地鐵直流牽引供電系統接觸網故障點測距方法*

王開康 呂 意

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司， 430063， 武漢∥第一作者， 正高級工程師)

地鐵具有速度快、無污染、工作安全可靠、準時方便、乘坐舒適、占用地面空間少等明顯的優勢，它已逐漸成為有效解決大中城市交通緊張狀況的首選[1]。但與此同時，地鐵直流牽引供電系統因受天氣或人為因素的影響，存在發生故障的概率，給該系統的運行與維護帶來了新的問題與挑戰。

接觸網是直流牽引供電系統中僅有的無后備部分，其工作狀態一直影響著該系統的安全、穩定運行。由于列車在運行過程中采用受電弓(集電靴)滑動取流，且接觸網的一些構件及導線容易受天氣因素影響進而發生損壞，導致接觸網故障概率非常高；接觸網沿隧道壁敷設，排查尋找故障點的難度大和費時長，將延誤列車的正常運行。因此,如何快速而精確地測算出故障點的位置，成為直流牽引供電系統安全、穩定運行的關鍵。

在通常情況下，接觸網線路出現的故障大致可劃分為兩大主要類型：瞬時故障和永久故障。瞬時故障發生時，直流牽引系統可利用繼電保護裝置的重合閘功能恢復供電，但故障點仍是該系統運行中的薄弱點，需及時發現故障點并排除故障，避免發生二次故障進而影響該系統的安全、穩定運行；而當產生永久故障時，則需快速查明故障發生的位置并及時修復排除。因此，故障點測距方法的引入，不僅能為維修人員及時發現故障點和搶修線路提供便利，且能保證直流牽引系統的安全可靠供電，保障地鐵安全運營。對直流牽引供電系統故障點測距技術進行研究，是地鐵牽引供電系統的可靠性、安全性和經濟性運行需求下的一個重要課題。

1 直流牽引供電系統接觸網故障點測距方法概述

由于直流牽引供電系統組成和運行方式的相似性，既有的電力系統及電氣化鐵路中的故障點測距方法可為地鐵牽引供電系統的故障點測距提供參考。電力系統中最常用的故障點測距方法主要有兩種：故障點分析法和行波法[2]。其中：故障分析法也被稱為電阻法，該方法根據供電系統的相關電氣參數和測量到的故障時的電氣量，通過推導得到的公式計算出故障點的位置，這是一種傳統的故障點測距方法；行波法則是基于暫態行波在傳播過程中遇到波阻抗不連續點發生的折射和反射原理，利用探測得到的行波波頭之間的時間差來實現故障點測距。行波法中，波速是影響故障點定位精度的關鍵，波速的計算取決于大地電阻率的大小和接觸網架構的配置。此外，行波測距需專門設備實現，投資較大。

直流牽引供電系統接觸網沿線的隧道內地質條件比較復雜，不同區域地質段的土壤電阻率也有所不同。且由于直流牽引供電系統的站間距太短，電壓等級低，行波過程不明顯[2]，采用行波法測距存在行波波頭檢測難度大和定位精度差等問題[3]，因此，行波法并不適用于直流牽引供電系統的故障點測距。

目前，地鐵主要采用DC 1 500 V或DC 750 V電壓等級的直流供電方式向列車供電，直流電壓、直流電流相比于交流有效信息較少，只有幅值或變化量等有效信息。在穩態的條件下，為便于簡化分析，電容、電感等參數可不納入計算，為故障點分析法提供了便利。

根據測算時所使用的故障量的不同，故障點分析法又能劃分為單端法和雙端法兩類。單端法是利用牽引變電所饋線一側的電壓、電流量及必要的線路參數來計算故障點的位置的測距方法。單端法的設備簡單且容易實現，但由于只使用一個檢測端檢測到的電氣數據進行故障點定位，因此過渡電阻對單端法的定位精度有一定的影響；且由于無法獲取對端的電氣量等信息，一旦對端系統的運行方式發生改變，單端法將無法準確定位故障點位置。因此從原理上分析可認為，采用單端法不大可能得到較為精確的結果。雙端法是根據短路線路兩端的電氣量計算故障點位置，從原理上消除了過渡電阻和對側系統的影響。而且，隨著國內電力系統自動化和電力監控技術水平的日益發展，電氣量采集與電力調度中心數據交換的速度和準確度都有所提高，這也為雙端法提供了技術條件。

2 雙端故障點測距原理

2.1 直流牽引供電系統結構

圖1為直流牽引供電系統雙邊供電方式示意圖，在一個供電區間內由兩個牽引變電所從m、n兩端為接觸網供電。牽引變電所將外部電源引入的35 kV交流電轉換為750 V / 1 500 V直流電，通過高速直流開關給接觸網供電，經走行軌、回流電纜返回至變電所負極[1]。

