大準鐵路接觸網故障測距裝置的校正與研究

白劍峰

摘 要：通過分析大準鐵路沿線各變電所的接觸網故障測距裝置運行情況，總結故障測距類型，并利用相關的短路試驗數據，分析電抗法測距與上下行電流比法測距在實際應用中所存在的問題，進而提出問題解決方案，有效提高故障測距精度，縮短故障處理時間。

關鍵詞：接觸網 故障測距 電抗法 電流比法 阻抗試驗

中圖分類號：U226.8 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）11-0-02

引言

大準鐵路是準能集團下屬的國家一級重載電氣化鐵路，東起山西省大同市，西至內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗薛家灣，正線全長264公里，途徑兩省六旗縣（市）。由于大準鐵路車流密度較大、接觸網運行環境惡劣，因此發生接觸網故障的幾率較高。一旦發生接觸網永久性故障，將直接影響整條鐵路的運行，因此，快速、精確地獲得接觸網故障位置對于線路的及時修復起到了至關重要的作用。

一、大準線接觸網故障測距的原理

1.電抗法測距的原理

大準線采用直供加回流的供電方式，全線各所的饋線保護裝置均有使用電抗法進行故障測距的特定模塊，其測距原理[1]如下。

當接觸網發生短路故障時，其短路阻抗，其中電阻必定會包括該故障點的弧光電阻部分，且弧光電阻是一種暫態量，受線路隨機因素影響較大，難以作為短路阻抗的測距依據。而線路電抗值受短路電流的影響不大，它一般是與線路長度成正比的。因此，可以計算出故障點的電抗值之后，再通過（為接觸網單位距離電抗值，單位）來進行測距。

電抗值計算公式為：

公式（1）中，和分別為短路電壓和短路電流；為取比值的虛部。

是通過接入饋線保護裝置的饋線側母線電壓互感器PT采集的，是通過饋線斷路器上的電流互感器AT采集的，原理如下圖所示：

2.上下行電流比法測距的原理

利用上下行電流比法進行故障測距的前提必須是在復線區段，且上下行饋線的末端必須并聯到一起。因此，在條件符合的大準線外西溝變電所安裝了凱發DK3571A電鐵故障測距裝置進行故障測距。

若假設接觸網上行線發生短路故障，則上下行電流比測距的等效原理圖如下所示：

其中L為故障距離，L1和L2分別為上、下行供電臂長度；為故障時母線電壓；和分別為上、下行故障電流；和分別為上、下行單位距離阻抗值；上行故障點兩邊的阻抗值可以分別等效為和，下行總阻抗等效為。

由圖2可得：

由公式（2）可得：

因為一般情況下，接觸網上行單位距離阻抗值和下行單位距離阻抗值相等，且上行供電臂長度=下行供電臂長度=，所以公式（3）可以簡化為：

若假設接觸網下行線發生短路故障，則可得：

因為故障一行的電流值往往較大，所以綜合公式（4）和公式（5）的結果可得

由圖2可以得出，和的電流方向相同，所以對公式（6）兩邊取模值得：

公式中，L為故障距離；為供電臂長度；和分別為上、下行故障電流的模值。

由公式（7）可以看出，在理想狀態下，上下行電流比法的測距結果僅與上、下行故障電流的模值以及供電臂長度有關，與短路阻抗無關，且供電臂長度是一個常數，因此只需要提高短路故障時的故障電流采集精度，即可提高測距精度。

二、故障測距裝置的應用問題及校正措施。

1.電抗法測距的應用問題及校正措施。

大準線上的窯溝變電所、點岱溝變電所、大紅城變電所、外西溝變電所、涼城變電所、樊家變電所、黍地溝變電所均可采用饋線保護裝置自帶的電抗法測距模塊進行故障測距，但在實際應用中，其故障測距的準確性比較低。

以2015年8月11日在外西溝變電所進行的短路試驗為例，當天共在3個短路位置進行了5次短路試驗，其試驗結果如下表所示：

通常以0.5km的誤差范圍作為可以接受的誤差范圍，但本次短路試驗的試驗結果均在可接受誤差范圍之外，且有4次的差距極大。

經過數據分析與參數比對發現，造成這種問題的主要原因是饋線故障測距裝置沒有進行單位電抗的分段處理，忽略了區間中的接觸網線路與各站場的接觸網線路構造不同、接觸網材質、規格不同對單位電抗的影響，以及接觸網供電線到上網點部分的結構、材質差異。因此，不能將整條接觸網線路單純視為阻抗均勻分布的線性回路，應對不同分段部分的接觸網線路進行逐段細分，按照每部分接觸網線路的特點將線路的單位電抗進行重新測量。

2017年底，大準鐵路供電段在樊家變電所組織進行饋線阻抗參數試驗，在樊家變電所211饋線上測試了4個位置，在212饋線上測試了6個位置，其試驗位置如圖所示：

從實驗結果來看，供電線的單位阻抗最大，區間次之，站場的單位阻抗最小，這與實際情況相符。因此，將該段接觸網線路的單位阻抗值按照供電線、區間、站場進行分段輸入，便可有效提高故障測距精度。

2.上下行電流比法測距的應用問題及校正措施。

大準線外西溝變電所采用天津凱發DK3571A電鐵故障測距裝置進行故障測距，當饋線上、下行線路在末端閉環運行時，該裝置可以采用上下行電流比法進行測距。其裝置內部的測距公式[2]為：

其中：、為上下行供電臂電流；為供電臂長度。

為了驗證該裝置的測距精度，2015年8月11日在外西溝至雞鳴驛區間上下行接觸網選取末端、中間、近端三個短路點，按永久性接地方案進行接地短路試驗。試驗結果如下表所示：

由試驗結果可知，除6點57分36秒的試驗測距誤差在可接受誤差范圍（0.5km）之內，其余試驗的測距誤差均比較大。

經過理論分析及設備參數核對，該問題的主要原因在于外西溝至雞鳴驛區間上行接觸網線路與下行接觸網線路的結構不同。由于上行為重載方向，為提高機車取流能力，上行接觸網線路并接了加強線，造成了公式（3）中的上行單位距離阻抗值≠下行單位距離阻抗值，因此在這種情況下，公式（3）不可以簡化為公式（4），所以該裝置內部的測距公式（8）并不成立，從而造成測距結果誤差較大。

針對這種情況，需利用饋線阻抗參數試驗，得到該段線路準確的上行單位距離阻抗值和下行單位距離阻抗值，以及上下行線路總阻抗值，之后便可對公式（8）進行校正，提高測距精度。

結語

針對大準線7個變電所的實際情況，應在線路末端閉環運行的復線區段采用上下行電流比法進行測距，若出現上行線路與下行線路結構、材質不同的情況，則需進行饋線阻抗參數試驗，準確測量出上行單位距離阻抗值與下行單位距離阻抗值，進而校正故障測距結果。在單線區段，則應利用電抗法進行故障測距，并對不同分段部分的接觸網線路進行逐段細分，將單位阻抗值按照供電線、區間、站場進行分段輸入，從而提高故障測距的精度。

參考文獻

[1]陳小川.鐵路供電繼電保護與自動化.北京交通大學出版社.2013：44-45.

[2]天津凱發電氣股份有限公司.DK3571A電鐵故障測距裝置技術說明書.2012：20.