帶加強線的直供牽引供電系統故障測距分析

桂林峰

(蒙遼鐵路客運專線有限責任公司，遼寧 沈陽 110025)*

接觸網加強線是從牽引變電所引出的一條供電線，與接觸線并聯，每隔一定的間隔通過橫向連接線連接起來，用以降低牽引網阻抗，延長供電臂長度，提高供電能力.在帶加強線的直供牽引供電系統中，加強線多架設在鐵路田野側，易受外部樹木、異物侵入引發事故，據不完全統計，有接近70%接觸網跳閘事件，多源于加強線異物侵入.系統發生故障后，運維人員根據牽引變電所內綜合自動化系統測得的線路阻抗值來進行故障定位，但該方法無法判斷故障是位于加強線還是接觸網上，對故障處理的效率造成一定影響.另外，為了在故障時能快速切除加強線，新的電氣化改造工程或客專項目，設計單位都大大減少了加強線與接觸網的并聯點，這也造成了牽引變電所內綜合自動化系統的阻抗值曲線多不規則曲線，無法快速查找故障點.本文對故障時刻接觸網電流走向進行研究，通過電流方向判斷故障線路，提出了適用于帶加強線的直供牽引供電系統的故障測距輔助方案.

1 直供牽引網簡介

隨著幾大高鐵的正式開通、運營，中國牽引系統已達到世界先進水平，目前我國高速鐵路主要采取全并聯AT供電方式.但對于山區電氣化鐵路，由于其具有運行速度低、坡道大(往往為一面坡)、橋隧比例高、所址選擇困難等特點，AT供電方式牽引變電設施較多，站前土建工程較大，運營維護難度也較大.通過分析，帶加強線的供電方式在解決供電的同時，較AT供電方式節約大量資金，是解決山區大坡道大負荷供電需求的較為經濟有效的供電方式[1].

加強線作為接觸網接觸懸掛并聯的一條附加導線，其作用主要是提高接觸網載流能力和線路末端電壓.在車流量較大的電力牽引區段內，尤其是(全并聯)直供牽引供電系統中，接觸線和承力索的總截面積往往不能滿足輸電要求，需要用加強線來彌補懸掛截面的不足，同時降低接觸網電能損失和電壓損失[2].

帶加強線的直供牽引系統牽引網主要由接觸線、鋼軌、回流線、加強線構成，如圖1所示.加強線和接觸線并聯，每隔一定的間隔通過橫向連接線連接起來.鋼軌、回流線每隔一定距離進行一次橫向連接，鋼軌只能通過扼流變壓器(或空心線圈)中點和回流線連在一起[3].

圖1 帶加強線直供牽引供電系統示意圖

2 直供牽引網故障測距分析

2.1 行波法測距理論

雙端行波定位是利用故障時刻線路電流、電壓突然發生變化所產生的高頻暫態行波達到兩端的時差來確定故障點的位置.在線路中安裝故障監測裝置，利用行波到達的兩設備的時間差Δt進行故障點精確定位.

Δt=|t1-t2|

(1)

(2)

(3)

圖2為雙端行波法故障測距原理：m、n為故障監測裝置，t1為行波到達設備m的時刻、t2為行波到達設備n的時刻、L為設備m與設備n之間的距離，v為光速298 m/us，Xm為故障點距離設備m的距離，Xn為故障點距離設備n的距離.根據上述公式可準確的計算出故障點距離設備兩邊的距離.

圖2 行波測距原理

根據以上推導方法可知：在兩設備之間的距離L固定的情況下，影響雙端行波法故障測距主要因素為行波到達設備的時間差Δt和波速v，目前故障監測裝置采用高精度GPS對時，行波在輸電線路上傳輸的速度穩定，接近光速，因此行波法故障測距準確度高，且完全不受傳統阻抗法中過度阻抗的影響.所以行波故障測距目前已逐漸成為牽引供電系統中重要的測距手段[4].

2.2 直供系統接觸網段故障分析

對于帶加強線供電方式或AT供電方式的接觸網，故障時刻僅通過行波法測得故障點的距離是不夠的，還需要判斷是加強線(正饋線)還是接觸線故障，以此來輔助運維人員更好的進行故障處理.因此，本文在行波法的基礎上進行一些改進，利用故障時刻工頻來判斷故障線別.

上下行并聯直供帶加強線接觸網多架設在野外，環境惡劣，易受外部環境影響.而外在環境的多樣性也容易引起牽引線路的接地短路故障.由于牽引供電系統為單相導線供電，發生短路接地故障時潮流方向單一，故障電流總是流向短路接地點，故障行等效電路如圖3所示.

圖3 單根加強線系統接觸網故障

圖中，I1為牽引所接觸線上網處電流，I2為橫連線電流，I3為分區所接觸線上網處電流.

在上下行并聯的情況下，當接觸線發生故障時，故障行電流方向為本行牽引所流向接地點，與此同時加強線上的故障電流亦是從加強線流向短路接地點；另外一行的故障電流通過末端并聯點流向短路接地點，此時接觸網跳閘.對于故障行來說，其接觸線和加強線電流方向相同，都是從牽引所流向短路接地點，而分區所處電流是由非故障行提供，方向為分區所流向短路接地點，規定設備正方向由所指向線，那么上圖所示三處電流方向相同[4].

