接觸網監測及故障定位系統的設計與實現

韋炳干，李世斌，包忠明，劉 鵬

接觸網監測及故障定位系統的設計與實現

韋炳干，李世斌，包忠明，劉 鵬

采用智能電網先進的傳感、測量和無線通信技術，提出了一種將故障指示器安裝在接觸網沿線的承力索上，與通信終端和主站系統配合，共同實現接觸網監測及故障定位的新方法。該方法適用于接觸網單邊供電和并聯供電的供電方式，不受直接供電、BT供電及AT供電等牽引供電方式的影響，具有投入少、見效快，運行可靠，使用簡單，智能化水平較高和易于推廣應用的特點。

接觸網；承力索；故障指示器；故障定位；在線監測

0 引言

電氣化鐵路接觸網沿鐵路線架設、無備用，運行環境惡劣，容易發生故障，一旦發生供電故障，正確迅速判斷并查找出故障點是壓縮故障停時的關鍵，對提高整個牽引供電系統運行的可靠性，保證鐵路正常的運行秩序，減少企業經濟損失，有著非常重要的意義。

雖然牽引變電所都配置了綜合自動化系統，但是由于電力機車受電弓沿接觸線高速摩擦滑行等特殊原因，目前應用的接觸網故障定位系統通常采用電抗測距、電流比測距技術和行波測距技術。對于單線直接供電和BT供電方式采用電抗距離表法，復線運行時采用上下行電抗比法；對于AT供電方式，主要采用中性點吸上電流比法、吸饋電流比法和上下行電流比法[3]。電抗測距在原理上受復雜的接觸網結構及各種電氣和環境因素的影響，無法做到對故障點精確定位[4]；電流比測距法需要不斷積累故障數據、對故障測距裝置進行修正和積累經驗[5]。當沿線變壓器負荷、特別是供電臂上存在多臺移動的機車負荷時，行波測距法要準確獲取故障點反射波或折射波將更加繁雜[6]。近年來開展研究的雙端行波測距法在理論上比單端行波測距法更適合接觸網故障定位的需要[7]，但要投入實際應用還有待于進一步的研究和現場試驗。文獻[8]提出了在接觸網沿途固定距離的桿塔上通過安裝具有電磁信號測量和故障信號發射功能的定位單元來進行故障定位的新方法，但尚未見到有實用化報道。

本文通過采用智能電網先進的傳感、測量和無線通信技術，提出了一種將故障指示器安裝在接觸網沿線的承力索上，與通信終端和故障定位主站配合，共同實現接觸網監測及故障定位的新方法。

1 接觸網監測與故障定位系統

1.1 系統結構和原理

接觸網監測及故障定位系統由故障指示器、通信終端和主站系統組成。故障指示器與通信終端采用無線跳頻通信，通信終端與主站系統采用GPRS通信。主站運行接觸網監測及故障定位系統軟件或在原有的電力遠動系統上擴展故障定位功能。

單邊供電方式下的接觸網牽引回路構成和站端設備配置如圖1所示。

圖1 接觸網牽引回路構成和站端設備配置示意圖

故障指示器安裝在承力索上，通信終端固定在接觸網的桿塔上。接觸網正常運行時，故障指示器采集承力索上的電流（承力索分為載流承力索和非載流承力索，干線電氣化鐵路一般采用載流能力強的銅或銅合金絞線的承力索[9]，非載流承力索的導電性能稍差，但不影響系統的運行效果）。接觸線與承力索的電流分配近似符合如下關系：

Ic≈ ρm/ ρc× Im

式中，ρm為承力索的電阻率；ρc為接觸線的電阻率；Im為承力索上的電流；Ic為接觸線上的電流。

正常運行時，故障指示器周期性地將采集的承力索電流等數據發送到主站，實現主站系統對接觸網負荷電流等數據的在線監測。該電流等數據的監測方法同樣適用于并聯供電等其他供電方式。

在單邊供電方式下，故障發生時，若故障指示器檢測到的短路電流滿足故障判別條件，則故障指示器變位翻牌，并將信號發回主站系統。假設接觸網發生永久性短路故障，故障位置在圖2所示A點。

