qū)所測距裝置數(shù)據(jù)匯總到牽引所。

1.2 接觸網(wǎng)故障測距原理

通常情況下，接觸網(wǎng)短路故障分為瞬時故障和永久故障。瞬時故障可由重合閘恢復(fù)供電，但需立刻找到故障點并進行確認和處理，以防再次出現(xiàn)危及牽引供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行的隱患。永久性故障則需迅速查清故障情況并進行排除，前提是找到故障點的確切位置[1-3]。

（1）故障性質(zhì)的判斷。目前京滬高速鐵路主要采用吸上電流比故障測距方法。當(dāng)接觸網(wǎng)出現(xiàn)短路故障時，應(yīng)判斷其故障性質(zhì)邏輯關(guān)系（見圖2）。當(dāng)接觸網(wǎng)故障發(fā)生時，通過建立全并聯(lián)AT電流分布簡化模型（見圖3）進行短路電流分析。

通過測距裝置和牽引所饋線保護裝置故障報文，結(jié)合電流分布簡化模型，牽引所、AT所、分區(qū)所吸上總電流IAT總=IR1+IR2+IR3；牽引所饋線的總電流為I饋線總=IT1+IT2+IF1+IF2。如果IAT總=I饋線總，或數(shù)值相近，則測距數(shù)據(jù)真實有效。在確定測距數(shù)據(jù)真實有效的前提下，根據(jù)圖2進行故障性質(zhì)的判斷。

圖2 故障性質(zhì)邏輯關(guān)系

圖3 全并聯(lián)AT電流分布簡化模型示意圖

首先，判斷是否為T-F故障。引入經(jīng)驗值Iset= 1 000 A，如果max（|IR1|，|IR2|，|IR3|）＜Iset，則是T-F故障，采用單位電抗法，反之不是T-F故障。其次，故障區(qū)段判斷。由節(jié)點電流可以判定，吸上電流最大處與次大處之間即為故障區(qū)段。第三，故障方向和故障性質(zhì)判斷。在吸上電流最大處設(shè)max（|IT1|，|IT2|，|IF1|，|IF2|）= A，若A=IT1，則為下行T-R故障[4-5]。

（2）AT供電方式測距結(jié)果決策。故障測距包括測距裝置測距結(jié)果和饋線保護動作報告，若兩者結(jié)果相近，則測距結(jié)果完全可信；若誤差較大，保護動作為AT全并聯(lián)模式時，且饋出電流與吸上總電流基本一致，以AT測距結(jié)果為準；當(dāng)AT全并聯(lián)解列，且數(shù)據(jù)差異較大，以饋線直供測距為準。

（3）故障距離計算。當(dāng)出現(xiàn)永久性故障時，直接采用變電所測距裝置電抗法測距（數(shù)據(jù)采用重合閘失敗后的測量電抗），測距公式為：

式中：D1為T線第一段距離；X為實測電抗值；x1為T線第一段單位電抗；x2為T線第二段單位電抗。

出現(xiàn)非永久性故障時，采用（單相接地）吸上電流比故障測距法，其故障測距模型見圖4，測距公式為：

式中：q為吸上電流比；Ln為第n個子所距牽引所距離；Qn為第n個子所AT漏抗；In為第n個子所吸上電流值；Kn為第n個子所電流分布系數(shù)。

圖4 故障測距模型示意圖

2 故障測距誤差分析

接觸網(wǎng)實際運營時，瞬時性單相接地故障比例較高，其次是永久性單相接地故障，T-F短路故障出現(xiàn)的概率較小。由于接觸網(wǎng)運行環(huán)境差和長期磨損，其單位電抗出現(xiàn)變化，且吸上電流比測距法易受AT漏抗、大地漏抗等因素影響，相關(guān)定值會出現(xiàn)偏差，必然形成故障測距誤差。

2012年8月8日，京滬高速鐵路無錫牽引所211DL和212DL跳閘，212DL重合成功，211DL重合失敗，京滬高速鐵路741單元停電。根據(jù)故障測距和饋線保護裝置報文，在AT簡化模型上進行短路電流分析（見圖5）。

圖5 短路電流分析示意圖

通過分析和比較牽引所、AT所、分區(qū)所吸上電流值和短路電流，判斷故障在第一區(qū)段下行T線。

（1）測距裝置數(shù)據(jù)分析。測距裝置定值見表1。

表1 測距裝置定值

由式（2）計算可得故障距離為2.146 km，換算成公里標(biāo)為1 211.65。

（2）饋線保護裝置測距分析。饋線保護裝置測距定值見表2。

表2 饋線保護裝置測距定值

由式（1）計算可得故障距離為3.160 km。

（3）與實際故障點比較分析。經(jīng)過網(wǎng)工區(qū)上道檢查，實際故障點在無錫東站5道91#—97#接觸網(wǎng)，故障距離為2.620 km，吸上電流比測距法相差-0.472 km，饋線保護裝置測距相差0.540 km。

