基于雙邊供電時直流牽引網的故障測距方法

池代臻

基于雙邊供電時直流牽引網的故障測距方法

池代臻

針對直流牽引網上下行接觸網并聯，短路后接觸網間產生的短路電流環流特點，利用求解微分方程的方法實現故障測距。在PSCAD環境下搭建直流牽引供電系統模型進行仿真，并在實驗室進行模擬短路試驗，同時在地鐵現場進行短路試驗，使用短路電流數據對本文所提出的故障測距算法進行了驗證，結果表明，該故障測距算法精度較高，不受故障點過渡電阻的影響。

直流牽引網；接觸網；故障測距；最小二乘法

0 引言

因地鐵具有效率高、能耗低、集約化等優點，近年來在國內得到了快速發展，越來越多的城市選擇發展地鐵作為解決城市交通擁堵的手段[1]。在地鐵的正常運行中，直流牽引供電系統發揮著至關重要的作用，牽引供電系統一旦出現故障，必然影響地鐵的可靠運行。接觸網是牽引供電系統的重要組成部分，工作環境惡劣，易發生短路故障，是牽引供電系統中最薄弱的環節。在接觸網發生短路故障后，需盡快對故障點進行定位并排除。

國內外對交直流輸電線路的故障測距研究較多，故障測距算法以行波法和基于相量的阻抗法為主[2～4]，行波法具有測距精度高，不受故障類型、線路參數的影響等優點，但是硬件投入成本較高，阻抗法硬件投入少，測距原理相對簡單，測距結果受線路參數、系統運行方式等因素的影響，測距精度較低。

目前對直流牽引供電系統的故障測距研究較少，暫無成熟的故障測距裝置掛網運行。本文提出一種適用于直流牽引網故障測距的算法，針對同一區間內上下行接觸網并聯的特點，利用短路故障后上下行接觸網中出現的環流，結合接觸網的阻抗參數，使用求解微分方程的方法求出故障點的位置。試驗結果表明，該算法測距精度較高，不受故障點過渡電阻的影響。

1 直流牽引供電系統模型

地鐵供電系統作為城市電網的負荷，通常由城市電網高壓饋線向其供電。直流牽引供電系統作為地鐵供電系統的一個重要的子系統，一般由兩路獨立的高壓電源經主變壓器降壓為33 kV向牽引變電所供電，經過整流機組再次降壓、整流獲得24脈波直流，向機車提供牽引動力。直流牽引供電系統原理如圖1所示。

直流牽引變電所的2臺三繞組整流變壓器的一次繞組為移相繞組，分別移相+7.5°、-7.5°。AC 33 kV經1臺整流機組降壓整流后，得到12脈波直流，2臺整流機組輸出端并聯后輸出24脈波1 500 V直流。DC 1 500 V經饋線，接觸網向電客車供電，國內采用上下行鋼軌全并聯作為回流導體，不另外架設回流線。由于供電電壓低，通常采用上下行接觸網并聯雙邊供電的方式向電客車供電。

圖1 直流牽引供電系統原理圖

將直流牽引供電系統中的24脈波整流機組視為含有內電阻、內電感的線性電源[5，6]，接觸網和鋼軌網視為恒定電阻和電感的串聯，建立直流牽引供電系統的模型如圖2所示。

圖2 直流牽引供電系統的模型圖

圖中Ud0、Req、Leq分別為整流機組等效電壓、等效內電阻和等效內電感，一般地，牽引變電所內整流機組參數相同，為簡單起見，這里將供電區間兩側的等效電源參數視為完全相等。Rc、Lc分別為供電區間接觸網電阻、電感，Rr、Lr分別為鋼軌網電阻、電感。對于相對位置確定的導體其外電感容易求出，結合導體的電阻率和截面積等參數，即可求出牽引網各導體的單位長度的電阻和電感。

2 測距原理

接觸網短路故障一般由電客車受電弓機械故障引起，即故障發生前，接觸網中有負荷電流，為了消除負荷電流對測距結果的影響，采用疊加定理將故障電路分解為故障前電路和純故障電路，利用純故障電路實現故障點的定位。

接觸網發生故障后純故障電路如圖3所示，其中Δu1、Δu2分別為左右側母線電壓故障分量，Δi1、 Δi2、Δi3、Δi4為各饋線電流故障分量，其中Δi1=Δi4，d為短路點距左側母線距離（標幺值），RF為過渡電阻，UF0為短路前瞬間短路點處接觸網對鋼軌電壓，iF為短路點電流。

對上下行接觸網構成的網孔列回路電壓方程：

式中電流的一階導數按下式給出的數值算法求出：

式（1）中僅含有故障點位置d為未知量，理論上將短路過程中任一時刻數據代入即可求得故障點的位置，為減小接觸網參數對測距結果的影響，將4個數據點代入方程（1），得到矩陣方程，求解該矩陣方程，得到向量b= [b1b2b3b4]T，故障測距結果由下式給出：

式中，dR為使用線路電阻參數測距結果，dL為使用線路電感參數測距結果。

圖3 純故障電路圖

現場記錄數據表明，接觸網短路過程通常持續幾十毫秒，按照現場保護裝置數據采樣頻率為10 kHz計算，短路過程中記錄的數據點約有幾百甚至上千個，為充分利用短路故障過程中的數據信息，并消除個別數據誤差過大對測距結果的影響，采用最小二乘法處理冗余矩陣方程，以獲得冗余矩陣方程的優化解。對于形如Ax=b的冗余矩陣方程，其最小二乘解為x=(ATA)-1ATb。