圖2 接觸網發生短路故障示意圖

當A點發生故障時，從變電所至A點構成的回路中出現突變短路電流，指示器F1、F2和F3檢測到短路故障電流，變位翻牌，并上傳故障信號至主站系統，而指示器F4未檢測到短路電流，故不發生變位。主站系統經過數據處理和網絡拓撲分析，智能判斷故障發生在F3和F4之間的區段內，主站系統告警并將該信息通知有關人員。

在并聯供電方式下，同一側供電臂上下行線通過設在分區所的開關設備（負荷開關或斷路器）實行并聯供電。當某一供電臂發生短路故障時，該供電臂饋線斷路器和分區所開關跳閘（分區所開關為斷路器），或兩供電臂的饋線斷路器同時跳閘后分區所開關跳閘（分區所開關為負荷開關）[9]。為了提高供電可靠性，在分區所開關跳閘后，供電臂饋線斷路器在短路跳閘后都有一次重合閘[4]。主站系統的收到故障指示器這2次檢測的短路故障電流信息進行綜合分析，也可以準確判斷故障區段。

對于一些特殊故障（高阻接地），調度中心的工作人員可以根據牽引變電所提供的故障信息，查詢比對主站系統相應供電臂各監測點的電流曲線圖，判斷故障發生地點。

當因雷擊、絕緣破壞、線路瞬時故障等原因，造成線路瞬時過流跳閘后又恢復正常供電，未造成永久短路時，其故障判據與永久性故障判據一致。

1.2 故障指示器

故障指示器用于25 kV的接觸網系統，準確檢測線路短路故障并給出翻牌和閃燈指示，采集（捕捉）線路負荷電流等實時數據和故障信息。同時具備故障定位及在線監測（控）系統無線調頻通信接口，實現在線檢測短路故障、在線監測接觸網運行狀態，并可遠程調整短路故障檢測參數等功能。

故障指示器的功能和特點：微功耗設計，從導線磁場感應取電，配合內置鋰電池，保證8年以上工作所需的電量；電流測量精度：±5%；采用標準的速斷、過流定值法檢測短路故障；監測線路負荷電流、短路報警電流和線路對地電壓等，以判斷線路的短路故障和帶電、停電、斷線、接地、絕緣下降等隱患；通過無線跳頻通信，動作信號和故障報警電流主動上報，并可在線調整短路故障檢測參數；本地機電翻牌顯示、LED發光閃燈，便于現場查看；定時和遙控復歸，用于搶修故障和恢復送電后的復歸；防死機和免維護設計；防銹蝕，防脫落，確保設備安全；承受現場惡劣環境和各種干擾。

1.3 通信終端

通信終端通過短距離無線跳頻通信方式，實時采集附近50 m范圍內故障指示器的運行數據、故障信息以及通信終端自身運行狀態（太陽能取電電壓、電池電壓等），然后將打包數據通過GPRS通信方式發送到遠程主站系統進行分析和處理。

通信終端的功能和特點：低功耗，采用太陽能電池，帶后備電池，無光照或停電以后GPRS可在線7 d；通過無線跳頻和GPRS通信方式可遠程設置故障指示器和通信終端本身的參數；遙控數字故障指示器翻牌/復歸、指示燈點亮/熄滅；防死機和少維護設計；對上采用GPRS通信方式和IEC870-5-101通信協議；對下采用無線跳頻通信方式，帶CRC校驗和數據加密的跳頻協議；承受現場惡劣環境和各種干擾。

1.4 主站系統

接觸網在線監測及故障定位系統的主站由故障定位中心站、移動工作中心站、服務器（后臺機）、工作站、智能手機和接觸網在線監測及故障定位系統軟件組成（圖3）。

圖3 主站系統結構示意圖

故障定位中心站通過GPRS或GSM與站端設備通信，完成數據接入、故障定位及故障信息發布、數據轉發等功能；移動工作中心站與故障定位中心站進行通信，保持數據同步，為智能手機的訪問提供數據；服務器（后臺機）保存歷史數據和系統配置信息；工作站上可完成SCADA功能；智能手機實現隨時隨地故障告警和信息查詢、負荷曲線查詢和故障地點地理信息系統（GIS）查詢，滿足接觸網運行管理和搶修的實際需求。主站系統軟件包括接觸網SCADA、故障定位、地理信息系統（GIS）和智能手機軟件等功能。

