基于暫態殘壓計算的接觸網故障性質智能辨識

劉　鐵，楊　維，趙浩江

(北京交通大學 電子信息工程學院，北京　100044)

接觸網故障按其性質分為2類：永久性故障，瞬時性故障(或稱臨時故障)。永久性故障(如設備絕緣擊穿)，是需要人工修復后才能排除的故障；瞬時性故障(如樹枝碰到接觸網又隨風擺離或電弧燒斷)，是可以自動修復的故障。實踐表明接觸網故障大多數是瞬時性故障。接觸網無論是發生永久性故障還是瞬時性故障，都會造成變電所上、下行饋線上的斷路器跳閘，接觸網失電，影響行車。為了減少跳閘對行車的影響，變電所配置了自動重合閘裝置，使斷路器跳閘后延遲1～2 s再重新自動合閘，快速恢復接觸網供電。但是，斷路器和自動重合閘裝置本身不能夠識別是永久性故障還是瞬時性故障，只要故障電流超過保護整定值就會跳閘。對于永久性故障，斷路器重合閘后由于故障一直存在，斷路器和有關電氣設備都會再次遭受短路電流沖擊，結果是斷路器再次跳閘，并造成設備一定程度損傷。顯然，對于永久性故障而言，斷路器重合閘不但是多余的，而且加大了斷路器操作機構的磨損，增加了維護成本；一旦斷路器跳閘時機構出現卡滯，不能夠切斷短路電流，還可能發生爆炸。

如果能夠辨識接觸網的故障性質，就可以實現人工智能控制斷路器,對永久性故障不再重合閘，這將具有理論和工程應用價值。文獻[1]比較全面地介紹了輸電線路永久性故障的判別方法；文獻[2]針對輸電線故障研究了單相自動重合閘的算法；文獻[3]提出了220 kV三相輸電線中單相重合閘時判別瞬時與永久故障的方法，并進行了試驗；文獻[4]對500 kV輸電線路在微機保護故障選相的基礎上進行了重合閘過程仿真；文獻[5]針對500 kV以上的超高壓三相輸電線，采用小波方法分析單相故障的特征和性質。這些文獻均是對電力系統輸電線路的故障性質及重合閘進行研究。文獻[6]針對鐵路復線接觸網，假設當一條接觸網帶電正常供電、另一條接觸網發生故障失電的條件下，分析了瞬時故障與永久性故障的電氣特征，并采用算例進行說明。但復線接觸網實際發生故障時，因斷路器同時跳閘，不存在以上假設條件，故該研究很難應用于工程實際。

本文根據接觸網故障時電壓、電流變化的物理過程，分析故障性質的辨識機理。按接觸網故障時變電所上下行饋線斷路器均跳閘的實際情況，不人為設置假設條件，建立等值電路，對接觸網故障跳閘的暫態過程中殘壓(簡稱暫態殘壓)進行計算推導。基于暫態殘壓變化規律和信息特征分析，提出接觸網故障性質的綜合判據。為了檢驗算法的正確性，采用人工接地方法模擬接觸網發生永久性和瞬時性故障，在一條專用接觸網上進行了試驗。

1　接觸網故障跳閘及故障性質辨識機理

1.1　接觸網故障跳閘

為了建立接觸網故障跳閘后的等值電路，首先需要按照接觸網故障跳閘的實際工況，分析跳閘后復線接觸網是否存在電壓、電流，是否存在電力機車，上下行接觸網之間是否存在電磁感應，以及它們對變電所重合閘的影響。

無論是普速鐵路的接觸網，還是高速鐵路的接觸網，電源均取自變電所的同相母線，上下行饋線分別設置斷路器；為減少接觸網阻抗，提高牽引能力，接觸網末端采用斷路器并聯。當接觸網發生故障時，短路電流導致上下行饋線斷路器、末端并聯斷路器同時跳閘。同時，變電所的自動重合閘啟動，延遲1～2 s后上下行饋線的斷路器分別重合閘。對無故障的接觸網重合閘成功，對永久性故障的接觸網重合閘失敗，對瞬時性故障的接觸網重合閘也成功。檢測末端并聯斷路器兩側(上下行接觸網)的電壓，若其兩側都有電，自動重合閘，恢復上下行接觸網的并聯運行，若單側有電或兩側都無電，不合閘。

