提高合寧客運專線故障測距精度的研究與改進措施

張國棟 上海鐵路局合肥供電段

電氣化鐵道牽引供電系統的能量傳輸是通過機車的受電弓和接觸網的滑動接觸來實現的，由于接觸網的特殊性：主要表現在露天設置，對氣候變化敏感、無備用性、機電復合性、負荷的不確定性和移動性，不可避免的會發生故障。而接觸網作為牽引供電系統重要環節，擔負著把從牽引變電所獲得的電能直接輸送給電力機車使用的重要任務。牽引網故障的精確定位對縮短搶修時間、提高運輸效率將具有直接的影響。電氣化鐵道牽引網故障的精確定位一直是影響電氣化鐵道安全及其可靠供電的重要因素，也是影響電氣化鐵道實際運能的因素之一。先進的牽引網故障測距裝置不僅能迅速找到故障點，而且還可以預測隱患故障，保證牽引網正常供電，是從技術上保證鐵路安全、穩定和經濟運行的重要措施之一，具有重大的社會和經濟效益。

1 合寧線牽引供電方式

合寧正線采用AT供電方式，接觸網上下行末端并聯運行。AT供電方式如圖1所示，牽引變電所主變輸出電壓為55 kV，經 AT（自耦變壓器，變比 2：1）向接觸網供電，一端接接觸網，另一端接正饋線，中點接鋼軌。接觸網與正饋線對地電壓分別為27.5 kV，且電位等值相反，在AF線下方還架有一條保護（PW）線，當接觸網絕緣破壞時起到保護跳閘作用，同時亦兼有防干擾及防雷效果。AT供電方式牽引網單位阻抗約為BT供電方法牽引網單位阻抗的1/4左右，大大減小了牽引網的電壓喪失和電能喪失，對通訊線路的綜合防護效果要更好些。AT供電方式是目前高速鐵路主流的供電方式，發展應用前景廣闊。

圖1 AT供電方式

2 目前故障測距方式存在問題

目前合寧線故障測距方式采取分段線性電抗逼近法，其基本原理是根據不同故障類型條件下計算的故障回路電抗與測量點到故障點的距離成正比，通過計算故障時測量點的電抗值除以線路的單位電抗值得到測量點到故障點的距離。分段線性電抗逼近法主要針對短路電抗為線性分段的供電線路，如DN（直供+回流)供電方式線路。

電抗逼近法設置簡單，不過受過渡電阻的影響，存在準確度問題，且穩定性較差，誤差大。據統計，目前合寧線測距誤差最大為10.43 km、最小為2.32 km。主要原因為：（1）電力機車的投切產生大量諧波和非周期性分量，難以準確獲得故障量的電壓、電流信號；（2）機車受電弓對接觸網的磨耗及相鄰線路的負荷狀態的不確定性等因素造成線路單位阻抗及其它特性的差異；（3）在含有串聯補償裝置的牽引網中，發生故障要先切斷補償裝置，較麻煩。

由于分段線性電抗逼近法存在種種問題，與現行合寧線AT供電方式不匹配，故障測距誤差大且不穩定，因此有必要對合寧線故障測距方式作出改變。

3 AT牽引供電故障測距技術方案

針對AT牽引供電系統，目前應用較為成熟的故障測距原理主要包括"吸上電流比"測距原理，"上下行電流比"測距原理，AT解列為直供線路的"分段線性電抗"測距原理，針對特殊單線單AT段還有"吸饋電流比"測距原理。每種原理適應供電方式、故障類型、通信通道需求等都存在差異，需要針對具體線路特點和實際工程情況進行合理原理選擇和裝置配置。實際工程應用中AT牽引供電故障測距系統要滿足以下條件的應用：

(1)供電臂提供有故標專用通道。

(2)供電臂無故標專用通道，只有遠動通道。

(3)系統具備AT自動解列功能。

4 其它故障測距原理選擇

由于合寧線采用接觸網末端并聯AT供電方式，短路電流的分布與常規AT方式有所不同，故"上、下行電流比"原理不適用。而"吸饋電流比"原理只適用"V型天窗"運行方式，單線單AT段的T-R，F-R故障測距，也不適用合寧線故障測距方式。此兩種測距原理在此不做討論。

目前客運專線實際應用中一般采用AT中性點吸上電流比原理。該原理適用范圍廣，適合單線、復線、全并聯供電模式下的T-R、F-R、F-PW等故障條件下的故障測距，完全符合合寧線供電方式下的故障測距要求。