2 系統運行分析

2012年5月在南昆線平林村變電所211#饋線安裝了第1組故障指示器和通信終端，系統進入運行狀態。

將同一時間段內變電所綜合自動系統采集的變電所出口電流曲線與故障指示器采集的承力索電流曲線進行比較（圖4，上圖為平林變電所綜合自動系統采集的211#饋線的電流曲線，下圖為故障指示器采集的承力索電流曲線），變化趨勢一致，與系統設計原理吻合，證明通過監測承力索電流間接實現接觸網的在線監測是可行的。

圖4 電流曲線比較圖

2012年5月20日至6月26日，211#饋線發生8次瞬時故障，出線斷路器每次跳閘后均重合閘成功。每次故障時故障指示器動作正常。圖5是故障指示器2012年6月17日采集的電流曲線，該日14點39分，211#饋線發生瞬時故障。

為了查找故障，在211#饋線上增設5個故障指示器，借助于故障指示器的動作信息，檢修人員最后發現了該隱蔽性很強的故障點及故障原因：由于1#隧道44#接觸線下錨絕緣子損壞，內部絕緣水平降低，斷續對地放電造成211#饋線斷路器跳閘。

2013年6月在15條運行饋線上安裝了50多個故障指示器，截至2013年11月，這15條饋線上共發生4次永久性故障和9次瞬時故障，系統均正確動作并報警。運行結果證明：系統能正確完成接觸網監測及故障定位功能，完全達到設計目標。

圖5 故障指示器采集的電流曲線圖

3 結語

基于在承力索上安裝故障指示器的接觸網監測及故障定位系統，有效解決接觸網“摸黑調度”的問題，實現了接觸網沿線電流等電氣量的在線監測；采用現場終端采集信息進行區段定位的故障定位，標準的速斷、過流定值法克服了目前常用的電抗測距、電流比測距和行波測距所遇到的牽引供電系統結構、運行方式復雜等問題，適用于接觸網單邊供電和并聯供電的供電方式，不受牽引供電系統直接供電、BT供電及AT供電等供電方式的影響，故障定位結果精確。系統以投入少、見效快，運行可靠，使用簡單，智能化水平較高和易于推廣應用的特點，能夠縮短故障查找時間，減輕供電檢修人員的勞動強度，節省尋找故障的人力物力，減少接觸網故障對鐵路運輸的影響。

[1] 秘東山.在線監測系統在接觸網線路上的運用[J].黑龍江科技信息，2010，（22）：286.

[2] 靖廣標.牽引變電站饋出開關跳閘后的故障判斷和查找[J].上海鐵道科技，2011，（3）：49-50.

[3] 林國松，李群湛，陳小川.電氣化鐵道供電牽引網故障測距綜述[D].中國電氣化鐵路兩萬公里學術會議論文集，2005：192-196.

[4] 梁艷明，郎兵，賈彥軍.接觸網數字化故障定位系統研究[J].電氣化鐵道，2009，（5）：35-39.

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

[6] 韋國.行波法在電氣化鐵路牽引網故障測距中的應用[J].電氣化鐵道，2012，（2）：21-23.

[7] 冉旭，廖培金，陳平，等.行波故障測距法在電氣化鐵道牽引網中的應用研究[J].電網技術，2001，25（2）：36-42.

[8] 錢澄浩，何正友，胡海濤，等.一種牽引網故障定位的新方法[J].電力系統保護與控制，2012，40（3）：21-25.

[9] 吉鵬霄，張桂林，等.電氣化鐵路接觸網[M].北京：化學工業出版社，2011：14-45.

This paper presents a new approach for monitoring and fault location on OCS. With the new approach, the fault indicator is mounted on OCS messenger wire. The new approach leverages the advanced smart grid technologies on senor, measurement and wireless communications, and it performs monitoring and fault location with communication terminals and main station system. This new approach can be applied to one-way or parallel power supply systems. The implementation is not affected by traction power supply systems (i.e. direct feeding system, booster transformer feeding system or autotransformer feeding system). The advantages of the new approach include low investment, high efficiency and more reliability. The approach is relatively simple to implement and to operate in the field. More importantly, the system is highly automated and intellectual designed.

OCS; messenger wire; fault indicator; fault location; on-line monitoring

U226.8

B

1007-936X(2014)04-0005-04

2013-11-12

韋炳干.南寧鐵路局，高級工程師，電話：13907712089；

李世斌.南寧鐵路局，工程師；

包忠明，劉 鵬.北京科銳屹拓科技有限公司，高級工程師。