電力機車運用的有關技術規范要求，當接觸網電壓(簡稱網壓)低于21 kV時,牽引自動控制裝置使機車處于功率封鎖狀態；當網壓低于17.5 kV時,車頂主斷路器自動跳閘，但不降弓，機車處于惰行狀態；當網壓接近0時,機車司機主動降弓。接觸網發生故障時，變電所跳閘造成接觸網失電，機車主斷路器也立即跳閘。如果變電所自動重合閘成功，那么接觸網恢復供電，機車司機就合閘主斷路器，繼續行車；如果變電所自動重合閘不成功，車上網壓指示為0，則機車司機降弓，等待接觸網供電。

根據上述分析可以看到：①復線接觸網故障使變電所上、下行饋線斷路器均跳閘，造成上、下行接觸網全部停電，沒有牽引電流，它們之間不存在電磁感應，只存在等效電容導致的靜電感應。②接觸網因故障跳閘停電后，線路上運行的電力機車主斷路器也隨之跳閘，電力機車的電氣特性與接觸網無關，不影響變電所饋線斷路器的自動重合閘。

1.2　故障性質辨識機理

為了辨識接觸網的故障性質，首先需要通過分析故障時刻接觸網的電壓和電流的關系，找到它們之間的特征。

接觸網的唯一負荷是電力機車，屬于感性負荷，若接觸網電壓為u(t)=Umcos(ωt)(其中Um為接觸網工作電壓幅值；ω為接觸網電源角頻率；t為時間)，接觸網電流為i(t)=Imcos(ωt-θ)(其中Im為接觸網電流幅值；θ為電壓與電流的相位角)，兩者的相位關系如圖1所示。接觸網因故障而短路，在斷路器跳閘時觸頭分開的瞬間，由于電場強度極大，產生電弧。電弧實質上是導電的高溫等離子體，它使斷路器在觸頭分離的過程中電流仍然維持；理論上電弧電流到達零值時，即t0時刻，電弧才會熄滅，實際上在t0時刻附近的Δt區域內電流已經很小，電弧溫度也下降到了較低數值，加上斷路器觸頭快速分離和觸頭間真空介質的滅弧效應，迫使電弧電流提前在t時刻熄滅。

圖1　接觸網電壓、電流的相位關系

從圖1可以看到：在某時刻斷路器觸頭兩側存在電壓uc，對斷路器的電源側來說，電壓uc與50 Hz電源同步變化，對斷路器的線路側來說，uc以電荷形式儲存在接觸網對地電容上，形成殘余電壓。如果接觸網故障是永久性的，例如：接觸網絕緣子被擊穿，接地通道一直保持，待到斷路器觸頭徹底分開(電弧熄滅)，接地通道迅速將殘壓電荷釋放完，接觸網對地電壓降到0。如果故障是瞬時性的，例如：被大風刮起的輕小濕潤線索碰到接觸網時引起放電，而導致變電所跳閘；同時，電弧將線索燒斷，使接觸網故障自動消失。待到斷路器觸頭徹底分開后，接觸網上殘壓電荷沒有通道能夠釋放，理論上uc值將一直保持。現場實測表明：uc值在一定時間內會逐漸衰減，這是由于接觸網絕緣子表面泄露電阻所致。顯然，在接觸網故障跳閘從供電狀態變化到非供電狀態的暫態過程中，uc值與斷路器分閘時刻、觸頭分離速度、介質滅弧能力、氣象條件對接觸網絕緣子表面狀態的影響、故障性質和位置等有關。

由于牽引供電系統的電源容量足夠大，可以忽略電源內阻抗，當接觸網發生短路故障時，電源所帶負載阻抗就是從故障點至電源的接觸網阻抗。盡管每一次因故障點的位置不同而導致短路阻抗不同，但是，對具體的接觸網而言，由于總長度和電氣參數是固定的，因此，接觸網首端或末端故障時殘壓uc、電流ic與相位角θ也是相對固定值；而在接觸網其他任何點故障時產生的殘壓uc、電流ic與相位角θ介于接觸網首、末端故障時這2種情況之間。

