基于相量測量在高鐵供電故障分析中的應用

劉昊

摘 要：高速鐵路牽引供電的數據采集與監視控制系統是基于同步相量測量技術的應用，在高鐵牽引供電設備發生故障時，供電調度能通過scada系統上傳到調度端的報文數據，快速分析判斷故障性質，利用遠動設備切除故障設備，保證高鐵運輸安全可靠。本文就相量測量數據在高鐵供電故障的分析判斷中的應用做了簡單介紹。

關鍵詞：相量測量;高速鐵路;供電調度;故障分析

中圖分類號：U238 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2019）20-0152-02

0 引言

隨著我國高速鐵路網絡大面積投入運行，國家中長期鐵路“八縱八橫”格局建設的陸續完成，中國的軌道交通事業翻開了嶄新的一頁，當下乘坐高鐵出行不僅成為國人的家常便飯，更是我國閃耀世界的一張金名片。涉及高速鐵路的新裝備、新技術也如排山倒海般地不斷投入到實際運用中。

高速鐵路牽引網采用牽引變電所、分區所和AT所全并聯供電方式。各牽引變電所上行、下行饋線出口處分別設置電動隔離開關，配備有電力及牽引供電遠動系統，電力及牽引供電設施納入供電調度遠動監控。

1 同步相量測量

牽引供電系統的電壓水平受電力機車低功率因數、牽引負荷的不對稱性、沖擊性以及電力系統的運行方式和短路容量等因素影響，造成對牽引網的電壓損失計算復雜，且變化幅度大的特點。

牽引網的電壓變化（電壓降△U）為首端電壓U與末端電壓U′的相量差。

如圖1所示：j為功率因數角，θ為供電線路首端與末端的電壓相量角。

實際運算中θ=arctan數值很小（大約在3°-5°之間），在工程計算中可以忽略不計，因此電壓降（電壓損失）的值約為△U=RIcosj+XIsinj。

在上述表達式中j為電流I和電壓U′的功率因素角，當電流I超前電壓U′時即為容性，j<0（即取負值）;當電流I滯后電壓U′時為感性，j>0（即取正值）。

在對牽引網參數進行建立模型計算時，往往根據實際情況如線路的長短和電壓等級等進行綜合考慮，即用短線路還是中長線路進行參考建模。對于中長線路（一般線路長度大于80km小于250km時，線路中的充電電流不能忽略，必須考慮分布電容，也就是將一半的集中電容分布在線路兩端進行建模）。

而對于目前高速鐵路采用的雙邊供電模式，其牽引供電網絡的供電臂（兩相鄰牽引變電所、變電所與分區所之間的距離）絕大多數均小于80km，且牽引網的標稱電壓為25KV，我們可以參考用短線路進行建模，也就是說可以忽略掉線路電容對計算的影響，將單位長度的線路阻抗與線路長度相乘而獲得線路模型。如圖2所示。

即X（t）=Xsin（ωt+j）

上述表達式中X是幅值，j為相位角度。相量測量就是同時測量幅值和相位，幅值用電壓表和電流表測量，不同的時間參考點所讀取的相位值不同，所以，相量測量必須選擇統一的時間參考。基于GPS秒脈沖（統一時間參考）的相量測量能夠完成實時監測功能，實時記錄功能。正常的電路負載中r（電阻）是大于x（電抗）的，總阻抗主要由負載決定，有功分量大于無功分量，純電阻電路中阻抗角為零。當發生短路故障時總阻抗則取決于線路阻抗（線路阻抗中電抗（x）大于電阻（r），阻抗特性成感性，電壓超前電流）阻抗角增大，介于0°-90°之間。供電調度能通過相量測量上傳至調度端的實時監測電壓電流數據和阻抗角度大小值進行故障的快速分析判斷。

2 相量測量數據的分析判斷

高速鐵路接觸網故障停電時，供電調度員會立即對故障報文相關數據進行分析、判斷，優先采用遠動設備快速切除供電線、F線等不影響接觸網送電的故障設備;做好高鐵負荷特性跳閘、變電所故障越區供電等應急處置流程的應用;正確采取接觸網最小單元停電、降弓通過等措施，最大限度地縮小停電范圍，壓縮停電時間、暢通運輸秩序、滿足滯留列車供電條件。

2.1 T線瞬時金屬性接地故障的應用

2月5日19：44，某變電所上下行211、214饋線斷路器跳閘，重合成功、動作類型為電流速斷阻抗I段，上行TR故障，U=4.718kv，I=4807.983A，阻抗角度∠60.281°，故測距離0.505km。

根據相量測量數據，供電調度分析故障為金屬性短路接地，根據故測距離得到對應公里數K1003+085，動車組不需降弓，上下行首列動車組在K1001+085至K1005+085限速80km/h，司機注意觀察運行。后經過安排供電人員巡視檢查發現在該供電區段10號桿有金屬絲狀物搭接隨后處理完畢恢復正常。

13時42分，某牽引變電所上下行211、214饋線斷路器跳閘，重合不成功，電流速斷，上行TR故障，U=4788.332V，I=7169.190A，阻抗角∠56.10°，故測距離1.638km。

