電氣化鐵道供電牽引網(wǎng)故障測距綜述

崔玉璟

摘 要：電氣化鐵道供電牽引網(wǎng)中的供電方式有很多種，最常用的方式有直接供電、AT、BT、等。全并聯(lián)方式也逐漸被應(yīng)用于電氣化鐵道牽引網(wǎng)的供電過程中。在幾種供電方式中可以根據(jù)不同的測距原理進(jìn)行測距，如阻抗法等。文章主要對幾種供電方式下的測距方法進(jìn)行了綜述，最后對行波測距法進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵道；牽引網(wǎng)；故障測距

1 電氣化鐵道供電牽引網(wǎng)

目前，單相交流制是我國電氣化鐵路常采用的基本供電方式。鐵路線上的牽引變電所和牽引網(wǎng)組成了牽引供電系統(tǒng)。采用雙回路高壓輸電線路來提高供電的可靠性。一般牽引供電回路包括：電力機(jī)車、回流線、沿鐵路線分布的牽引變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、鋼軌和大地以及正饋線等。而通常所說的牽引網(wǎng)一般只包括鋼軌和大地回流線、饋電線、接觸網(wǎng)三個部分。

2 故障測距方法

2.1 直接供電測距

2.1.1 單線直接供電測距

直接供電牽引網(wǎng)與R-L電力線路是等效的，其供電臂包含多個區(qū)間和站場，導(dǎo)致出現(xiàn)不同的牽引網(wǎng)阻抗特性，但是在同一段上，牽引網(wǎng)的特性相同。因此，可在同一段內(nèi)采用阻抗計(jì)算方式，利用線路電抗和距離關(guān)系對故障點(diǎn)進(jìn)行定位。如圖1所示，當(dāng)故障發(fā)展在dn-1與dn之間時，可利用公式（1）進(jìn)行故障定位，得到定位距離d。

d=dn-1+（Yn-Yn-1/dn-dn-1）（Y-Yn-1） （1）

圖1 短路電抗—距離曲線

2.1.2 復(fù)線直接供電測距

供電臂末端稱為分區(qū)亭，首端稱為牽引變電所，在復(fù)線直接供電中常采用在分區(qū)亭并聯(lián)，短路時會受到上下行阻抗（Z上行和Z下行）的影響。測距原理為：

k=Z上行*2L/（Z上行+Z下行） （2）

其中，L為線路電感。

2.2 AT供電故障測距

AT供電方式可以很大程度上提高供電電壓，一般可以提高一倍，加大了牽引網(wǎng)的載流能力。該方式采用正饋線和自耦變壓器，可減少對通信線路的干擾。AT供電方式還可以降低成本，在日本以及成為標(biāo)準(zhǔn)的供電方式，在我國很多城市間的電氣化鐵路也采用了AT供電方式（如北京-秦皇島的電氣化鐵路）。

AT牽引網(wǎng)故障測距方法中最典型的是基于AT吸上電流比原理的方法，后來提出了基于吸饋電流比、反向電抗原理的AT故障測距方法。一般最常用的測距方法如公式3所示，該方法是基于吸上電流比原理的測距方法。

（3）

其中，n為吸上電流編號，k到k+1表示故障AT段，dk+1-dk表示分段點(diǎn)距離，

為吸上電流比。

全并聯(lián)AT供電方式是在AT供電方式的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，全并聯(lián)AT供電方式利用橫聯(lián)線在AT所將牽引網(wǎng)中接觸線、鋼軌、正饋線并聯(lián)，進(jìn)一步提高了載流能力和抗干擾能力。但是由于全并聯(lián)AT供電方式將上下行都并聯(lián)起來，結(jié)構(gòu)相對更加復(fù)雜，導(dǎo)致在故障測距時有一定的困難。但是由于全并聯(lián)方式抗干擾和載流能力強(qiáng)，目前我國一些地域也已經(jīng)實(shí)施使用全并聯(lián)AT進(jìn)行供電。全并聯(lián)AT供電方式下的故障測距原理包括3個，分別為：（1）中性點(diǎn)吸上電流比故障測距原理，該原理適用于任何AT供電方式的牽引網(wǎng)中的故障測距。但是T-F短路故障時用該方法測距得到的結(jié)果精度較差，需要在測距時利用中性點(diǎn)吸上電流比進(jìn)行修正；（2）橫聯(lián)線電流比故障測距原理，采用該原理進(jìn)行測距具有較好的測距精度，克服了中性點(diǎn)吸上電流比故障測距精度差的缺點(diǎn)。該方法可以判斷短路故障和斷線接地故障。但是橫聯(lián)線電流比故障測距原理需要增加測量用的電流互感器，大大增加了投入的成本；（3）區(qū)段上下行電流比故障測距原理，該方法需要利用接觸線和正饋線的電流，將上下行各區(qū)段中這兩種電流的和進(jìn)行比較來得到故障點(diǎn)的距離。當(dāng)正饋線斷線接地時，該方法仍然可以進(jìn)行故障測距。