從上述分析可知接觸網故障具有以下特征。

(1)每次接觸網發生故障時，由于故障性質和故障位置不同，接觸網暫態殘壓uc的大小和持續時間也不同。對永久性故障，接觸網不存在殘壓；對瞬時性故障，接觸網存在一定幅值和一定時間的暫態殘壓uc。

(2)假設接觸網首端、末端分別故障時，對應的殘壓分別為u首和u末，電流分別為i首和i末，相位角分別為θ首和θ末，那么在接觸網上任一點發生故障時，一定有如下關系：殘壓uc介于u首和u末之間，電流ic介于i首和i末之間，相位角θ介于θ首和θ末之間。

基于上述接觸網故障時電壓、電流發展的物理過程，在變電所饋線斷路器的跳閘至重合閘期間，采集故障信息，分析暫態殘壓uc的變化規律，就能辨識故障的性質屬于永久性或者瞬時性，從而實現人工智能控制斷路器的自動重合閘。

2　等值電路及暫態殘壓計算

2.1　接觸網等值電路的建立

無論鐵路線路上有無電力機車，當接觸網發生故障跳閘后，接觸網上沒有電流。對此建立的復線接觸網故障(例如：下行接觸網故障)跳閘等值電路如圖2所示。圖中：D1，D2為變電所饋線斷路器，D3為接觸網末端斷路器，且D1，D2，D3都處于分閘狀態；C1，R1分別為上行接觸網的對地電容和導線(包括承力索)的電阻；C2，R2分別為下行接觸網的對地電容和導線(包括承力索)的電阻；Cm為上、下行接觸網的互電容；uc1，uc2分別為上、下行接觸網的暫態殘壓；k為故障點；Rk為故障通道的等值電阻。

圖2　復線接觸網故障跳閘等值電路

在變電所饋線斷路器跳閘前，上下行接觸網電壓的數值大小相等、相位相同，互電容Cm上沒有電壓差，也不儲存電荷，只有上下行接觸網對地電容儲存的電荷，并在接觸網跳閘后形成暫態殘壓uc1和uc2。由于上下行接觸網的結構相同，故uc1=uc2=u0，其中u0為跳閘時刻接觸網的殘壓初始值。如果接觸網發生永久性故障，故障通道的等值電阻近似為0，使得變電所饋線斷路器跳閘后故障接觸網儲存的電荷瞬時釋放，接觸網的殘壓為0。

如果接觸網發生瞬時性故障，變電所饋線斷路器跳閘后，如圖2所示的故障接觸網儲存的電荷經過Rk有所釋放；同時，相鄰的無故障接觸網(上行)儲存的電荷對故障接觸網(下行)產生靜電感應，為故障接觸網提供部分靜電電荷。根據電路疊加定理，兩者共同作用，使故障接觸網能夠通過故障通道釋放的總電荷Q為

(1)

對故障接觸網(下行)首端的暫態殘壓進行計算或測量時，考慮故障點分別發生在靠近接觸網首端的前半段、中間和靠近末端的后半段時，對應的等值電路如圖3所示。圖中：R0為檢測裝置入口電阻；R21和R22為接觸網前半段的電阻，且R21+R22=0.5R2，2個電阻值的分配取決于故障點在前半段中的位置；R23為接觸網后半段的電阻，阻值取決于故障點在后半段中的位置；tk為瞬時故障消失時刻。

2.2　接觸網瞬時性故障時暫態殘壓的計算

復線接觸網發生瞬時性故障時，按照圖3所示的等值電路推導出接觸網的暫態殘壓為

圖3　接觸網不同部位故障時的等值電路

(2)

式中：K為系數；τ為時間常數，均需要根據故障位置確定。

將式(1)代入式(2)中，可得復線接觸網故障跳閘后的暫態殘壓一般表達式為

(3)

當復線接觸網故障點k發生在前半段時，如圖3(a)所示，系數K和時間常數τ分別為

(4)

(5)

當復線接觸網故障點k發生在中間時，如圖3(b)所示，系數K和時間常數τ分別為

(6)

(7)

當復線接觸網故障點k發生在后半段時，如圖3(c)所示，系數K和時間常數τ分別為

(8)

(9)