（4）故障測距誤差原因分析。針對單一故障情況，允許誤差在±0.5 km，無錫東牽引所測距裝置和饋線保護裝置測距結(jié)果都存在較大偏差，經(jīng)過核對相關(guān)定值，發(fā)現(xiàn)了問題原因。一是測距裝置。修正距離應(yīng)為供電線的長度（0.152 km），該定值項未填。二是饋線保護裝置。T線第一段距離應(yīng)為供電線長度（0.152 km），輸入錯誤；T線第二段為第一AT區(qū)段，由于有加強線，單位電抗應(yīng)變小。

3 對策及措施

京滬高速鐵路日行車量較大、車次較密，對接觸網(wǎng)的安全穩(wěn)定性要求更高。在接觸網(wǎng)出現(xiàn)短路故障后，通過裝置測距結(jié)果比對實際故障點，對相關(guān)定值進行修改，以期再次出現(xiàn)故障時能夠精確定位。在此基礎(chǔ)上，針對現(xiàn)有測距裝置和饋線保護裝置的測距功能，技術(shù)人員應(yīng)采取分析方法輔助開展故障點查找。

（1）吸上電流比測距法。由于測距時吸上電流比受到AT漏抗、站場、大地泄露等影響，可采用分段線性測距法進行輔證，將供電臂范圍內(nèi)歷次故障跳閘吸上電流比和對應(yīng)的故障距離進行統(tǒng)計（見表3）。

表3 吸上電流比與故障距離的統(tǒng)計數(shù)據(jù)

以第二區(qū)段為例，將統(tǒng)計的吸上電流比與對應(yīng)的故障距離形成分段線性測距原理（見圖6）。

圖6 分段線性測距原理

從圖6可知，通過分析新的測距報文，計算q值，對應(yīng)故障距離為X。分段線性測距公式為：

通過反復(fù)整定吸上電流比與故障距離的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，故障區(qū)段越小，故障距離越精確，故障點定位也越準確。

（2）電抗測距法。由于站場的存在，同一供電臂上單位電抗與正線區(qū)間不同，需分段線性整定，一般站場的單位電抗值按區(qū)間單位電抗的1/3整定。無錫東牽引所下行供電臂上有惠山站，測得其電抗值與故障距離的對應(yīng)關(guān)系見圖7。

圖7 電抗值與故障距離的對應(yīng)關(guān)系

從圖7可得電抗法故障距離計算公式為：

4 結(jié)束語

高速鐵路接觸網(wǎng)發(fā)生短路故障時，故障測距是判斷故障地點、指揮搶修的重要技術(shù)手段。在此提出的測距誤差對策和措施，需要相關(guān)技術(shù)人員反復(fù)驗證和數(shù)據(jù)收集，實施后能夠輔助測距裝置和饋線保護裝置更準確地判斷故障點，以縮短搶修時間，快速恢復(fù)接觸網(wǎng)供電。

[1]王俊儒.牽引接觸網(wǎng)故障測距應(yīng)用及準確度調(diào)整淺析[J].電氣化鐵道，2013(4)：16-19.

[2]程宏波，王勛，宋志成，等.一種考慮機車影響的接觸網(wǎng)故障測距方法[J].電力系統(tǒng)保護與控制，2012(21)：25-29，35.

[3]錢平慎.高速鐵路接觸網(wǎng)故障測距的分析[J].電氣 化鐵道，2012(5)：25-27.

[4]錢平慎.長吉城際鐵路接觸網(wǎng)AT供電方式故障測距 的分析[J].中國科技信息，2012(8)：91，102.

[5]程云強.基于接觸網(wǎng)的雙端行波故障測距的應(yīng)用[J]. 江西科學(xué)，2012(2)：207-210.

責(zé)任編輯盧敏

Study on Location Error Analysis and Countermeasure for Failure of AT-powered OCS

HUO Zhongyuan
（China Railway Economic and Planning Research Institute，Beijing 100844，China）

The power supply mode and power supply protection facilities are introduced. The failure locating principle for AT-powered OCS is elaborated in terms of failure diagnosis, location result determination, failure distance calculation, etc. The locating device data, feeder line protection device location, comparison with actual failure point and the reason for location error are analyzed and the current ratio location method and reactance location method are according proposed to solve the problem.

AT power supply mode；OCS；failure location；error analysis；high speed railway

U225

A

1001-683X（2017）05-0037-05

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.05.037

2017-03-02

霍中原（1971—），男，高級工程師。

E-mail：huozhongyuan@sina.com