2.3 BT供電故障測距

BT供電方式是在牽引網(wǎng)中加入吸回裝置，阻抗會隨著列車位置不同而不同。這種方式使?fàn)恳W(wǎng)阻抗增大，并且會使阻抗會沿著鐵路線而變化。簡化模型法為常用的BT牽引故障測距方法，該方法包含兩種：（1）平均單位阻抗法，該方法將計(jì)算得到的平均阻抗作為BT牽引網(wǎng)的單位阻抗，并將該阻抗分到接觸網(wǎng)中；（2）分段線性法，該方法的阻抗通過對未設(shè)置BT時饋線的總阻抗、第i個BT的阻抗和得到計(jì)算點(diǎn)到變電所的阻抗。BT供電故障測距原理包括單線牽引網(wǎng)故障測距原理和復(fù)線牽引網(wǎng)BT供電故障測距原理。此外，還可以采用分段查表法進(jìn)行牽引網(wǎng)故障測距。在該方法中，故障的阻抗與距離之間的關(guān)系可以計(jì)算得到，然后根據(jù)列表信息找到故障點(diǎn)位置。

（1）單線牽引網(wǎng)BT供電故障測距原理。短路時的牽引網(wǎng)短路阻抗為：Z=Z0d0，其中，d0為故障點(diǎn)距離，Z0為單位阻抗。該模型是單位阻抗簡化模型，結(jié)合單線直接供電的算法進(jìn)行測距。在BT單線牽引網(wǎng)中，接觸網(wǎng)和回流線中具有方向相反、值相等電流。

（2）復(fù)線牽引網(wǎng)BT供電故障測距。BT供電方式是在牽引網(wǎng)中增設(shè)吸流變壓器——回流線實(shí)現(xiàn)的，這樣可以避免電流回答牽引變電所時經(jīng)過軌道和大地，減少對外界的影響。在BT牽引網(wǎng)中可以忽略上下行線路的互感，此時自阻抗可被視為單線時的阻抗。統(tǒng)一可以采用Z=Z0d0計(jì)算牽引網(wǎng)短路阻抗。當(dāng)BT網(wǎng)末端有橫聯(lián)線時，故障定位過程只與故障前后電壓、電流以及線路參數(shù)有關(guān)。由于吸流變壓器加入牽引網(wǎng)，相當(dāng)于將短路阻抗加入了等效電路中。短路電抗與距離之間存在一定關(guān)系，因此，只需通過分段查表的方法和設(shè)置對應(yīng)的電抗距離即可找到故障點(diǎn)的位置。

2.4 供電牽引網(wǎng)中行波故障測距

上述幾種供電方式下的測距方法多是以計(jì)算阻抗進(jìn)行測距，受其他參數(shù)影響大。根據(jù)行波傳輸原理可知，行波傳輸過程中其速度比較穩(wěn)定。因此，利用行波法測距，測量的時間差不會因線路類型不同或者故障電阻而不同，并且也不受系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的影響，其精度和穩(wěn)定性都較好。行波測距的裝置有三種，分別為：（1）A型，當(dāng)故障時裝置利用故障點(diǎn)的行波進(jìn)行測距，該行波會在測量點(diǎn)和故障點(diǎn)往返傳輸，利用波傳輸往返時間和波速之積對故障點(diǎn)進(jìn)行定位；（2）B型，與A型裝置不同，B型裝置通過故障點(diǎn)到兩端的時間差與波速的乘積對故障點(diǎn)進(jìn)行定位；（3）C型，該裝置采用在線路一端施加高壓或者直流脈沖的方法進(jìn)行故障定位，通過脈沖往返時間判斷故障所在位置。其中，B型裝置向兩端發(fā)送波，屬于雙端測距，A型和C型都只從一端進(jìn)行，屬于單端測距。A型和B型依靠故障點(diǎn)產(chǎn)生的行波進(jìn)行定位，對瞬時和永久性故障都能夠進(jìn)行檢測，而C型對線路的狀態(tài)沒有要求，當(dāng)線路斷開時，仍然可進(jìn)行故障測距，在永久性故障定位中具有較好的應(yīng)用。

3 結(jié)束語

電氣化鐵道供電牽引網(wǎng)中對故障進(jìn)行測距的方法多種多樣，不同的供電方式下有不同的故障測距方法，而行波測距利用行波的傳輸對故障進(jìn)行定位，具有更好的穩(wěn)定性。但是仍需要對測距原理進(jìn)行深入的探究，進(jìn)一步提高故障定位的精度。

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