3　故障性質綜合判斷方法

分析式(3)可以看到：復線接觸網的暫態殘壓隨時間呈指數衰減；故障消失時刻前后，時間常數分別為2個數值，必然會導致暫態殘壓衰減曲線出現拐點。依據接觸網暫態殘壓變化規律，提出以下故障性質的綜合判斷方法。

3.1　永久性故障判斷

因為永久性故障通道的等值電阻近似為0，造成接觸網“死”接地，接觸網儲存的電荷瞬間釋放完，暫態殘壓趨近于0。所以，檢測時根據接觸網暫態殘壓uc(t)≈0，就可以判斷為永久性故障。

3.2　瞬時性故障判斷

瞬時性故障的產生和消失過程復雜，特別是故障消失時刻tk的隨機性很大，它受故障性質、氣象條件等多種外界因素影響，需要充分利用故障的信息特征進行綜合判斷。基于暫態殘壓計算和分析，提出如下綜合判據。

判據①：變電所饋線斷路器跳閘后，能夠在接觸網首端檢測到某一閾值的暫態殘壓，就可能是瞬時性故障。這個閾值可以根據仿真或經驗預先設置，然后通過現場試驗進行修正。顯然，閾值越大越準確，現場實測顯示大約為1～10 kV。

判據②：變電所饋線斷路器跳閘后，能夠檢測到接觸網的暫態殘壓呈指數衰減(暫態過程中還可能疊加有諧波和振蕩),且衰減曲線出現拐點(存在2個時間常數)，就可能是瞬時性故障。

判據③：采用人工接地方式分別測出接觸網首端和末端故障時相位角θ首和θ末，如果接觸網故障跳閘時相位角介于θ首與θ末之間，那么就可能是瞬時性故障。

判據④：同時滿足判據①—判據③時，就可以確認是瞬時性故障。

4　應用試驗

專用鐵路的接觸網從干線接觸網T接引出，為了保護專用鐵路的接觸網，在專用鐵路的接觸網首端設置了有斷路器保護的開關站[7-8]。專用鐵路接觸網發生故障時，開關站跳閘后專用接觸網的暫態殘壓也只取決于等效電容儲存的電荷，其物理過程與復線接觸網故障跳閘后的情況相似。因此將本文研究的故障性質辨識方法應用到西北1條專用鐵路的接觸網開關站，采用人工接地方式分別模擬接觸網發生永久性故障和瞬時性故障進行試驗。

西北某鐵路專用線長約12 km，從一小站引出，不存在平行走向的相鄰鐵路，試驗中人工接地點設在專用線中間。考慮到斷路器本身的機械動作時間大約為30～100 ms，將開關站斷路器的自動重合閘時間設置為1.6 s，變電所饋線斷路器的自動重合閘時間設為1 s。為實現人工智能控制開關站的斷路器重合閘，首先要在自動重合閘之前，完成故障信息的采集、重組和分析判斷。奈奎斯特采樣定理指出：采樣頻率至少是信號頻率的2倍，采樣間隔足夠密，采樣頻率足夠高，才能夠用采樣的數字信號完全重建被檢測的模擬信號。試驗中檢測暫態殘壓的信號采樣器的采樣率為50 MHz，1 ms可采集5萬個樣本，足夠還原信號。根據運行經驗，暫態殘壓的閾值設為1 kV。

4.1　瞬時性故障試驗

模擬瞬時性故障的試驗方案：采用2根普通接地線(含絕緣桿)，先將第1桿的接地導線從掛鉤上拆開，在掛鉤和接地導線之間串接1根長1 m的5 A保險絲；再拆除第2桿的接地導線，僅剩絕緣桿，把兩根絕緣桿可靠連接，以加長絕緣桿的有效長度。在保障操作人員安全的前提下，將這個加長絕緣桿的接地線掛到帶電接觸網上，短路電流必然熔斷保險絲，自動斷開接地，如同發生瞬時性故障。

試驗結果顯示：在接地線掛到帶電專用線接觸網的瞬間，保險絲立即熔化并產生火球，開關站斷路器跳閘；同時，變電所饋線斷路器也跳閘，經過1 s變電所饋線斷路器自動重合閘成功，將電送到開關站；開關站經過1.6 s自動重合閘成功，恢復專用線接觸網供電，表明開關站已經識別出是瞬時性故障。試驗中采用高壓分壓器對專用線接觸網的電壓進行測量，測量電壓波形如圖4(a)所示，可以看到：開關站從跳閘時刻t0到自動重合閘時刻tc，接觸網暫態殘壓在tk時刻前衰減很快，tk后衰減較慢，衰減曲線存在拐點，衰減過程出現2個時間常數，驗證了本文研究得到的暫態殘壓變化規律。

