高速鐵路10 kV電力電纜行波故障測距系統的研制

戴麗君

(南京鐵道職業技術學院鐵道供電系,南京 210031)

高速鐵路10 kV電力電纜行波故障測距系統的研制

戴麗君

(南京鐵道職業技術學院鐵道供電系,南京 210031)

高速鐵路10 kV電力電纜的供電可靠性直接影響高速鐵路列車的安全、可靠運行。針對高速鐵路10 kV電力電纜出現故障時的特征,提出一整套利用暫態行波的高速鐵路10 kV電力電纜行波故障測距方案,并研制出電纜行波故障測距系統。該系統通過電纜行波采集裝置采集電纜銅屏蔽層接地引線上的電流信號,采用單端行波故障測距原理進行故障測距,同時介紹了電纜行波故障測距系統所用到的關鍵技術。實際運行表明高速鐵路10 kV電力電纜行波故障測距系統不僅能夠實現單端行波故障測距,而且測距精度很高,使高速鐵路10 kV電力電纜的在線監測成為可能,具有很強的實用性。

高速鐵路;電力電纜;行波;故障測距;在線監測

隨著我國高速鐵路的快速發展,鐵路電力系統越來越多地采用10 kV電力電纜作為線路和綜合貫通線路。地方電力企業及工廠企業的大量運行實踐表明,電力電纜并不是免維護的。電力電纜鋪設在地下,由于受到電場、磁場等因素的影響容易發生絕緣老化,造成突發停電及火災隱患[1-3]。而高速鐵路電力系統的10 kV貫通電力電纜沿鐵路線帶狀分布,供電距離長,運行環境多為偏遠山區,經常穿越山川、河流等復雜地形,運行環境相對惡劣,容易導致安全隱患,也給運營及維護造成更多不便。因此,采用現代化技術手段,對高速鐵路沿線的貫通電力電纜進行必要的監視和管理,是一項具有重要意義的工作。

目前電力電纜故障測距普遍采用的是行波法。行波法原理簡單、不受電纜故障類型和線路不對稱因素的影響。文獻[4]針對10 kV客運專線電力電纜貫通線故障定位問題,采用C型行波法,通過設計一個中心頻率、持續時間和頻帶寬度可調的高頻注入信號來進行長電纜貫通線路的故障測距;文獻[5-6]采用小波變換模極大值的方法分析故障行波信號,從而實現行波故障測距。文獻[7-8]都只是針對電力電纜出現的各種故障進行模擬試驗,文獻[9]設計的異步傳輸的分布式鐵路10 kV電力監控系統,對于實現高速鐵路在線監測具有重要意義。然而,總體上對于電力電纜故障測距的研究僅停留在理論研究方面,沒有進行實際的驗證。本文提出一整套利用暫態行波的高速鐵路10 kV電力電纜行波故障測距方案,并研制出相應的電纜行波故障測距系統,利用單端行波測距原理實現故障測距。

1 高速鐵路10 kV電力電纜行波故障測距系統的構成

高速鐵路10 kV電力電纜行波故障測距系統的總體架構如圖1所示,整個系統由以下3部分構成。

(1)箱變/遠動房電纜行波采集裝置

箱變/遠動房電纜行波采集裝置采集電纜銅屏蔽層接地引線上的工頻電流信號和2～125 MHz范圍內的高頻暫態電流信號,可監視兩回10 kV三相單芯貫通電力電纜。

(2)主站

主站系統負責遠程調取各箱變/遠動房行波采集裝置記錄到的電纜故障行波數據,并進行電纜的故障測距。

(3)通信網絡

通信網絡可以直接采用鐵路遠動SCADA數據通信網,也可以采用3G無線通信網。

2 行波故障測距原理

當高速鐵路電力電纜某點的主絕緣發生故障時,在故障點將產生高頻暫態行波,而且故障暫態行波將在故障相芯線和金屬護層之間傳播,如圖2所示。因此,通過在電纜金屬護層接地端安裝行波采集裝置并實時采集接地線上的高頻暫態行波電流,就可以進行故障測距。

如圖2所示的單相電纜系統中,M端金屬護層直接接地,N端經保護器接地。電纜MN內部F點故障時產生的故障暫態行波信號將以速度v(v為已知量,具體取決于電纜分布參數)從F點向電纜兩端傳播,規定從M端到F點的傳播方向為行波傳播的正方向,在M端接地線中測量到的行波電流波形如圖2(b)所示。

圖2 電纜主絕緣故障暫態行波傳播示意

如圖2(a)所示,F點故障時,產生故障暫態行波并分別向電力電纜線路兩端傳播,i(t)為第一個到達測量端M的反向行波,到達時刻記為TM1,之后i-(t)反射形成第一個正向行波i+(t),i+(t)到達故障點后再次反射形成反向行波iFR(t),到達測量端M的時刻記為TM2,由此故障距離表示為[10]

式中,v是波速度;Δt為測量點感受到故障初始行波浪涌與故障點第1次反射波之間的時延。

3 關鍵技術

(1)高頻暫態行波信號的獲取

由于電纜某點發生故障時將在電纜接地回路中產生很高頻率的暫態行波信號,需要設計專門的傳感器來獲取電纜銅屏蔽層接地線上的暫態行波電流信號。

傳感器帶寬需要滿足電纜故障定位分辨率的要求。為了達到小于1 m的電纜故障定位分辨率,傳感器帶寬需要達到數十兆赫茲以上。本文設計的電流傳感器帶寬為125 MHz,可以很好地滿足電纜行波故障測距的需要。

