軌道交通供電系統電纜故障在線定位技術研究

馬一博，石 勇

(1.西安市軌道交通集團有限公司，西安 710016；2.國電南瑞科技股份有限公司，南京 211106)

0 引言

軌道交通是指在軌道上行駛的、服務于人們日常生活、工作的交通[1-2]。對于軌道交通而言，其最重要的就是車輛的供電系統，它是整個車輛的動力源泉。一旦出現供電系統問題，將會直接導致車輛停滯，嚴重的可能會發展為車輛故障，威脅人員安全以及財產安全。通過多次研究可知，軌道交通供電系統故障主要起因為電纜的故障[3]。因此，大部分的專家學者針對此現象提出了軌道交通供電系統電纜故障在線定位技術。但在長期的使用中可以發現，傳統的軌道交通供電系統電纜故障在線定位技術時常會出現誤報的問題[4]，因而，在此次研究中，將就此問題設計新型的軌道交通供電系統電纜故障在線定位技術。

采用行波計算技術，對傳統的軌道交通供電系統電纜故障在線定位技術展開優化。在設計后，將設計技術應用測試環節，采用文中設計技術、原有技術以及文獻[5]中提出的采用基于時域反射法的航空電纜故障定位技術進行對比。基于時域反射法的航空電纜故障定位技術根據空運電纜裝機后故障定位困難的特點，研究了基于TDR技術的電纜故障定位方法，分析了典型故障波形，搭建了測試平臺，進行了電纜短路、斷路故障測試。以此證實文化總設計技術的可行性與科學性。

1 軌道交通供電系統電纜故障在線定位技術設計

針對原有軌道交通供電系統電纜故障在線定位技術在使用中出現的問題，在此設計中將針對誤報率過高的問題，進行針對性優化設計。此次研究中設計的技術，將以原有定位技術作為設計基礎，沿用原有技術中的部分設計，構建新的故障定位技術。為保證此次定位技術設計中的有序性，將軌道交通供電系統電纜故障在線定位技術分為四部分，完成供電系統電纜故障的高精度定位。在此次設計中，涉及部分故障定位設備的使用。技術實現平臺設計過程中，將對設備的型號進行設定。

1.1 供電系統電壓脈沖采集

在此次設計中，首先對供電系統中的電壓脈沖進行獲取。通過對電壓脈沖的研究，可實現對供電系統電纜故障的判定，并采用適用于此故障的定位方式，實現對故障的定位。

在脈沖采集的過程中，主要考慮脈沖的形狀、脈沖的寬度以及脈沖的幅度[6]。電壓脈沖采樣的過程中，采樣頻率直接影響了電壓脈沖的采集結果。由于軌道交通的距離較大，在對其進行電壓脈沖采用時，選用高頻率的采集間隔，將電壓脈沖寬度變窄，提升對電纜分辨的精度。設定電纜中的連續脈沖為f(a)，抽樣序列為g(a)，對該脈沖進行采樣，設定抽樣信號為ft(a)。則有：

ft(a)=f(a)g(a)

(1)

假設脈沖序列g(a)的脈沖獲取時間間隔為t，則αt=2π/tg，其中，αt為脈沖序列獲取周期。將此公式展開傅里葉變換，則有：

Y(α)=2π∑Ynβ(α-nαt)

(2)

公式(2)中，Yn為g(a)的傅里葉系數[7-8]，根據傅里葉變換公式可知：

(3)

公式(3)中，e-jnαtt為變換周期，d為電纜間隔距離。將ft(a)的傅里葉變換設定為F(a)，根據頻域卷積公式[9]得出變后的公式為：

Ft(a)=F(a)G(a)=

(4)

公式(4)中，ft(a)為Ft(a)中的一個周期性函數，通過上述公式，得出供電系統電壓脈沖的數據變化圖像，對圖像的波動與寬度進行分析，獲取供電系統電纜運行狀態圖像與數據。通過對供電系統中的電纜電壓脈沖進行采集，獲取供電系統中的初始電纜狀態數據，提出脈沖波動較大的部分，做出特殊標記加以記錄，作為接來下分析與定位中的數據來源。