4.2　永久性故障試驗

模擬永久性故障的試驗方案：采用2根普通接地線(含絕緣桿)，先將第2桿的接地導線從掛鉤上拆開，并將這根接地導線與第1桿的接地導線并聯，以加強其承受短路電流的能力；再將拆除了接地導線的第2絕緣桿與第1絕緣桿可靠連接，以加長絕緣桿的有效長度。在保障操作人員安全的前提下，將這個加長絕緣桿的接地線掛到帶電專用線接觸網上，就會形成永久性接地故障。

試驗結果顯示：開關站斷路器立即跳閘并閉鎖；同時，變電所的饋線斷路器也跳閘，經過1 s后變電所自動重合閘成功，將電送到開關站，但開關站不再重合，說明開關站已經識別出是永久性故障。試驗中專用線接觸網側的電壓波形如圖4(b)所示，可以看到：開關站在t0時刻跳閘后接觸網的暫態殘壓迅速降到0；盡管1 s后開關站入口已經恢復電壓，但又經過了1 min也沒有再自動重合閘，驗證了故障辨識機理分析的正確性。

圖4　人工模擬故障試驗的電壓波形

4.3　計算值與試驗值的對比分析

1)瞬時性故障試驗

如圖4(a)所示，在發生瞬時性故障的跳閘時刻t0前，專用線接觸網側的電壓為22 V，根據測量分壓器的分壓比1 700∶1進行換算，得到換算后接觸網電壓的有效值為26.4 kV；在t0時刻跳閘的瞬間保險絲熔斷，根據保險絲技術特性估計熔斷時間為100 ns, 暫態殘壓快速衰減到約(負)9 000 V,從拐點tk時刻又經過大約1.4 s，緩慢衰減至(負)3 500 V；開關站跳閘1.6 s后自動重合閘成功。

試驗的專用線接觸網采用單鏈型懸掛，接觸線為GLCA-100/215型，承力索為GL-70型，結構高度為1 300 mm，單位長度電阻為0.231 Ω·km-1，對地電容為0.124×10-7F·km-1，12 km長接觸網導線電阻R2=2.772 Ω，電容C2=1.49×10-7F；單線路互電容Cm=0；分壓器的電阻R0=27.5 MΩ。在人工模擬瞬時性接地的過程中，保險絲未熔斷前故障通道的等值電阻Rk≈0.5 Ω，保險絲熔斷后Rk為無窮大。由于跳閘時刻接觸網殘壓的初始值u0取決于斷路器分閘時刻，是一個隨機量，為了與試驗結果比較，從圖4(a)中查得分閘時刻的相位角大約為-66°,則殘壓初始值u0=-34 kV。故障發生在線路中間，按照式(6)和式(7)計算系數K和時間常數τ，按照式(3)分別計算暫態殘壓uc在拐點tk和重合閘tc時刻的大小，有關數值列于表1中。表1中還列出了tk和tc時刻的試驗值，以及計算值與試驗值的相對誤差。

表1　tk和tc時刻的暫態殘壓計算值與試驗值比對

從表1可以看到：接觸網的暫態殘壓在拐點時刻tk的計算值與試驗值非常接近，相對誤差為1.5%；在重合閘時刻tc的計算值與試驗值相差較大，原因是在圖3所示的等值電路與計算中沒有計入接觸網絕緣子的表面泄漏電阻，若在tk時刻后計入接觸網絕緣子的表面泄漏電阻(如取為20 MΩ)，則重合閘tc時刻的暫態殘壓為3 713 V，與試驗值的相對誤差僅為6%。

應該指出：接觸網故障性質的判斷需要應用綜合判據；比如，在圖4(a)已經看到暫態殘壓變化在tk有拐點，也超過了閾值1 kV，據此就可以判斷故障的性質了，不再追求重合閘tc時刻的計算精度，從而較大地簡化了計算，提高了故障辨識的速度，對工程應用十分有益。