注:表示電動隔離開關圖1 直流牽引供電系統雙邊供電方式示意圖Fig.1 Schematic diagram of bilateral power supply mode of DC traction power supply system

2.2 故障定位原理

圖2為直流牽引供電系統接觸網的短路故障模型。

注：L——牽引變電所m、n之間的線路長度；Lm——故障點A到牽引變電所m之間的距離；Ln——故障點A到牽引變電所n之間的距離；Um、Im——分別為m端直流饋線保護動作時的電壓、電流；Un、In——分別為n端直流饋線保護同時刻的電壓、電流；Rm,e——m端電源等效內阻；Rm,j——m端接觸網短路電阻；Rm,g——m端走行軌短路電阻；Rn,e——n端電源等效內阻；Rn,j——n端接觸網短路電阻；Rn,g——n端走行軌短路電阻；Rj——復線對側接觸網電阻；Rd——短路過渡電阻。圖2 直流牽引供電系統接觸網的短路故障模型Fig.2 Short-circuit fault model of DC traction power supply system catenary

圖2中，直流牽引供電系統采用雙邊聯跳保護，若m端直流饋線保護先動作，將發出聯跳信號，啟動n端保護,反之亦然。可認為輸電線電阻與長度成正比，即：

(1)

(2)

式中：

Rg——走行軌電阻參數。

為便于分析計算，對圖2中的直流牽引供電系統接觸網的故障模型進行電阻的Δ-Y等效變換，可以得到如圖3所示的等效電路。

注：Rm、Rn、Rc為等效電阻；A為故障點。圖3 直流牽引供電系統接觸網短路故障模型等效電路Fig.3 Equivalent circuit of catenary short-circuit fault model in DC traction power supply system

由圖3可得到計算式如下：

(3)

(4)

(5)

根據基爾霍夫電壓和電流定律，可對圖3中電路列如下方程：

(6)

求解式(6)可得：

(7)

進而有：

(8)

由式(3)—(4)可知：

(9)

一般情況下Rm,e?Rj,Rn,e?Rj，故Rm,e、Rn,e可忽略。從而有：

(10)

所以可以得到故障點位置的計算公式為：

(11)

(12)

采用式(11)—(12)計算故障點距m、n兩端的距離，即可確定故障點的位置。

3 雙端故障點測距的實現方案

直流牽引供電系統雙端故障點測距方案如圖4所示。雙端故障點測距需要保證線路兩端電壓電流數據的同步獲取，因此需要引入時鐘同步單元，以確保兩端采集到的數據在時間上保持同步。時鐘同步單元可采用無線形式的時鐘同步方案(如 GPS(全球定位系統))或有線形式的時鐘同步方案。

圖4 直流牽引供電系統雙端故障點測距方案Fig.4 Dual-terminal fault location scheme of DC traction power supply system

通常情況下，對兩側變電所饋線直流保護裝置實時監測安裝處的母線電壓和饋線電流，當直流牽引供電系統線路發生故障時，根據所提出的故障點測距方案，保護裝置將自行進行故障錄波，并將錄波數據中最大電流存儲發送到通信管理單元；兩個變電所直流饋線保護裝置通過通信管理單元實現聯跳，并利用聯跳通道實現數據的相互傳送；每側的數據處理單元根據實際測距原理，利用雙端采樣的電流和電壓數據進行故障點測距，計算出故障點的位置。

為測試所提出的雙端故障點測距方法在現場的實際運行效果，將直流饋線保護裝置安裝于某地鐵直流牽引網進行短路試驗。試驗區段選取相距2.6 km的兩座牽引變電所m、n之間的供電區間。短路故障試驗的測距結果如表1所示。從表1中的故障點測距結果可看出，本文所提出的方法具有較高的測量精度。

表1 兩端故障點測距試驗結果Tab.1 Dual-terminal fault location test results

4 結語

在直流牽引供電系統中，供電線路故障后迅速且精確地測算故障點的位置，對及時進行線路修復和保證安全可靠供電至關重要。本文提出了一種雙端故障點測距方法，根據故障發生時故障點兩端的兩個牽引變電所直流饋線保護裝置采集的電氣量，利用經過推算得到的故障點測距公式計算出故障點的位置。所提出的雙端故障點測距方法消除了過渡電阻和對側系統對計算結果的影響，可實現故障點的精確定位，為地鐵直流牽引供電系統提供了一種行之有效的故障點測距方法。