基于行波原理的直供方式牵引网故障测距技术

摘要
牵引供电系统是电力系统的一个独立的、特殊的分支，电力机车通过受电弓和牵引供电系统的接触网滑动取流。

由于牵引网沿线环境恶劣、牵引负荷特殊，且一直采用的阻抗法故障测距技术难以克服过渡电阻的影响，因此牵引网一旦发生故障，很难有效及时地查找出故障位置。

现场迫切需要有效、实用的故障定位或测距技术。

鉴于行波测距技术已成功运用于输电线路上，本文研究的目的是将行波故障测距技术应用到普遍使用的直供方式牵引供电系统中，解决应用中面临的关键技术问题，使其满足实用化要求。

文章中首先从行波测距技术的需求分析了牵引网的线路结构，包括锚段、分支线、车站分段线等特殊线路，在此基础上建立了牵引供电线路适用于行波法故障测距的典型模型；分析了带回流线的直供方式下接触网发生接地故障、接触网对回流线故障以及断线故障时产生的初始电压和电流行波特征；给出了单线以及复线牵引网（末端并联和末端解裂）下电压和电流行波在母线处和线路末端的传播特征；分析了电压和电流行波在特殊线路结构的传播特点以及对行波测距的影响；结合行波信号的利用方式，给出了适用于直供方式牵引网线路的实用化行波故障测距模式；提出了电压和电流行波信号的获取方法；分析了机车扰动、故障初相角、故障点过渡电阻等因素对行波测距可靠性影响；利用ATP对故障行波的产生及传播特性进行仿真验证；介绍了试验装置、现场试验系统、试运行过程和试运行结果。

理论分析可以得出：利用故障产生的暂态行波，可以有效、准确地测量接触网分别对地、对回流线短路以及断线等各种类型故障距离；测距模式应采用双端测距原理；单出线的母线、开路状态的线路末端须采用电压行波信号，两出线母线、并联状态的线路末端采用电压或电流行波信号均可；利用变电所、分区亭标准配置的电压互感器（TV）和电流互感器（TA）可获取所需的电压和电流行波信号；在线路没有互感器的情况下，也可利用所内自用变压器来获取线路电压行波；地线带回流线、锚段、车站分段线以及不等长回流线等特殊线路结构不对行波测距技术产生本质影响。

仿真和现场试运行验证了理论分析的正确性和技术的可行性、实用性。

本文提出的直供方式牵引网行波故障测距技术，充分利用了线路已有信号互感器，不需要额外增加一次设备，不受特殊线路结构影响，测距精度与可靠性高，易于实现、适用性广，具有推广应用前景。