1.2 電纜故障類別判定

采用采集到的電壓脈沖結果，確定供電系統中的電壓異常部分，對于線纜端子和中間端子進行詳細檢查，如線纜端子和中間端子有燒傷變色痕跡，可判斷為線纜故障異常部分。并通過此數據作為電纜故障類別判定的基礎。供電系統電纜故障從形式上來看，大致可以分為兩部分，首先是并聯故障，其次是串聯故障[10-11]。并聯故障是由導體絕緣下降造成的故障；串聯故障是由于一個或是多個導體故障導致的電纜故障。通過圖像可將供電系統電纜故障顯示如圖1所示。

圖1 供電系統電纜故障簡圖

如圖1所示，H為供電系統中的局部電容，p為電壓中間的縫隙，R為絕緣電阻。通過電壓脈沖采集結果可知，當故障不同時，H、p、R的設計變化也不相同。為對電纜故障進行合理的分類，通過電壓脈沖采集結果以及R的數值變化，將供電系統電纜故障種類劃分如表1所示。

表1 供電系統電纜故障種類劃分結果

通過上述表1中的內容對供電系統中的電纜故障進行分類，并采用行波計算對故障位置進行監測，實現供電系統電纜故障的精準定位。

1.3 行波計算

采用上述設計內容，完成對供電系統電纜故障的基礎研究。在此部分中，將采用行波計算的方式，對故障的位置進行確定[12-13]。設定在供電電源的作用下，電流行波與電壓行波在電纜的兩端移動，當出現故障時，行波發生反射，在行波傳輸至故障點，發生二次反射。這種行波狀態呈周期狀，在電纜進入故障后穩態[14-15]。設定供電系統電纜兩端為C、D,故障行波達到端點的時間分別為TC、TD，故障點到達C端點的距離為XC,到達D端點的距離為XD，電磁波在電纜中的傳播速度為x，供電電纜的總長度為K，則有：

(6)

(7)

通過上述公式實現對故障位置的精準定位，由于電纜的材料較多，為保證行波計算的精準度，對電纜材料進行研究[16-17]，并設定相應的計算值如表2所示。

表2 電纜材料行波速度取值范圍

通過上述電纜材料行波速度取值范圍結合行波計算公式，完成對供電系統電纜的故障在線定位。

1.4 實現電纜故障在線定位

采用行波計算方式，完成了電纜故障的在線定位。為保證定位的精準度，在此部分中，將對定位結果進行判定，并對定位技術的使用環境與平臺展開設定。

設定由于時間帶來的定位誤差為χ1，由于脈沖采集帶來的誤差為χ2，定位允許的最大定位誤差為χmax，則有：

χ1=xt1/2

(8)

χ2=xt2/2

(9)

χmax=χ1+χ2=(ε1+ε2)x/2

(10)

式中，x為電磁波的傳輸數據[18-19]，ε1、ε2分別為時間誤差與周期誤差，通過計算可知，在供電系統電纜故障中，允許的最大定位誤差為4.5。為保證計算部分可正常使用，設定電纜故障在線定位技術實現平臺如圖2所示。

圖2 電纜故障在線定位技術實現平臺

采用圖2平臺設計構架圖，選取相應的設備與芯片，作為文中設計定位技術的實現平臺。在此部分中，主要以采集部分使用的設備作為主要平臺設備選取對象，此設備選取的結果直接影響著故障定位的精度。因而，采用DPS芯片對其進行控制，通過此設定提升采集設備在數據獲取中的有效性[20-21]。

將上述計算部分與技術實現平臺相結合，并將其安裝至軌道交通供電系統中，通過此平臺，實現對電纜故障的定位與處理[22-23]。至此，軌道交通供電系統電纜故障在線定位技術設計完成。

2 實驗結果與討論

為了檢測本文中設計的軌道交通供電系統電纜故障在線定位技術的可行性與有效性，分別的仿真實驗室內與現場對此方法展開相應的測試。

2.1 測試環境

在實驗內采用下圖中的測試電路對文中設計技術、原有技術以及引用其他方式設計的定位技術展開測試。在此次測試中，將測試環境設定為三種不同的供電系統電纜運行狀態，首先是具有絕緣故障，其次是電壓波動故障，最后是局部放電故障，如圖3所示。

