行波法在電氣化鐵道牽引網故障測距的仿真研究＊

張佩炯

（中鐵二院西北勘察設計有限責任公司，甘肅蘭州730030）

行波法在電氣化鐵道牽引網故障測距的仿真研究＊

張佩炯

（中鐵二院西北勘察設計有限責任公司，甘肅蘭州730030）

摘要：針對牽引網受到機車運行工況變化影響，以及一些不確定性因素導致出現接地故障的缺陷，提出了一種利用行波法對牽引網故障進行測距的應用方案。依據AT牽引網實際電路，在ATP中建立投切并聯電容補償模型，對機車運行時牽引網的電流進行仿真分析，得到發生短路時的故障數據，再利用Matlab對故障數據進行行波法測距，最后通過搭建硬件電路實驗平臺進行驗證。仿真分析和實驗結果表明，利用行波法對牽引網故障進行測距是行之有效的。

關鍵詞：牽引變電所；故障測距；行波

1　引言

近年來，高速電氣化鐵道快速發展，但由于電力機車的受流方式是單相工頻交流制，這導致三相高壓電出現明顯的不對稱性，屬典型的負序源。而電力機車又是負荷主體，從設備角度來考慮，它同時又是一個大功率電力電子變換設備，其電流曲線呈現出非正弦特性，尤其是3、5、7次諧波的含量挺大［1］。同時由于單相供電，各相負載不均勻而引起三相不平衡，且隨負載實時運行機理而波動，從而會導致牽引供電系統的電壓有較大幅度的波動。

高速電氣化鐵路的安全穩定運行直接受牽引網各個工作環節的影響，牽引網作為牽引供電系統的重要組成環節，對完成供電線向接觸線乃至整個系統送電任務起著舉足輕重的作用。

因此，在當前高速重載鐵道建設快速發展的今天，有效開展牽引網故障測距研究并建立故障測距硬件設備平臺顯得尤為重要，且具有重要的現實意義。

2　牽引供電系統的基本構成

2．1牽引供電系統的供電方式

牽引變電所和牽引網是構成牽引供電系統的兩大主模塊［2］，其通過接受電網電能，將電網的三相高壓電降壓、分相之后，由牽引網向電力機車供電，其系統總示意圖如圖1所示。

牽引網供電的典型方案主要包括帶回流線的直接供電方式（DN供電方式）、AT供電方式、BT供電方式等［3］，其供電方案示意圖分別如圖2、圖3、圖4所示。

圖2　牽引網DN供電方式

圖3　牽引網AT供電方式

圖4　牽引網BT供電方式

2．2牽引網的故障特點

從一牽引變電所引出左右兩供電臂，無論電氣化鐵道的牽引網采用哪一種供電方式，它的一臂接觸網接地總是相間短路，這也是牽引供電系統中常遇到的故障形式。因此，故障量的計算一般按兩相短路計算，而兩相短路不存在零序電流的通路，一臂接觸網接地短路時，不向電力系統輸送零序電流。牽引供電系統含地系統，故障電流很大，發生故障時，線路上有行波自故障點向兩端傳播。牽引網中發生接觸網與鋼軌（T－R）短路故障的幾率最多，平均每月發生一次故障［4］。

電氣化鐵道不論何種供電方式，牽引變電所一般向復線上下行接觸網并聯饋電，上下行供電臂的末端并聯。為提高電氣化鐵路接觸網供電的可靠性，在牽引變電所中采用了自動重合閘的斷路器。在短路故障發生時，斷路器開斷，然后經很短時間再重新關合，如瞬時故障己經消失，則重合成功；如短路故障仍未消除，斷路器必須重新開斷。如果接觸網發生永久故障，上、下行線路將分開運行，故障線路將處于停電狀態［5］。

2．3電力牽引負荷的特點

我國電力機車采用的牽引電機為帶有補償繞組的脈流串勵電機，它之所以應用于電力牽引是由于其具有良好的牽引特性、機械穩定性、電氣穩定性、負荷分配均勻性以及對網壓波動敏感性差等許多優點［6］。其直流串勵電動機原理圖如圖5所示。