关键词：牵引供电系统；接触网；直供方式；行波；故障测距
ABSTRACT
The railway power supply system is an independent and particular branch of the power system; electric locomotive gets current through sliding between the pantograph and the catenaries of power supply system. The traction condition is poor and the traction loads are special, thus the impedance method used in fault location techniques is difficult to overcome the impact of transition resistance, so that once there is a fault in traction lines, it is hard to find out the fault location effectively and timely. The field needs effective and practical fault location or distance measurement technology urgently.
In the light of the fault location adopting the method of traveling wave applied successfully in the transmission lines, the paper applies the traveling wave location principle into the fault location of the common use direct feeding traction power supply system and resolve the critical technology in application, so that to meet the practical requirements.
The article analyzes structure of the traction line firstly from the view of traveling wave based fault location, including anchor section, branch line and the way station cut-off lines. On base of those, a classic traction line model suitable to the traveling wave fault location is established. The paper analyses the characteristics of the transient voltage and current traveling waves generated form the catenaries earth-fault, the faults between the catenaries and the return line and the break line fault in the direct feed with return lines. In view of the different structure (Terminal in parallel and in open-circuit) in the double traction line, the paper describes propagation characteristic of the voltage and current traveling waves in the bus and terminal ends. The propagation characteristics of the traveling waves in the special structure and the effects to the traveling wave fault location are analyzed; combining with the utilization ways of traveling waves, the construction and service mode of fault location setting based on traveling waves in traction lines is introduced; the acquirement of travelling wave signals is discussed; the effect of electric locomotive , the initial phase angle of fault, transition resistance, fault position on the location reliability of traveling waves is analyzed; the generation and propagation characteristics of fault traveling waves is simulated with ATP, and this technique has passed the examination of manual test and running-in test.
From the theory analysis, the following can be gotten: with the transient traveling waves generated by the fault, the fault distance can be measured effectively and accurately, two terminals theory of fault location should be used in traction lines; the required signal must be voltage traveling waves at the Single outlet bus or terminal in open-circuit, and the voltage traveling waves or current traveling waves can both be selected at the Two outlet
bus or terminal in parallel. the acquirement of signal with the existing TV and TA is discussed; for lines without TV, the traveling waves acquirement can be achieved by the using self-consumption transformer in substation.The result of simulation and operation has proved its feasibility and practicability.
The fault location methods of traveling waves which used in direct feeding traction lines and proposed in this article make the most of existing measuring transformer and need no additional primary settings. The method has the advantage of high precision, simple theory, easy realization and wide application, which has a bright foreground.
Key Words: traction power supply system, overhead catenary, direct feeding, travelling wave, fault location
目录
中文摘要 (I)
英文摘要 (II)
目录 ............................................................................................................................... I V 第一章绪论 .. (1)
1.1 课题的背景及意义 (1)
1.2 国内外研究现状 (2)
1.2.1阻抗法 (2)
1.2.2 故障分析法 (2)
1.2.3 AT中性点吸上电流比法 (3)
1.2.4 行波法在牵引网故障定位中的应用 (3)
1.3 本文的主要工作 (4)
第二章牵引网故障行波特征分析 (6)
2.1 牵引网的结构及供电方式 (6)
2.2 牵引网的特殊结构 (8)
2.2.1锚段 (8)
2.2.2分支线 (9)
2.2.3小型车站分段线 (9)
2.2.4不等长回流线 (10)
2.3典型模型 (10)
2.4牵引网线路故障产生的行波分析 (11)
2.4.1 行波的概念 (11)
2.4.2 接触网对钢轨故障时行波的产生及幅值特征分析 (12)
2.4.3 接触网对回流线故障时行波的产生及幅值特征分析 (14)
2.4.4 接触网断线故障时行波的产生及幅值特征分析 (15)
2.5直供方式下牵引网行波的传播特征 (17)
2.5.1.单线牵引网下行波的传播特征 (17)
2.5.2复线牵引网下行波的传播特征 (18)
2.5.3 行波在牵引网特殊结构上的传播特征 (21)
2.6小结 (26)
第三章牵引网线路行波故障测距模式的确定及关键技术问题 (27)
3.1 行波故障测距的基本模式 (27)
3.3.1单端法行波故障测距原理 (27)
3.3.2 双端法行波故障测距原理 (28)
3.2 测距方法的选定 (29)
3.3 行波信号的选定 (29)
3.4 行波信号获取方式 (31)
3.5机车行驶对行波测距的影响分析 (34)
3.6 其他影响测距结果的因素 (35)
3.7 小结 (37)
第四章仿真验证 (38)
4.1仿真模型及参数 (38)
4.2故障行波产生特征验证 (39)
4.3 特殊线路上故障行波传播特征验证 (42)
4.4测距效果验证 (45)
4.5小结 (46)
第五章现场试验及试运行结果 (47)
5.1行波故障测距试验装置及系统 (47)
5.2 试运行系统简介 (49)
5.3 试运行结果 (52)
5.4小结 (54)
第六章结论及展望 (55)
6.1主要结论 (55)
6.2 研究展望 (56)
致谢 (57)
参考文献 (58)
攻读硕士期间参加课题和发表论文 (61)
附录现场装置图片 (62)
第一章绪论
1.1 课题的背景及意义
电气化铁路运营在铁路运输中的比重伴随着国民经济的高速增长在逐渐扩大。

牵引网供电线路日益增多，其安全运行对铁路运营的稳定具有举足轻重的作用。

因此牵引网线路一旦发生故障，需要快速准确找到故障点位置并及时有效地排除故障，恢复铁路正常供电。

电气化铁道牵引供电系统是电力系统中的一个特殊的不对称的分支，采用工频单相27.5KV交流制式[1-3]。

电力系统双回220/110KV高压输电线向分布在铁路沿线的牵引变电所及沿线架设的牵引网供电[4]。

电力机车是通过受电弓和牵引网的接触网滑动接触取流，因此必须确保电气化铁路牵引网在任何条件下都能够可靠不间断地向电力机车供电。

但是由于电气化铁路牵引网往往暴露于不同的环境，分布在我国广大的地理区域上，其穿越地区地形地貌比较复杂特殊，环境气候较为恶劣，同时由于牵引网没有相应的备用回路，我国的电气化铁路运行方式比较灵活，牵引负荷具有一定的特殊性，有时会不可避免地发生跳闸事故，除较大的一部分瞬时故障通过自动重合闸恢复正常供电，还有一部分永久性的故障，致使重合闸失败，造成相对应的馈线(牵引网)失电，电力机车无法正常运行，给铁路安全运营带来了较大的隐患，并且浪费了大量的人力和物力。

因此在牵引网发生故障后，快速准确地查找出故障位置，将可以大量地节省寻找故障的人力物力，减轻铁路供电维护部门工人的劳动强度；可以有效地发现故障造成的安全隐患，及时采取相应的防范措施，提高交通运输的可靠性；可以尽早地排除故障，恢复供电，减少由于停电造成的综合损失。

