高速電氣化鐵路綜合故障測距分析

郭黎曼

0 引言

高速電氣化鐵路牽引供電系統通常采用上下行并聯的AT牽引供電系統模式，故障點標定采用“AT中性點吸上電流比原理”。由于大多數高速牽引供電系統變電所采用 V/v或單相變壓器接線方式，在變電所饋線處沒有自耦變壓器，因此，在自耦所（以下簡稱 ATP）和分區所（以下簡稱 SP）之間的故障點標定比較準，而在牽引變電所（以下簡稱SS）與ATP之間的故障點標定不準確。筆者認為，由于變電所饋線處沒有自耦變壓器，只能用一定的計算方法間接獲得變電所處的“中性點”電流，因此，“AT中性點吸上電流比原理”很難做到精確標定。而有針對性地尋找高速牽引供電系統AT故障點標定方法是問題的關鍵。鑒于高速電氣化牽引網供電臂在變電所母線處的上下行T線和F線并聯運行，如果在SS至ATP之間發生牽引網對軌道短路，SS母線處的電壓是相等的，那么，能否根據變電所處的上下行電流之間的關系，判斷短路故障點的位置呢？鑒于當故障點發生在 ATP至SP之間時，利用傳統的“AT中性點吸上電流比原理”即可，所以，只要解決SS至ATP之間的故障點標定問題，整個牽引網的故障點標定問題就迎刃而解了。

1 故障點標定計算公式推導和分析

在SS饋線T線和F線上均設置電流互感器和相應的電流采集模塊（圖 1）。當線路上有電流通過時，電流采集模塊均能檢測到電流，并將信息上傳到綜合自動化系統，用于SS至ATP之間的短路故障分析。

圖1 牽引網供電系統示意圖

在SS至ATP之間的短路故障一般有T線對F線故障、F線對地故障和T線對地故障3種方式。根據后續的公式推導和分析，如果能夠解決T線對地短路和F線對地短路，那么T線對F線短路可以通過T線短路判據或F線短路判據獲得。

（1）SS至ATP之間發生T線對地短路的故障點標定分析。

假設故障處于SS與AT之間，設短路點距離SS母線Xkm，則：

式中，R為短路點處的接觸網對地短路電弧電阻；Z為回流線單位長度阻抗；I2為非故障側變電所T線向故障點支援的短路電流；I3為故障行AT所中F線電流；I1為SS故障行F饋線電流；D1為SS至ATP之間的距離。

由式（1）和式（2）可得：

由式（4）可得：

（2）F線和TF線牽引網故障點標定分析。

式（5）分析了SS至ATP之間發生T線短路時，短路點至SS母線之間的距離，根據牽引網的特點，SS至ATP之間發生F線短路，以及TF短路時，公式與T線的相同。從式（5）可知，只要能夠獲得SS上下行饋線電流和SS至ATP之間的實際距離，就能獲得短路故障點與SS之間的距離。

2 ATP至SP之間牽引網故障點標定

顯然，如果短路點發生在ATP和SP之間，則變電所處上下行饋線電流基本相等，此時，應能判斷出，故障點在ATP和SP之間。由于兩所之間存在自耦變壓器，很容易獲得中性點電流值，可利用“AT中性點吸上電流比原理”求得故障點距離ATP的距離。當ATP和SP之間發生短路，短路點距離變電所Lkm，則測距公式：

式中，L為故障點距SS的距離；D2為ATP與SP之間的距離；I4，I5分別為ATP的AT與SP處的AT中性點的吸上電流；Q1，Q2分別為ATP與SP的整定值；K1，K2分別為ATP與SP處的電流分布系數，范圍根據站場情況可調整。對標準區間線路K= 1.0。

3 工程實施性分析

根據上面的分析，如果在SS、ATP和SP分別設置電流采集模塊，同時具備 GPS對時功能，變電所的電流采集模塊主要采集饋線T線和F線的電流，ATP和SP處的電流采集模塊主要采集自耦變壓器中性點電流。該電流均可通過以供電臂為單元的監控網絡或SCADA網上傳至牽引變電所綜合自動化后臺機或控制中心電力調度系統，根據推導的公式進行計算，其結果基本滿足精度要求，同時不需要再為故障點標定系統鋪設獨立的通信網絡，即大大節省了工程造價。

京滬高鐵無錫牽引變電所為AT供電方式的變電所，牽引變壓器暫采用三相V接線形式，AT距牽引變電所10 km，根據一次的短路故障點標定數據可知，下行T線短路電流7 413 A，上行T線707 A，下行短路點距離SS距離為1.78 km，短路點在SS和第一個ATP之間。根據式（5）驗算，故障點距離SS的距離為1.74 km，誤差為0.04 km。由此可知，該做法簡單易行，且無需增加新的故障點標定裝置，因此具備工程可實施性。

4 結語

經過分析可知，由于高速電氣化鐵路采用牽引網上下行并聯供電，給故障點標定帶來麻煩，因此，很難通過一種通用的工程可實施的方法解決這一問題，而通過分段標定的方法并未增加工程造價，卻能滿足標定的精度要求，值得深入研究。

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