圖5　牽引電力機車直流串勵電動機原理圖

電力牽引負荷的主要特點如下：

（1）牽引狀態下時，負荷電流的諧波含量分別為三次諧波25%、五次諧波13%、七次諧波7%；

（2）再生制動狀態下時，負荷電流的諧波含量分別為三次諧波含量25．46%、五次諧波14．71%；

（3）空投機車變壓器或惰性過電分相狀態時，二次諧波電流的勵磁涌流含量為40%以上。

3　常見的故障測距方法

常見的傳統故障測距方法主要有：電抗法、AT中性點吸上電流比法、上下行電流比法、轉移阻抗測距法、單線雙差比測距法、吸饋電流比法、行波法等。

多年來，國內外許多專家在不停地探索新的故障測距方法。但有些方法受牽引網運行、供電線路結構等因素的影響，使得測量位置不精確。而行波的傳播速度比較穩定，準確度高，速度快，且受各種因素的影響較小［7］。

4　行波法測距原理及測距裝置類型

行波法是利用各種數字信號處理算法來實現對故障線路測距的方法［8］。當系統有故障時，從故障點產生的暫態行波向兩端傳送，暫態行波在傳播過程中遇到不均勻介質時，發生反射和透射，利用暫態行波到達的時刻和傳播的時間來完成故障定位。饋線上所分布的參數特性使得行波能量在傳遞的過程中以電壓波、電流波的形式在線路中以相應的速度運動，從而行波就形成了［9］。

常規情況下，行波包括穩態和暫態行波。單根無損的分布參數，線路上的電壓u和電流i，線路上的位置x和時間t，可用偏微分方程來表示，具體方程式為：

求上述方程組，得下式：

由于行波能夠以相應的速率在線路中平穩傳播，且測量的故障時間差受線路類型、故障過渡電阻、系統運行參數等因素的影響很小，因此行波法在故障測距方面有較好的實用性和可靠性［10］。現有的行波法測距裝置常可分為A、B、C三種類型。

（1）A型測距裝置

A型測距裝置原理主要是通過索取故障處出現的第一波頭和反射回來的第二波頭的耗時間隔差來最終確定故障距離的。當線路出現故障后，則電壓、電流行波在故障處和母線上不停地發出反射信號，通過高通濾波器濾出行波波頭信號，進行故障距離計算。A型行波測距原理示意圖如圖6所示。

圖6　 A型行波測距原理示意圖

假設線路的長度為L，波速為v，第一個波頭和在故障處反射回來的第二個波頭時間分別為TS1、TS2。

故障距離XS由下式計算可得：

A型測距裝置的優缺點：結構較簡單，在線路的一端安裝即可，沒有必要進行端對端數據關聯；但在故障處反射過來的波受系統結構的影響較大，識別第二個波頭很因難，測距效果可能不佳。

（2）B型測距裝置

B型測距也稱作兩端測距。當線路發生故障時，行波從故障處向線路兩端傳播，一端檢測到信號時計時開始，同時另一端檢測到故障信號時發出指令，當計時端接收到信號時計時停止，從而來確定故障距離。測距裝置的原理示意圖如圖7所示。

圖7　 B型行波測距原理示意圖

假定ts和tn分別為故障初始行波波頭到達兩側母線的時間，依據安裝于線路兩端的測距裝置記錄下的參數，計算故障距離的公式如下：

B型測距裝置的優缺點：結構簡單，測距可靠，精度高，但需雙端安裝測距裝置；隨著微波、光纖通信在電網領域的發展，B型雙端測距裝置的應用變得越來越廣泛。

（3）C型測距裝置

C型測距裝置是在故障發生時由測距裝置向故障線路發射附加的高頻直流脈沖信號，首先由計算脈沖信號發出信號，此時計時開始，再讓附加脈沖發出信號，通過故障處反射回來的時刻來確定故障距離。C型行波測距原理示意圖如圖8所示。