根據實測數據和相量角度，供電調度分析：短路相位角在50～75度左右，電壓低于10000V，極有可能為金屬性接地短路故障，經過查看列車運行圖，發現有機車停在青X至樂X站之間，后經過司機檢查和供電人員巡視發現機車受電弓被異物短接造成短路跳閘故障。

2.2 F線帶過渡電阻的接地短路故障的應用

3月29日12：15，某變電所213饋線斷路器下行跳閘，重合閘失敗。動作類型：阻抗II段動作，F-R故障，跳閘數據：U=12600V、It=966A、If=959A，阻抗角34.5°、故測18.47km，對應供電單元為區間23#桿。

根據實測數據，短路相位角在10～50度，短路電流、電壓在金屬性和高阻接地之間，供電調度迅速判斷疑似帶過渡電阻的接地短路。迅速通知供電檢修人員登乘動車組巡視、外圍巡視，軌道車出動準備搶修。12：21列調反饋司機、車站未發現異常，12：23試送213斷路器成功（該供電臂供電線隔離開關無法分斷，無法直接切除F線）。12：34列調反饋該上行臂后續列車限速通過未發現異常。12：37列調反饋下行臂后續列車限速通過未發現異常，恢復常速。12：58供電工區檢修人員添乘動車巡查供電設備可視部分無異常，13：30外圍巡查完畢，供電設備可視部分無異常。30日0：17-2：41，供電工區申請故障檢修，對跳閘供電臂進行上網檢查，檢查發現編織袋短接該供電單元55#桿AF線懸式絕緣子，懸式絕緣子有燒傷痕跡，隨后當場更換。

2.3 F線短時接地、絕緣部件瞬時閃絡（電擊小動物）故障的應用

某日9：35祁某變電所211、`212饋線斷路器跳閘重合成功，阻抗Ⅰ段保護動作，211母線電壓11.88KV、電流It：813A、If：711A，阻抗22.97Ω、阻抗角71.9°。212母線電壓10.95KV、饋線電流It：826A、If：2798A、阻抗14.55Ω、阻抗角69.5°。9：37祁某變電所211饋線斷路器第二次跳閘重合成功，212饋線斷路器重合失敗。阻抗Ⅰ段保護動作，211母線電壓11.63KV、電流It：825A、If：721A，阻抗22.72Ω、阻抗角72°。212母線電壓10.69KV、饋線電流It：836A、If：2836A、阻抗19.89Ω姆、阻抗角74.1°。故標類型：212，F型故障，故標測距與第一次跳閘相同。

供電調度根據跳閘參數綜合分析判斷為212饋線F線短時接地故障，結合兩次跳閘參數故障電壓在10KV左右，角度小于75°且第一次重合成功，故障可能是短時接地故障或飛鳥撞線。供電調度立刻告知列車調度上述情況且太谷某站（含）至祁某東站（含）間上行線路接觸網跳閘無電，命令該區段的動車組降弓后試送電，下行線路首列按故標指示位置前后兩公里限速80km注意運行。9：40供電調度果斷遠動斷開上行線F線隔離開關后試送電成功并通知接觸網已恢復供電，且上行首列按故標前后兩公里限速80km注意運行。隨后供電調度通知祁某東牽引變電所及網電工區人員迅速巡視檢查設備，2小時后網電工區人員巡視發現祁某東至太某西間上行線335km+600m處F線下錨絕緣子有放電痕跡，支柱根部有只被電擊死的鳥。設備檢查完畢后未發現其余設備異常，F線隨后投入運行，祁某東變電所212饋線恢復AT供電方式。

2.4 高鐵負荷特性跳閘的應用

2018年12月10日14時13分，某牽引變電所212饋線斷路器跳閘，過電流動作，14時15分手動合閘成功（因下行供電臂有停電配合作業，自動重合閘取消，詢問現場無異常后送電成功），電壓26581V，電流1123A，電阻10歐，阻抗角9度，故判距離10.17km，對應該供電單元54號桿。

供電調度通過數據分析，阻抗角在0-20°，電流在2500A以下，電壓20KV以上，判斷為負荷特性跳閘，處置要點為不降弓不限速不巡視檢查不影響正常動車運行。16時00分，供電車間巡檢人員反饋未發現異常。原因，當時該牽引變電所212供電臂內共有3列電力機車運行，電流值為：1123A，超過過電流保護定值（1100A），多列機車瞬間同時加速取流，電流疊加，超出最大負荷能力，是造成212饋線保護裝置動作跳閘的主要原因。

3 結語

綜上所述，針對目前高速鐵路牽引變電所斷路器跳閘，重合閘和強送電均不成功，接觸網或供電線、加強線斷線接地，絕緣子擊穿，隔離開關處于分閘接地狀態下的分段絕緣器擊穿，機車故障（如機車瓷瓶擊穿），等較嚴重的弓網故障，以及斷路器跳閘后重合成功（試送電成功）的絕緣部件瞬間閃絡，電擊人或動物等短時（瞬時）接地故障，基于相量測量的數據報文均能準確的反饋到調度端，輔助調度員做出正確的應急處置措施。確保高速鐵路供電可靠，最大限度壓縮停電時間，暢通運輸秩序。

參考文獻

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