3 算例分析

3.1 仿真數據分析

在PSCAD環境下搭建直流牽引供電系統模型，其主要元件參數：交流側系統等效阻抗為零；整流變壓器容量為2.5 MV·A，額定電壓33/2× 1.18 kV，連接組標號為Dy5d0[5]，穿越阻抗百分比8%，半穿越阻抗百分比6.5%；匯流排的截面積為2 213 mm2，接觸線截面積為150 mm2，鋼軌截面積為7 700 mm2，導高4 040 mm，軌距1 435 mm，求得的接觸網單位長電阻為11.52 mΩ/km，電感為1.03 mH/km；鋼軌網單位長電阻為21.81 mΩ/km，電感為0.69 mH/km；供電區間長度3.5 km。測距結果如表1和表2所示。

表1 線路電阻dR測距結果表

現場錄波裝置記錄的數據表明從短路發生時刻起到饋線電流為零，整個過程一般持續幾十毫秒；當整流機組輸出電流大于30 kA時，整流機組等效內阻抗會變大，在使用中，圖2中整流機組線性模型誤差將會增大；繼電保護裝置作用下，饋線斷路器在短路電流達到8 kA時動作；綜合考慮以上因素，選取故障發生后短路電流處于上升階段10 ms的數據進行測距。

表2 線路電感dL測距結果表

上述2表中，誤差定義為求得的故障點位置與實際故障位置之差與線路全長的百分比，即：

3.2 模擬試驗數據分析

在實驗室進行模擬試驗獲取短路電流數據以驗證故障測距算法的準確性，其試驗原理如圖4所示。

圖4 模擬試驗原理圖

AC 380 V經變壓器和整流橋降壓整流后，得到100 V的6脈波直流。采用兩導線連接兩電源的正極，模擬上下行接觸網，另外一條導線連接兩電源負極，模擬回流的鋼軌網，接觸器k作為短路點連接正負極導線，k1—k4為直流空氣開關，額定電流為10 A，以保護線路和設備，線路長度為100 m。數據采集裝置經電流傳感器同步采集短路過程中的電流數據，采樣頻率為10 kHz。測距結果如表3所示。圖5顯示了10 m處短路時電流的波形及一階導數。

表3 模擬試驗測距結果表

圖5 短路電流及其一階導數波形圖

4 現場人工短路試驗驗證

為了驗證上述算法的可靠性，在仿真試驗與模擬試驗的基礎上，又通過一套故障測距裝置在廣州地鐵三號線現場測距驗證（驗證時通過采用雙邊供電、人工模擬接觸線接地短路故障，檢測并判斷出故障發生的具體地點位置，并由上位機顯示其故障信息情況），其故障測距試驗結果在算法誤差范圍內，效果良好。

本次故障測距試驗原理如圖6所示。

試驗短路點k位于2個牽引變電所之間，2個牽引變電所分別裝設故障測距儀，故障測距儀通過GPS時，使故障測距儀實時采集變電所內饋線電流和母線電壓的同步采樣。

故障測距儀由時間同步模塊、故障測距儀、電源模塊等組成。數據采集部分封裝在一個模塊盒內，其預留的輸入端口為AC 220 V電源接口，電壓、電流量輸入接口；RS232接口，1pps輸入接口，預留的輸出端口為USB接口。試驗前確定GPS時鐘是否同步，調好數據采集軟件，做好數據記錄和試驗錄像，為數據分析和對比驗證做準備。

圖6 試驗原理圖

現場測距結果表明：地鐵雙邊供電時短路試驗測距是可以獲得較為精確的故障定位的，且故障測距算法較為準確，測距算法結果與實際距離相差不大，誤差基本在20 m以內，能滿足現場檢測要求。

5 結語

針對直流牽引網的結構特點，本文提出了基于城軌雙邊供電時直流牽引網短路后接觸網產生環流電流的故障測距算法，并通過仿真數據和模擬試驗數據及現場試驗數據對測距算法進行了驗證，試驗結果表明，該故障測距算法能夠準確地實現直流牽引網短路故障定位，具有較為實用的應用價值。

[1] 顧岷. 我國城市軌道交通發展現狀與展望[J]. 中國鐵路. 2011，（10）：53-56.

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[5] 周文衛. 直流牽引供電系統短路電流計算與故障測距研究[D]. 成都：西南交通大學，2012.

[6] 王元貴. 直流牽引供電系統短路故障識別與定位研究[D]. 成都：西南交通大學，2013.

With regard to characteristics of short circuit circulating current generated by short circuit between paralleled up and down overhead contact lines in DC traction network, the fault location is accomplished by differential equation solution method. By simulating the DC traction power supply system model established under PSCAD environment, simulating the short circuit test in laboratory, executing the short circuit test at subway site concurrently, and verifying the fault location method mentioned in this paper by application of data of short circuit current, the results show that the fault location algorithm has higher accuracy without interference by the transition resistance at the fault point.

DC traction network; overhead contact system; fault location; least square method

U231.8

：B

：1007-936X(2016)03-0039-04

2016-01-25

池代臻. 廣州地鐵集團有限公司，工程師，電話：13926011061。