5 吸上電流比測距法

5.1 測距原理

"AT中性點吸上電流比原理"如下，牽引網故障時，如圖2所示：

圖2 吸上電流比故障測距顯示圖

注：圖2表示故障點發生在第n個AT和第n+1個AT之間。

測距公式：

式中

L：故障點距變電所的距離。

Ln：變電所距第n個AT的距離，需要人為整定。

Dn：第 n個 AT 與第 n＋1個 AT 之間的距

離，需要人為整定。

In，In+1：分別為第n個AT與第n+1個AT中性點的吸上電流和，實際采集量。

Qn，Qn+1：與 AT 之間的距離、鋼軌漏導、AT漏抗、饋線長短、鋼軌聯接導電情況等因素有關的系數，需要人為整定。

Kn，Kn+1：電流分布系數，范圍根據站場情況可調整。對標準區間線路K=1.0。

5.2 測距過程

當AT牽引網發生故障后，變電所饋線保護啟動的同時，通過通信通道下發一個數據采集命令，在故障電流切斷前，同步采集每個AT中性點吸上電流，將每個AT中性點吸上電流通過通信通道傳送到牽引變電所，比較各個AT中性點電流的大小，最大的兩個電流所在的AT段即為故障點所在區段，再按測距公式進行故障點定位。

實現故障測距具體流程如下：

(1)若供電臂內發生故障，沿線電壓降低，通過低電壓元件啟動各個AT站得數據單元進行AT中性點電流采集，一直持續到電流截斷為止（電流截斷由變電所饋線保護跳閘完成）。

(2)各AT站處的數據采集單元以電流截斷前一個周波的采集數據計算出電流幅值，既消除衰減的直流分量，又保證同步。

(3)將各個AT站的電流幅值通過遠動通道傳送至調度端，由調度端選擇兩個電流最大的相鄰AT中性點吸上電流進行故障點計算。

5.3 存在不足

(1)發生T-F短路故障時，故障點兩側AT吸上電流都很小，而且近似0，故AT吸上電流比原理不適用T-F短路的故障測距。

(2)運用AT變壓器進行故障測距的裝置，在進行整定計算時，牽引網阻抗采用的是運用單位阻抗乘以牽引網長度的計算方法，由于站場多股道，還有大橋、AT漏抗和鋼軌對地泄露等影響，會影響測距精度，尤其是靠近AT站故障測距誤差較大。

5.4 改進措施

(1)當發生T-F短路故障時，故障點兩側中性點電流一般都比較小，當確定系統發生了短路故障而所有的AT吸上電流都比較小時，即可以確定為發生了T-F短路故障。也可采用阻抗逼近法作為備用測距方式進行T-F短路故障測距。

(2)對AT漏抗和鋼軌對地泄露等影響因素，施工改造時應盡量采用泄露電抗比較小的自耦變壓器。也可采用公式進行故障測距結果的修正，從而達到滿意的結果，修正公式如下：

L=K1C1+T

其中L為修正后的測距結果，C1為原始故障測距結果，K1、T為與各AT故障區段牽引網阻抗參數、AT漏抗、鋼軌泄露等有關參數。

5.5 提高故障測距精度流程

運用AT中性點吸上電流比法進行提高故障測距精度的流程圖如圖3所示。

圖3吸上電流比法故障測距精度提高流程圖

5.6 可行性研究

(1)目前合武線設計采用AT中性點吸上比電流法，經過三年多實踐，此測距方法證實精度較為準確可靠，故標誤差基本在0.4 km之內，滿足搶修要求。

(2)為實現每個AT中性點吸上電流比的同步采集，需要通信通道，合寧線可采用既有鐵通信號信息通道進行改造。

(3)也利用AT站電壓互感器測的電壓，分別在各AT站構造一個低電壓原件來啟動AT中性點電流采集，各AT中性點電流按故障電流截斷前一個周波來進行計算，就可達到同步，不必架設專用通道，節省了投資，也避免了因通道故障而使整個供電臂或局部區段不能進行測距。

6結論

通過上述分析，考慮到易用性、系統性和成熟性等因素，本文選擇"AT中性點吸上電流比"測距原理作為提高合寧線故障測距的改進措施。合寧線故障測距系統的改造，對提高故障測距精度，實現故障的精確定位，保證故障搶修準確、迅速，保障合寧線供電設備安全穩定有著重要意義。