基于行波的全并聯(lián)AT接觸網多分支故障測距方案

黎寧昊

（中國鐵路上海局集團有限公司蘇州鐵路工程建設指揮部）

0 引言

近年來，隨著我國高速鐵路的快速發(fā)展，截止2020年全國高速鐵路運營里程高達12萬km，隨著高鐵事業(yè)的穩(wěn)定快速發(fā)展，高速鐵路電能質量顯得極為重要，牽引供電系統(tǒng)作為我國高速鐵路重要的組成部分，其系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接影響了高鐵動車組的安全運行。高速鐵路的供電系統(tǒng)沿鐵路沿線架設，線路走廊為荒郊野外，供電自然環(huán)境惡劣且無備用線路，傳統(tǒng)的故障測距方案為阻抗法故障測距，當線路發(fā)生故障跳閘時，通過故障時線路故障錄波來進行故障的阻抗計算，此類計算方法當故障為高阻故障時，故障測距精度較低，尤其是針對線路存在多段T接時，此時故障測距精度直接影響了高鐵停運時間，因此快速查找故障且恢復顯得極為重要。本文從行波法故障測距角度出發(fā)，利用行波法測距不受牽引供電系統(tǒng)運行方式的影響，從而實現(xiàn)多分支全并聯(lián)AT多分支線路故障測距。

1 多分支結構簡介

我國電氣化鐵路采用多種供電方式，由傳統(tǒng)的直供到帶回流線的供電方式再到自耦變壓器供電方式，無一不是為了滿足我國鐵路供電的穩(wěn)定性和高負荷性。由于我國高速鐵路的“八縱八橫”發(fā)展規(guī)劃，高速鐵路線路復雜程度越來越高，從傳統(tǒng)的上下行全并聯(lián)AT供電方式演變?yōu)槎喾种У纳舷滦腥⒙?lián)供電方式，如圖1所示為全并聯(lián)AT供電方式多分支線路示意圖，隨著全并聯(lián)AT供電方式的接線方式越來越復雜，線路呈現(xiàn)多段T接分支，導致原本阻抗均勻的線路變得線路阻抗呈現(xiàn)分段趨勢，導致應用于全并聯(lián)AT故障測距的阻抗法故障測距精度不高，甚至出現(xiàn)區(qū)段誤判情況，從而嚴重影響了高速鐵路穩(wěn)定運營，因此急需一種可滿足現(xiàn)行的上下行全并聯(lián)AT多分支線路故障測距方法。

圖1 分支全并聯(lián)AT供電示等效圖

2 行波測距原理

行波法故障定位是指在高壓線路上電壓或者電流發(fā)生抖動時，線路上會產生高頻暫態(tài)行波，利用高頻暫態(tài)行波進行在線路上折反射時間差來進行故障定位，行波法測距概念于20世紀80年代提出，經過傅里葉變換、小波包變換數(shù)據(jù)處理之后可求取行波折反射的時刻，結合現(xiàn)行的高精度GPS對時模塊，可實現(xiàn)線路的故障跳閘的精確定位，行波法故障定位最開始應用于高壓輸電線路上，由于高壓輸電線路線路雜波較少，線路環(huán)境雜質較少，可實現(xiàn)高壓輸電線路的故障精確定位。圖2為D行波法故障測距原理。

如圖2所示，m、n為兩行波監(jiān)測終端，Q點為接地故障點，Xm為接地放電點距離監(jiān)測終端m的距離，Xn為接地放電點距離監(jiān)測終端n的距離，當線路發(fā)生接地時，線路上會產生一個高頻暫態(tài)行波，向線路兩端沿線傳播，t1為故障點行波到達監(jiān)測終端m的時刻，t2為故障點行波到達監(jiān)測終端n的時刻，兩端采用高精度GPS對時可保證時刻一致，由于行波在高壓輸電線路中傳播速度C接近于光速，因此只需記錄t1、t2時刻即可求得故障點距離監(jiān)測終端的距離，以下為行波測距公式：

圖2 D行波法故障測距原理圖

近年來，隨著行波法故障定位在高壓輸電線路上的成熟應用，行波法故障測距開始應用于牽引供電系統(tǒng)，由于全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)越來越復雜，線路結構多樣化，因此針對全并聯(lián)AT供電多分支供電系統(tǒng)，傳感器的合理配置對故障測距顯得極為重要。

3 配置方案及故障判定

由于接觸網線路相比輸電線路結構較為復雜，可安裝傳感器位置較少，而行波監(jiān)測裝置對于安裝位置要求較高，因此合理的配置方案尤為重要。對于不存在分支T接的線路只需將行波監(jiān)測終端安裝于各所內上網線處即可完成故障測距，由于存在多段分支，T接處一般為下錨，因此，T線處不適合安裝傳感器，因此須通過其他手段來進行故障區(qū)間判定，以下為某鐵路局一條全并聯(lián)AT帶分支線路故障測距方案。

