鐵路信號電纜接地故障點查找方法研究

王 安 劉三帥 楊偉偉

(西北工業大學自動化學院，710129，西安∥第一作者，副教授)

《鐵路信號維護規則技術標準Ⅰ》中規定，全程信號電纜芯線與大地間的絕緣電阻值，在鐵路區間和鐵路中間站應不小于1 MΩ。當測量值低于規定值就說明有接地故障發生。當電源母線發生一點接地故障時，不構成對地電流回路，所以不影響信號設備的正常運行，但必須盡快排除接地點故障。否則，如果信號系統再發生另外一點接地故障，兩接地點將短接某一部分信號設備，使信號設備發生錯誤動作甚至使信號設備失去電源而拒動，輕則造成列車晚點，重則會造成意外安全事故。如果接地點是金屬性低阻接地故障，利用基于信號強度跟蹤法［2］的接地點探測儀器很容易找出接地點;但如果接地點經大電阻(如阻值大于100 kΩ)接地，信號系統線纜對地的分布電容又比較大(如電容值大于1 μf)時，接地故障點的查找就比較困難。為此，本文給出了一種簡便、快捷、靈敏度高的鐵路信號系統接地故障點探測方法。

1 接地故障查找的基本原理

鐵路信號電纜芯線對之間以及芯線與大地之間存在較大的分布電容，現有的故障檢測方法大都受到分布電容的影響而只能找出阻值較小的接地故障點;而基于相位法［3-4］的故障查找方法正是充分利用其自身分布電容的存在，通過不同大小分布電容及接地電阻對交流信號在相位上的變化來判斷接地故障點。如果線纜設備發生接地故障，就會出現一個接地故障阻抗Rx。而線纜設備與大地之間存在均勻分布電容，用集總參數等效電路表示如圖1所示。其中，C1是接地故障點前方對地等效分布電容，C2為接地故障點后方對地等效分布電容。

圖l 電纜芯線接地故障等效電路

該方法的查找原理如圖2所示。信號發送器向故障芯線和地之間注入一低頻正弦電壓信號，由于接地故障電阻Rx和對地分布電容的存在使得電纜芯線與大地組成閉合回路，在交流電壓信號的作用下回路產生交變的電流。信號接收器產生與信號發送器同頻率的正弦參考信號。此參考信號在整個查找故障過程中都存在，其作用是為芯線中的電流提供相位參考。在信號發送器附近P 點對接收到的線芯電流和參考信號進行同步采樣，通過快速傅里葉變換(FFT)數字信號處理進行電流和參考信號相位的關聯，即:記錄存儲此點電流和參考信號的相位差，并存儲此時的電流幅值，沿故障線向遠端依次測量芯線中電流和參考信號相位差的變化。如圖2 中所示，A 點表示關聯點 P 和故障點 X 之間的測量點，B 點表示故障點前且靠近故障點X 的測量點，D點表示故障點后且靠近故障點X 的測量點。用帶有電流鉗的信號接收器依次測量A 點、B 點和D 點的電流幅值和相位。測量點P、A、B、D 的電流幅值相位關系如圖2a)所示。

圖2 接地故障查找原理圖

1.1 接地故障電流幅值原理

當信號發射器所注入的低頻正弦電壓信號為U=Acos(2πf·t+φ)時，有:

綜合式 1、式 2、式 3 有:

由式4 可知，故障線芯中電流由P 點到D 點幅值一直在變小;由于在接地故障點X 前方線芯對地分布電容是均勻分布的，所以由P 點到A 點電流幅值是均勻減小的;經過故障點X 處除了減少分布電容引起的泄露電流，還減少了接地電阻引起的泄露電流，因此，在經過故障點后電流幅值是突然減小的。電流幅值變化趨勢如圖2c)所示。

1.2 接地故障電流相位原理

各測量點處電流比接地電阻兩端的電壓信號超前相位:

由上述公式可見，接地故障線芯上從信號發射器到故障點X 方向電流超前電壓相位逐漸減小，經過接地故障點X 后突然變為90°。電流超前電壓相位的變化如圖2d)所示。

由于只能得到芯線中各測量點電流相位而不容易得到各測量點電壓相位，所以就引入了信號接收器產生的同頻率參考信號。各測量點電壓相位與同頻參考信號相位有一個固定相位差的關系。

在測量點P 處進行電流和參考信號相位關聯，收到關聯指令后，測量計算P 處接收到的電流相位φIP與參考信號相位φUP。理論上知道P 點電流與對地電壓相位差為 φPI-U，且有 0 ＜ φPI-U＜90°，則芯線上任意點電壓信號與參考信號的固定相位差Δφ=φIP-φPI-U-φUP。在各電流測量點可以用參考信號的相位表示出測量點對地電壓的相位φUREF+Δφ，從而可以得到芯線上各點的電流電壓相位超前情況。

用帶有電流鉗的信號接收器沿故障線路同步測量計算A 點電流的相位φIA和參考信號的相位φUA，得到A 點電流和對地電壓相位差:

同步測量計算B 點的電流的相位φIB和參考信號相位φUB，得到B 點電流和對地電壓相位差:

同理同步測量計算D 點的電流的相位φID和參考信號相位φUD，得到D 點電流和對地電壓相位差:

假如接地故障芯線對地之間不存在分布電容，則接地故障等效電路中芯線與地之間只有電阻回路，則芯線任意點電流與電壓的相位差始終為0，即:

電流不會產生相移，而芯線實際分布電容的存在使線路中電流發生了相移。信號發送器與接地故障點X 之間電流為分布電容的容性電流與接地電阻的阻性電流之和，電流和對地電壓相位差小于90°;由P 點到X 點隨著分布電容的均勻減小，電流的相移量也在均勻減小，在故障點X 之后電流全為分布電容容性電流，電流和對地電壓相位差等于90°。因此有:

由式(5)、式(6)、式(7)和式(8)可推得:

式(9)、式(10)表明:引入參考信號后可以用線芯上任意點的電流相位和關聯點P 的電流相位關系間接表示此點的電壓電流相位關系。各個測量點電流與關聯點P 處的電流相位差關系如圖3所示。測量點電流與關聯點P 處電流相位差由負到正的跳變點即為接地故障點。

圖3 測量點電流與P 點電流相位關系

2 仿真分析

在Matlab 中搭建電纜接地故障簡易等效模型，通過Simout 模塊將仿真計算的數據保存到工作空間(wokeplace)，如圖4所示。C0和 C1是信號發送器與接地故障點之間的對地等效分布電容，RX為接地故障點等效接地電阻，C2是接地故障點后方的芯線對地等效分布電容。信號發射器向故障線和大地之間注入交流電壓信號使故障線路產生交變電流，電流表為線路電流感應測量設備，測量故障芯線中的電流。對獲得的電流進行FFT 分析并進行頻譜校正獲得準確的幅值和相位。

圖4 電纜接地故障等效模型

R=200 Ω，C0=1 μf，C1=1 μf，C2=2 μf，注入信號頻率為10 Hz，接地電阻RX值不同時的仿真結果見表1。

表1 接地電阻不同時的仿真結果

由表1 可知:當接地電阻小于100 kΩ 時，接地故障點前后電流信號幅值變化較大，可以依據電流信號幅值強度來判斷故障點;當接地電阻大于100 kΩ 時，接地故障點前后電流信號幅值變化不大，通過信號強度已基本不能判別接地故障點，但是接地故障點前后電流信號相位與參考點相位差存在明顯突變(電流相位差由負到正)，此時可通過接地故障點前后的電流信號相位差準確判斷故障點。不管是高阻接地故障還是低阻接地故障均可通過接地故障點前后電流與參考點的相位差突變來準確定位故障點。

R=200 Ω，C0=0.1 μf，C1=0.1 μf，C2=0.2 μf，接地電阻RX=500 kΩ，注入信號頻率不同時的仿真結果見表2。

表2 注入頻率不同時的仿真結果

由表2 可知:在高阻接地故障(接地電阻大于100 kΩ)時，通過故障點前后電流幅值強度很難定位故障點，應通過故障點前后電流信號相位差定位故障點;當相位差較小時，降低信號源發射信號的頻率可以增大接地故障點前后相位差的變化，從而可以準確定位故障點。

R=200 Ω，C2=2C0=2C1，接地電阻 RX=300 kΩ，不同注入信號頻率和對地分布電容時的仿真結果見表3。

表3 注入頻率和分布電容不同時的仿真結果

由表3 可知:在相同的接地電阻和測試頻率情況下，對地分布電容越小越容易用相位差法定位故障點;當相位差不易辨別時(例如C0=10 μf)，可以降低注入信號的頻率來增大故障點前后電流相位差的變化，從而準確定位故障點。

3 結語

通過向故障線和地注入一定頻率的交流電壓信號，接收器同時產生相同頻率的參考信號，進行關聯后，接收器可感測故障線路電流信號幅值和相位。低阻接地故障時利用電流幅值突然減小和電流相位由負到正的突變均可判斷出接地故障點;高阻接地故障時信號發射器與接地故障點之間所測相位差依次減小，經過接地故障點處相位差突然變大。此方法理論上解決了現有儀器通過信號強度跟蹤等方法無法準確定位高阻故障點的難題，能夠實現對接地故障的快速查找，且方便準確。

［1］中華人民共和國鐵道部.鐵路信號維護規則技術標準Ⅰ(鐵運［2008］142號)［S］.

［2］李克儉，蔡啟仲.接地混線故障快速查找儀的研究與設計［J］.儀器儀表學報，2007，28(10):1847.

［3］耿輝.電路負載性質及其電壓電流相位差的測量方法與設備:中國，CN1488948A［P］.2004.4.14.

［4］李曉明，梁 軍，張沛云.直流系統接地點探測新原理［J］.電力系統自動化，2000(7):55.

［5］王汝鋼，白海江.查找線路接地故障點的方法及裝置:中國:CN102788934A［P］.2012.7.25.

［6］張次衡.直流系統接地故障檢測裝置電容影響問題的探討［J］.電力自動化設備，1996，16((1):48.