圖8　 C型行波測距原理示意圖

C型測距裝置的優缺點：結構簡單，精度較高，但需附加高壓脈沖信號發生器等設備，成本很不劃算；在實際使用中，由于發射高壓脈沖信號的強度不能太高，這樣就很難區別故障點的反射脈沖，從而影響裝置測距的可靠性；但在線路斷開的情況下，C型測距裝置能力可得以發揮，可以查出線路是否有故障，從而可有效避免手動、自動重合閘到永久性故障線路上。

5　行波法在電氣化鐵道牽引供電系統中的故障測距

5．1投切并聯電容補償器的行波測距仿真

仿真軟件采用ATP和Matlab7．0，利用ATP強大的電磁暫態仿真能力，得到仿真數據，再通過Matlab軟件繪制出故障后的電壓、電流波形。

按常規設置，牽引所向上、下行接觸網的供電臂末端并聯饋電。單個供電臂長度為30km，每隔10km處設AT所，懸掛方式為全補償簡單鏈型懸掛，支柱側面限界設置為3m。牽引所AT供電方式下工頻電源的電壓有效值為55kV，阻抗設為1＋j10Ω。在仿真時，應考慮牽引母線、電流互感器、電壓互感器、牽引變壓器、隔離開關、絕緣子等設備對地的電容，其值可設為0．5μF，并且接于牽引母線處。

接觸線的型號為TGG－100，導高為5800mm，直流電阻為0．197Ω／km。承力索型號為GJ－70，結構高度為1400mm，直流電阻為2．0Ω／km。正饋線的型號為LJ－185，等效半徑為0．7cm，正饋線離軌平面的高度為6600cm，距離線路中心線的水平距離為3900mm，直流電阻為0．162Ω／km。鋼軌的型號為P50，軌距為標準軌距1435mm，周長為60．6cm，直流電阻取0．24Ω／km，鋼軌對大地的泄漏電阻為10Ω／km，鋼軌距地面的高度為1m。假設大地的電阻率為100Ω·m。上下行的線路內側鋼軌間距為5m。假設當線路中有機車運行時，每列車的功率為6400kW，功率因數為0．85。

機車可以用一等效阻抗來表示，經計算，其值為97．656＋j157．575Ω。假設當在牽引變電所中投入并聯補償電容器組時，所加的并聯補償電容器組為8串7并，且每一個電容器容量為100kVar，額定電壓為10．5kV。并聯補償電容器組可以用一電容和電感等效，其電容值為2．5263μF，電感值為481．2846mH。建立投切并聯補償電容器組的ATP仿真模型如圖9所示。

圖9　投切并聯電容補償器的ATP仿真模型

在建模時，上、下行線路分別按三相架空線的模型建立線路的仿真模型，不考慮線路之間的電磁耦合，把接觸線和承力索作為一相的兩分裂導線，鋼軌作為一相的兩分裂導線，正饋線為一相導線。

假設在0．5ms時上行供電臂8km處發生接觸網接地故障。圖10為投入并聯電容器組后故障點電流ATP仿真波形圖。

統計和搜集投切電容器組后8km處的電流仿真數據，然后對這些數據進行小波變換，可以求出模極大值。圖11為投切電容器組后8km處故障的仿真數據在Matlab中的小波變換及其模極大值。

圖10　投切并聯電容補償器后的電流ATP仿真波形

圖11　投切并聯電容補償器后的小波變換及其模極大值

表1為空載情況下并聯電容器組對行波測距的影響。

表1　行波測距（單位：km）

從上述仿真結果可以看出，投入并聯補償電容器之后，初始行波和故障點的反射波較明顯，檢測易于進行。由于牽引母線處的反射系數變大了，從而小波變換系數也較大。如表1所示，不論在牽引所中是否投切并聯補償電容器組，對行波測距結果都沒有影響。從仿真數據可知，初始行波到達的時刻點為66點，而反射行波到達的時刻點為73點，經過計算得到故障距離為8．3km。

5．2實驗驗證

為了實驗驗證形波法測距原理和測距方案的有效性和可行性，蘭州交通大學重點實驗室設計了一套基于DSP技術的牽引網故障測距裝置，目前硬件電路已設計完成，并進行了相關實驗平臺的搭建。圖12為行波法故障測距實驗平臺裝置的具體實物圖。