2)永久性故障試驗

因永久性故障導致跳閘后的專用線接觸網電壓如圖4(b)所示，接觸網暫態殘壓的試驗值為0；若取永久性故障通道的等值電阻Rk=0，則暫態殘壓的計算值也是0，兩者結果完全一致。

5　結　論

(1)永久性故障導致接觸網暫態殘壓快速趨于零值。瞬時性故障使接觸網具有一定數值的暫態殘壓，且呈指數衰減，故障消失前后的時間常數有所不同，衰減曲線出現拐點。對接觸網的瞬時性故障性質進行判斷，需要應用綜合判據。現場試驗表明，基于暫態殘壓的綜合判斷方法，能夠辨識永久性與瞬時性故障；暫態殘壓在拐點時刻的試驗值與計算值的相對誤差為1.5%。由于本文方法在等值電路建立和計算推導過程沒有人為假設條件，辨識方法具有一定的普遍意義，能夠滿足工程應用。

(2)在保障接地操作人員安全的前提下，用普通接地線進行人工接地，可以模擬接觸網發生的永久性故障；在接地導線中串聯保險絲、并采用2倍加長的絕緣桿人工接地方式，可以模擬接觸網發生的瞬時性故障。試驗結果表明：本文方法可以有效辨識接觸網的故障性質。

[1]宋國兵，索南加樂，孫丹丹. 輸電線路永久性故障判別方法綜述[J]. 電網技術，2006，30(18)：75-80.

(SONG Guobing，SUONAN Jiale，SUN Dandan. A Survey on Methods to Distinguish Permanent Faults from Instantaneous Faults in Transmission Lines[J]. Power System Technology，2006，30(18)：75-80. in Chinese)

[2]MEYSAM Khodadadi, MOHAMMADREZA R Noori, MOHAMMAD Shahrtash S. A Noncommunication Adaptive Single-Pole Autoreclosure Scheme Based on the ACUSUM Algorithm[J]. IEEE Transactions on Power Delivery，2013，28(4)：2526-2533.

[3]葛耀中. 在單相自動重合閘過程中判別瞬時故障和永久故障的方法[J]. 西安交通大學學報，1984，18(2)：23-31.

(GE Yaozhong. Method of Distinguishing between Instant and Permanent Faults during Automatic Single Phase Reclosing[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University，1984，18(2)：23-31. in Chinese)

[4]郁惟鏞，房鑫炎，王山虎，等. 自適應重合閘的機理及仿真計算[J]. 上海交通大學學報，1996，30(9)：63-68.

(YU Weiyong, FANG Xinyan，WANG Shanhu，et al. Function and Simulation Calculation of Adaptive Reclose[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University，1996，30(9)：63-68. in Chinese)

[5]林湘寧，劉沛，程時杰. 超高壓輸電線路故障性質的復值小波識別[J]. 中國電機工程學報，2000，20(2)：33-38.

(LIN Xiangning, LIU Pei，CHENG Shijie. Identification of the Instant Faults Occurred on the Extra High Voltage Transmission Line with a Complex Wavelet Algorithm[J]. Proceedings of the CSEE，2000,20(2)：33-38. in Chinese)

[6]高仕斌. 復線電力牽引網瞬時與永久性故障特征分析[J]. 鐵道學報，1998，20(3)：58-62.

(GAO Shibin. Study on Characteristics of Coupling Voltage for Transient Fault and Permanent Fault on Double Electric Traction Lines[J]. Journal of the China Railway Society，1998，20(3)：58-62. in Chinese)

[7]劉鐵，楊維，張文仁，等. 新型接觸網開關站的設計與應用[J]. 高速鐵路技術，2014，5(3)：49-53.

(LIU Tie, YANG Wei, ZHANG Wenren, et al. The Design and Application of New Type Switch Station for Overhead Contact Line System[J]. High Speed Railway Technology，2014，5(3)：49-53. in Chinese)

[8]劉鐵，楊維，戴玥. 接觸網無線遙控開關站的通信安全技術研究[J]. 中國鐵道科學，2015，36(6)：91-96.

(LIU Tie, YANG Wei, DAI Yue. Communication Security Technology for Wireless Control Switch Station of Overhead Contact Line[J]. China Railway Science，2015，36(6):91-96. in Chinese)