使用SPSS20.0軟件對本文60例行手術治療的老年骨科患者的指標數據進行分析,卡方檢驗,以%形式展開患者術后6h、術后12h、術后24h、術后72h認知功能障礙發生率,兩組患者組間差異存在統計學意義以P<0.05展開。

2.3 帶加強線直供系統加強線段故障分析

對于帶單段加強線的上下行并聯直供接觸網，加強線直接從牽引所出，當加強線段發生故障時，接觸網故障行等效電路如圖4所示.

圖4 單根加強線系統加強線故障

加強線段發生故障時，通過潮流分析，各處故障電流都流向短路接地點.在規定設備正方向的前提下，對于故障行來說，上圖三處故障電流中，橫連線處電流與接觸線和分區所處上網點電流相反，具體推導過程與上一小結相同，不再贅述.

2.4 多段加強直供系統線加強線段故障分析

對于多段加強線的直供系統，當加強線段發生故障時，故障電流仍是流向短路接地點，各處電流方向如圖5所示.其中，I1、I3分別為牽引所和分區所接觸線上網處的電流，I2為加強線并聯點處電流，I4為加強線末段橫連線電流.此時規定I1、I3、I4的正方向為由所指向線，I2電流的正方向為牽引所指向分區所.故障發生后，通過I1、I3、I4判斷故障是否位于加強線上(判斷原則與單段加強線相同)，當故障位于加強線上時，再通過I2和I4來判斷故障區段，若I2和I4同向則故障位于前段(即靠近牽引所段)，若I2和I4反向則故障位于后段(靠近分區所段).

圖5 多段加強線系統加強線故障

3 直供牽引系統故障仿真分析

3.1 模型建立

在Matlab/Simulink搭建帶加強線的全并聯直供牽引網模型，牽引供電系統中牽引變電所為110kV，利用Matlab/Simulink中Simpowersystems中“3-Phaes Source”模塊作為外部電源仿真模型[5].

帶加強線的全并聯直接供電方式采用27.5kV的單相供電方式，牽引變主變壓器采用單相變壓器，利用Simpowersystems中LinearTransformer模塊：

本文目前只考慮電流流向問題，因此設定參數滿足常規參數，不需要考慮發生短路接地時電流大小.帶加強線段和接觸網段目前只考慮自阻抗和互阻抗，其它暫不考慮，所以具體參數如表1所示.

表1 仿真參數 Ω/km

以上模塊及模塊參數確定完成后，將模型優化，對仿真模塊進行封裝.本仿真模型，供電臂長度為30 km，其中加強線總長20 km，分為兩段，每段10 km.

3.2 仿真結果

經過Matlab/Simulink搭建出來的波形仿真出來結果如下：

對于單段加強線，線路檢測點如圖6.

圖6 單段加強線故障電流流向圖

單段加強線模型中，加強線長度為10 km，從牽引所引出.此時規定由所流向線路方向為電流的正方向，則測量點方向如圖7所示.

圖7 加強線故障

如圖8所示，帶單段加強線模型中，加強線長度為10 km，直供線段20 km，此時規定由所流向線路方向為電流的正方向[6]，則可由加強線段的故障電流方向來判定故障，若加強線段電流方向和接觸網段電流方向相同則故障位于接觸網段，若加強線段電流方向與接觸網段電流方向相反，則故障位于加強線段.

圖8 接觸網故障

多段加強線模型中，第一段加強線長度為10km，第二段加強線長度為10 km，第三段線不帶加強線長度為10 km，從牽引所引出.此時規定由所流向線路方向為電流的正方向，則測量點方向如圖9所示.

圖9 多段加強線故障電流流向圖

該模型中，加強線總長20 km，分為兩段，在中點處與接觸線并聯.規定電流正方向同上，則測量點方向如圖10所示.

圖10 接觸網故障

圖11、12為第一段、第二段加強線故障，從圖中可以判定出加強線故障和接觸網段故障，當存在多段加強線時，故障點位于后段加強線時牽引所出口設備采集到波形與第一段加強線波形完全重合，因此可以判定故障位于那段加強線[1].

圖11 第一段加強線故障

圖12 第二段加強線故障

由仿真結果可知，不同位置的故障可以通過監測點電流方向來進行判別.以上規律可與行波定位理論相結合，在實現故障定位的同時確定故障線別，能更好的指導運維人員進行故障處理.

4 結論

本文通過對帶加強線牽引供電系統不同故障時故障電流的仿真分析，總結出判斷系統故障線別的規律，解決了傳統故障定位中無法區分線別的問題，并與行波定位理論結合，實現了帶加強線直供系統的精確定位，有效減少接觸網停電時間，提升了故障處理效率.另外，該結論還能夠指導配置和優化接觸網故障監測裝置，節省投資.但實際使用效果需相關設備生產后結合現場環境、接觸網分布情況與鐵路部門現場試驗進行驗證.