(2)超高速數據采集

為了保證電纜故障定位的高分辨率,需要對電纜銅屏蔽層接地引線上的高頻暫態行波電流信號進行超高速采集。為了達到小于1 m的電纜故障定位分辨率,行波信號采集頻率一般要達到近100 MHz,使用常規的由微處理器直接控制模數轉換器(A/D)的方式很難實現。為此,設計了專門的超高速數據采集電路單元來記錄故障行波電流信號,其采樣頻率為250 MHz。

超高速數據采集電路的原理如圖3所示,由高頻傳感器獲取的暫態行波信號,經信號調理電路進行增益調整和低通濾波送給高速模數轉換和高速比較器,在現場可編程邏輯門陣的控制下根據高速比較器的輸出決定是否啟動高速模數轉換和存儲,中央處理器通過中斷得到數據有效信息,經過算法處理,通過以太網將數據傳送到上位機。

圖3 超高速采集電路原理

(3)準確故障定位

采用匹配濾波器算法可以實現準確故障定位[11]。設測量點感受到的故障后第1個行波電流脈沖為i1(t),與其對應的故障點反射波引起的電流脈沖為i2(t),t∈[0,T],其中T略大于該行波浪涌所占的時間寬度,則匹配濾波器的沖擊響應可以表示為

匹配濾波器對故障點反射波引起電流脈沖i2(t)的響應可以表示為

式中,ΔT為行波在測量點與故障點之間往返一次的傳播時間。

當匹配濾波器檢測到故障點反射波引起的電流脈沖時,其輸出達到最大值。設匹配濾波器輸出在t=τ時刻達到最大值,則故障點到本端測量點的距離可以表示為

式中,v為波速度。

利用式(4)即可實現電力電纜故障的準確測距。

4 實際應用案例

2012年4月,項目研制的高速鐵路10 kV電力電纜行波故障測距系統在上海虹橋動車所投入試運行,監視1號環網柜的1回10 kV三相單芯貫通電力電纜,整個系統構成如圖4所示。

圖4 上海虹橋動車所貫通電纜行波故障測距系統構成

2013年7月7日早晨7 h 23 min 17 s,系統所監視的B相電纜產生故障暫態觸發。圖5給出了系統采集到的故障暫態行波波形。通過分析可以確定電纜故障距離為2 640.57 m(測距波速度為170 m/μs),實際故障點位置與此相吻合。

圖5 故障暫態行波波形

5 結語

本文針對高速鐵路10 kV電力電纜,提出一整套利用暫態行波的高速鐵路10 kV電力電纜行波故障測距方案,并研制出相應的電纜行波故障測距系統,利用單端行波測距原理實現故障測距。實際的運行表明,高速鐵路10 kV電力電纜行波故障測距系統能夠實現電力電纜故障的準確測距,具有很強的實用性,可以推廣到6 kV及以上電壓等級的電力電纜使用。

[1] 洪濱,王大文,林春泉.基于行波的電力電纜故障探測技術[J].電線電纜,2011(3):38-44.

[2] 蘇方林.客運專線電力電纜行波故障定位方法綜述[J].電氣化鐵道,2009(3):4-7.

[3] 何正友,楊建維,周超,等.鐵路自閉貫通線架空線-電纜混合線路行波測距[J].大連海事大學學報,2007,33(3):46-50.

[4] 張姝,何正友,趙云翾,等.基于C型行波法的10 kV客運專線電力電纜貫通線故障定位方法[J].電力系統保護與控制,2012, 40(14):51-57.

[5] 周湶,盧毅,廖瑞金,等.基于小波包提取算法和相關分析的電纜雙端行波測距[J].電力系統保護與控制,2012,40(1):1-4.

[6] 李駿,范春菊.基于小波分析的電力電纜行波故障測距[J].繼電器,2005,33(14):15-18.

[7] 陸國俊,熊俊,王勇,等.振蕩波電壓法檢測10 kV電纜局部放電試驗[J].電力自動化設備,2010,30(11):137-140.

[8] 李峰,徐丙垠.電力電纜故障沖閃測試放電回路建模[J].電力自動化設備,2011,31(3):46-51.

[9] 屈志堅,蔣士林,王建,等.異步傳輸的分布式鐵路10 kV電力監控系統[J].電力自動化設備,2011,31(2):129-133.

[10]陳平.輸電線路現代行波故障測距及其應用研究[D].西安:西安交通大學,2003.

[11]徐丙垠.利用暫態行波的輸電線路故障測距技術[D].西安:西安交通大學,1991.

Development of Traveling-Wave Fault Location System of 10 kV Power Cable for High-speed Railway

DAI Li-jun
(Faculty of Railway Power Supply,Nanjing Institute of Railway Technology,Nanjing 210031,China)

The power supply reliability of 10 kV power cable of high-speed railway directly affects the safe and reliable operation of high-speed trains.Focusing on the failure features of 10 kV power cable of high-speed railway,this paper put forward a set of traveling-wave fault location scheme of 10 kV power cable for high-speed railway by using the transient travelling wave,and then developed the cable traveling-wave fault location system.The key technologies used in the cable traveling-wave fault location system were introduced in this paper.This system collects the electrical current signal of the ground lead of copper shielding layer of the cable by using a cable traveling-wave collection device,and performs fault location by using single-ended traveling-wave fault location principle.Actual operation shows that this 10 kV power cable traveling-wave fault location system of high-speed railway not only can implement single-ended traveling-wave fault location,but also can work at higher location accuracy,making the on-line monitoring of 10 kV power cable of high-speed railway possible,and having very strong practicability.

high-speed railway;power cable;traveling wave;fault location;on-line monitoring

U238;U226

A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.08.036

1004-2954(2014)08-0148-04

2014-05-15

戴麗君(1967—),女,副教授,1990年畢業于華東交通大學,工學學士,E-mail:1170899318@qq.com。