3.1 線路概況

以上海局管轄某全并聯(lián)AT帶分支線路為例，主線牽引所至第一段AT全長約為11.236km，主線第一段AT至第二段AT全長約為10.389km，T接支線為第一段AT和第二段AT之間，全長約為4.685km。由于此線路存在T接支線，因此阻抗法故障測距精度不高，且T接支線和第一段AT距離較近，因此經常存在區(qū)間判定錯誤。此線路故障頻發(fā)，阻抗法故障測距精度不高，因此選擇此線路作為行波測距監(jiān)測裝置示例。

3.2 配置方案

由于各個所內存在較長的上網線，因此，行波監(jiān)測傳感器可安裝于所內，且可實現(xiàn)T、F全線的故障監(jiān)測，而長T接支路由于從主線直接拉錨形成T接，因此長T接支路只能將行波監(jiān)測終端安裝于F線上，圖3為示例線路安裝傳感器示意圖。

針對此類多分支線路為實現(xiàn)全線線路故障精確定位，行波監(jiān)測裝置安裝配置圖如圖3所示，線路所有所內上網線上均安裝行波監(jiān)測裝置，方向朝向所內，長支線AT分區(qū)所在F線上T接點拉出位置安裝行波監(jiān)測裝置，以上配置可實現(xiàn)全線故障判定。

圖3 上海局某全并聯(lián)AT多分支安裝配置圖

3.3 故障判定

由于線路結構較為特殊，因此本文中只對線路單行發(fā)生故障時進行討論，此類全并聯(lián)AT供電方式，由于上行故障情況和下行故障情況時，傳感器采集到的電流方向類似，因此，只考慮主線故障和支線故障的區(qū)別，以下為故障時，規(guī)定所有監(jiān)測傳感器朝向所內為正方向，下表為各監(jiān)測終端電流方向。

表 不同情況下故障區(qū)段故障電流方向

如上表所示，當線路發(fā)生故障時，由于規(guī)定各監(jiān)測終端朝向所內為正方向，因此當上行主線T線故障時，監(jiān)測終端展現(xiàn)出來的電流方向是不同的，由于多分支支線上T線上無法安裝監(jiān)測裝置，因此只能用其他方法進行故障判定，在支線F線上安裝監(jiān)測終端可實現(xiàn)線路故障精確定位。當故障位于上行支線F線上時，只需通過上行F線上的兩終端故障電流方向相反即可進行判定；當故障位于上行支線T線上時，此時上行T線支線由于沒有條件安裝監(jiān)測終端，無法直接判定，通過主線上行所有T線監(jiān)測故障電流為相同正方向即可判定位于上行T線，由于行波具有耦合作用可通過F線行波進行耦合判定故障是否位于主線或者支線，從而實現(xiàn)線路的故障精確定位。

4 故障案例

此多分支線路于2020年3月安裝完畢，于2020年9月，線路電流增量保護跳閘，牽引所Ⅰ段保護，重合閘失敗，故障測距距離牽引變電所13.468km，故障位于主線上，故障公里標為Kxx＋xxx。線路發(fā)生跳閘后，行波監(jiān)測裝置啟動，如圖4所示，為線路上行主線T線三個所內故障時工頻電流方向。

圖4 上行主線T線工頻故障電流

由圖4對于表可知，本次故障位于上行供電臂，本次故障為T線故障，利用支線上行F線兩監(jiān)測終端進行故障判定，為故障距離分支末端F線2.385km，通過主線第一段AT和第二段AT進行故障判定，故障定位于支線T接點附近，因此判定故障位于分支T線，圖5為行波判定過程。

圖5 上行主線T線行波電流

由圖5可知，通過第一段AT和第二段AT進行計算，將t1和t2帶入式（1）、（2）、（3）進行故障計算，可得出故障點位于主線T接點處，由此可判斷故障為支線故障，依據(jù)行波的耦合效應，如圖6所示為支線F線兩終端行波電流圖，通過圖6可計算時間差Δt＝8.2ms，可知故障點距離分支末端T線2.385km。

圖6 支線F線行波電流

上海局某段某車間在收到故障測距信息后，迅速趕往現(xiàn)場，由于阻抗法故障測距與行波法故障測距方向不同，最后人分兩波分別對此供電臂進行巡視，在主線阻抗法測距點前后1km進行故障排查，在支線行波法故障測距處進行排查，于支線T線處發(fā)現(xiàn)故障點，故障距離支線分區(qū)所末端2.488km發(fā)現(xiàn)故障點，本次故障為高阻接地故障?，F(xiàn)場運維人員快速排除故障，減少了高鐵被迫停運時間。

5 結束語

1）傳統(tǒng)的阻抗法對于全并聯(lián)AT多分支線路故障測距精度較低，線路阻抗不均勻可能導致測距區(qū)間錯誤。

2）合理配置傳感器安裝位置，可通過故障時，傳感器采集到的電流方向進行故障區(qū)間判定。

3）由于行波法測距不受系統(tǒng)的接地過渡阻抗影響，因此，相比通過故障時電壓、電流量計算出來的阻抗量，行波法測距更為準確，精度更高。

4）行波法測距具有較高的及時性和精確性，對重合閘失敗線路巡線具有極高指導意義和價值，可快速恢復高鐵線路的供電，減小國民經濟損失，從而實現(xiàn)經濟效益。