圖3 測試電路

在測試中，首先選取一根完整的電纜，而后使用壁紙刀沿電纜的水平方向切割，破壞電纜絕緣層，并漏出電纜導體芯。將采用絕緣破損的電纜引入到上述測試電路中，施加DC 1000 V，以此完成對絕緣破損的電纜故障的仿真。電壓波動故障仿真中，采用變壓器控制供電系統兩端的電壓，造成供電系統的電壓變化。局部放電仿真中，通過控制供電系統的放電位置，造成電纜間歇性故障。通過上述設定，檢測文中方法與其他兩種方法的定位誤報率。

2.2 測試指標

此次測試中，設定測試指標為在線定位技術的定位誤報率，誤報率的計算公式如下所示：

(11)

式中，C表示測試指標總集；A表示正常電纜電壓波動故障集合；B為誤認為是異常項目電纜電壓波動故障集合。

通過此指標可直觀地展示文中設計技術、原有技術以及采用其他方式設計技術的使用效果。且采用數值對比的方式，降低了此次技術應用測試的難度。

由于此次測試對象為供電系統電纜，因而，在指標設計的過程中，對傳統的誤報率進行部分改進。傳統的誤報率是指上報錯誤信息在上報全部信息中的比重。在此次測試中，設定誤報率為故障點定位與預定故障點之間的誤差距離。通過此設定，提升測試結果的有效性。

2.3 測試平臺

為保證此次測試的可控性，對實驗室中使用的部分設備儀器進行設定，具體設定結果如圖4所示。

圖4 使用的部分測試設備圖

采用圖4中設備與電纜，實現對電纜故障定位技術的測試。在此次測試中，共設定30個故障點，采用文中設計技術與其他兩種技術對供電系統中的故障點進行定位，并及時記錄每種方法的定位數據，將其與預設位置數據進行對比，并得出相應的誤報率。通過對誤報率數據變化的分析，完成對文中設計定位技術以及其他兩種定位技術使用差別的研究。

2.4 測試結果

通過表3實驗結果可知，當供電系統電纜故障為絕緣故障時，文中設計技術的定位誤報率較低，原有定位技術的誤報率最高。隨著測試點距離的不斷增加，原有定位技術的誤報率波動逐步加大，文中設計技術的誤報率較為穩定，并沒有因為電纜距離的變化而發生變化。采用其他方式設計的定位技術，相較于文中設計技術誤報率較大，但明顯優于原有定位技術。

表3 電纜絕緣故障定位測試結果

通過表4實驗結果可知，當供電系統電纜故障為電壓波動故障時，三種故障定位技術的誤報率明顯上升。但文中設計技術的誤報率較為穩定，沒有出現大部分的激增，在日常使用中，不會造成定位異常。原有定位技術與采用其他方式設計的技術誤報率上升幅度較高，綜上可知，當電纜故障為電壓波動故障時，文中設計技術使用效果最佳。

在表5實驗結果中，電纜出現局部放電時，原有定位技術對于此故障的定位效果最差，文中設計技術對于此故障的定位效果最佳。綜合電纜電壓波動故障定位測試結果以及電纜絕緣故障定位測試結果可知，文中設計故障定位技術，在常見的供電系統電纜故障定位使用中，效果最佳。

3 結束語

軌道交通是目前人們出行的重要交通工具之一，其故障定位效果直接影響到人們的正常出行與人身安全。一般來說，常見的軌道交通包括輕型軌道、高架鐵路以及地下鐵路等方式。在此次研究中，對軌道交通供電系統電纜故障定位技術展開優化設計，通過測試結果證明此次研究中設計的技術使用效果優于原有的定位技術。由此可知，采用行波計算可有效改善離線故障定位技術誤差高的問題。采用在線定位技術不但可以提升故障的定位精度，還可以降低由于離線定位造成的車輛供電系統損傷問題的發生。在日后的軌道交通故障定位過程中，可增加文中設計定位技術的使用范圍，以此保證故障定位的有效性。

表4 電纜電壓波動故障定位測試結果

表5 電纜局部放電故障定位測試結果