圖12　故障測距實驗平臺裝置

牽引網故障測距裝置的硬件組成如圖13所示，主要由二次變換器單元即電流互感器和電壓互感器、A／D轉換器、DSP、人機接口單元MMI模塊、輸入輸出開關量單元、微型打印機等主要部分組成。

圖13　故障測距裝置硬件構成圖

圖14　投切并聯電容補償器前后電流波形

投切并聯電容補償器前后的電流波形如圖14所示，黃色表示未投切補償前的波形，藍色表示投切補償后的波形。

從波形圖可以看出，在未投入并聯電容補償器前諧波含量較大，波形有許多干擾毛刺，波形畸變較嚴重，而投入并聯電容補償器之后，波形明顯有較大改善，毛刺程度減小，呈現出正弦波形，這樣有利于故障測距，能夠有效提高測量精度。

5　結論

通過本文的仿真研究和實驗驗證，可得出以下結論

（1）當線路結構確定的狀況下，牽引所是否投入并聯電容補償器組，對A、B型行波測距法來說，其結果沒有影響。

（2）B型行波法測距在接觸網故障測距方面有明顯優勢，并在測距精度上有很大提高。

（3）行波法故障測距在直供加回流和AT供電方式的供電系統中有很好的推廣應用價值。

參考文獻：

［1］董新洲，賀家李，葛耀中．基于小波變換的行波故障選相研究［J］．電力系統自動化，1999，23（1）：95－98．

［2］武中，王志剛，宋述勇，等．電氣化鐵道牽引變電所對電力系統影響及治理的仿真研究［J］．31（12）：77－82．

［3］吳命利．電氣化鐵道牽引網的統一鏈式電路模型［J］．2010，30（28）：52－58．

［4］楊乃琪，孟軍，駱開源．電氣化鐵道牽引供電系統實驗平臺建設與開發［J］．9（5）：77－82．136－139．

［5］H．Yi，Y．J．Xiong．Analysis on operating Characteristic for 1000kV AC UHV Transmission Line．Power System Technology，2006，30（15）：1－7．

［6］陳健鑫．基于信息融合技術的AT牽引網故障測距方法的研究及其仿真分析［J］．36（19）：25－28．

［7］賀威俊，簡克良．電氣化鐵道供變電工程［M］．北京：中國鐵道出版社，1982．

［8］曹建猷．電氣化鐵道供電系統［M］．北京：中國鐵道出版社，1983．

［9］董新洲，葛耀中，徐丙垠，等．新型輸電線路故障測距裝置的研制［J］．電網技術，1998，22（1）：17－21．

［10］曹篤峰．電氣化鐵道行波故障測距研究［D］．北京：北京交通大學出版社，1982．

中圖分類號：TM63

文獻標識碼：A

基金項目：＊國家自然科學基金（61263004）；甘肅省自然科學基金（1112RJZA051）

文章編號：1005—7277（2015）03—0026—05

作者簡介：

張佩炯（1984－），男，甘肅武山人，助理工程師，主要從事電氣化鐵路牽引供變電技術研究和接觸網設計等工作。

收稿日期：2014－11－20

Simulation research on traction network fault location based on traveling wave method

ZHANG Pei－jiong
（CREEC Northwest Survey and Design Co．，Ltd．，Lanzhou 730030，China）

Abstract：Aiming at the traction network affected by the locomotive operation condition changes and some uncertain factors resulting in the defects of the ground faults，the scheme of using the travelling wave method to measure the fault location for the traction network is presented．Based on the actual circuit of the AT traction network in ATP shunt capacitance compensator model，the current of the locomotive traction network running is simulated and analyzed，thus to get the short－circuit fault data，and then can use Matlab to process the fault data and realize the measurement to the fault location by the traveling wave method．The hardware circuit experimental platform is set up．The simulation analysis and experimental results show that the scheme of using the travelling wave method to measure the fault location for the traction network is effective．

Key words：traction substation；fault location measurement；traveling wave