电气化铁路牵引网的准确故障定位不仅有利于及时修复故障馈线，保证牵引网处于良好的运行工况下，而且对于铁路系统的安全、可靠、稳定和经济运行都是十分重要的。

电气化牵引网的准确故障测距是从技术上保证铁路安全、稳定和经济运行的重要措施之一，具有巨大的社会和经济综合效益。

我国已有牵引线路以直供方式为主，传统上主要采用阻抗测距方法。

由于受到故障点过渡电阻、PT和CT测量误差、线路结构等影响，测距精度无法进一步提高。

现场迫切需要研究精度更高、适应性更广的测距原理和方法。

1.2 国内外研究现状
1.2.1阻抗法[5-9]
阻抗法的基本原理与阻抗继电器相同，是一种单端故障测距方法。

在系统运行方式确定以及线路参数已知的前提下，根据系统发生故障时测距装置安装处测量到的电压和电流量来计算出故障回路的阻抗，然后根据线路长度与阻抗成正比的原理，可以求出装置安装处到故障点的距离，即为阻抗法，常用的数学模型如图1-1所示。

D 图1-1 阻抗法测距原理模型图
基本算法公式为： Z ZD R I I ZD I U Z f m f m m
m D +=+==.... （1-1）
式中：Z 为牵引网线路单位长度的阻抗；D 为m 端到故障点原距离；m U 、m I 为测量端电压电流；f R 为故障点的过渡电阻；Z D 为测量误差；f I 为故障点的短路电流。

由公式可见，阻抗法测距结果受过渡电阻的影响较大。

为了减少乃至消除过渡电阻对测距结果的影响，专家学者进行了大量的针对性研究[10-15]，并提出了一些改进方法，例如电抗法，过零测量法等。

目前在我国电气化铁道牵引网故障测距多是基于阻抗测距原理的，牵引网一般处于单电源供电状态，故测距装置只能安装在牵引变电所一侧，采用单端电气量法测距。

阻抗的应用仍然存在一些困难，主要有：（1）基于傅里叶算法所获取的工频电压、电流量，难以完全滤去电力机车产生的丰富谐波（主要是非整次谐波）和大量的非周期分量成分；（2）经过机车的过渡阻抗难以用一般的方法加以滤除；（3）牵引网的不断磨损及经常检修、局部区段换线、增加加强线等造成牵引网结构及参数的变化等。

1.2.2 故障分析法[16]
故障分析法的原理是直接以待测故障距离为未知量，利用线路故障时在线路一端
或两端测量到的电压和电流所满足的线路方程式或方程组构造各种测距算法，并直接计算故障距离。

单端故障分析法利用测量端的电流故障分量分布系数（为复数）来削弱过渡电阻的影响，其影响因素与阻抗法的影响因素是相同的。

双端故障分析法在原理上能够消除过渡电阻的影响，而且不需要线路两端的系统参数。

除此之外，双端故障分析法的影响因素与阻抗法的影响因素相同。

然而这一方法应用于电气化铁道牵引网故障测距中仍存在以下几个方面的问题：
（1）互感器本身误差不可能克服；（2）牵引网结构、参数及相邻线路负荷等都存在不稳定因素。

1.2.3 AT 中性点吸上电流比法[17]
AT 中性点吸上电流比法是针对牵引网AT 供电系统（如图1-2所示）所使的故障测距方法。

AT1AT3AT2接触网
钢轨
正馈线
牵引变电所
图1-2 牵引网AT （Automation Transformer ） 供电系统
假设AT 为理想变压器，钢轨对地全绝缘且沿线路参数均匀分布,当故障发生在第1~+k k 个AT 间时，有
11(/())k k k k D d d I I I ++=++ （1-2）
其中k d 为第k 个AT 距离变电所的距离，1,+k k I I 分别为第k 和第1+k 个AT 中性点吸上电流，d 为第1~+k k 个AT 间距。

这种测距方面存在的缺陷有：（1）装置一次投资太高；（2）原理适用性较差；（3）装置可靠性较低。

1.2.4 行波法在牵引网故障定位中的应用
输电线路的现代行波测距及保护技术的研究于在个世纪80年代就已开始，由山
东科汇电力自动化有限公司（原淄博科汇电气有限公司）和西安交通大学、清华大学以及英国HATHAWAY仪器公司共同合作研究。

90年代中期，科汇公司与其合作伙伴共同研制出我国第一台集多种测距原理于一体的输电线路现代行波测距装置—XC-11，并且将小波变换技术首次运用到了行波故障测距中去，目前其平均绝对误差已经能够达到500m以内[18-26]，其在配电线路、铁路自闭/贯通线路等故障定位中的应用研究也已开展[27-36]。

行波法是根据行波传输理论实现对故障线路测距的方法。

当牵引供电系统发生故障时，在故障点处将产生向两端线路传输的暂态信号，当暂态信号在传输中遇到不均匀介质时将发生折射和反射，行波法就是利用波头之间的时间差来完成故障定位。

行波法故障测距有较好的精度和稳定性。

行波故障测距技术在输电线路故障测距技术中已获得成功而广泛的应用，它具有精度高、易于实现等特点，将其应用到牵引网线路中是近年来的研究热点，也是现代高速化铁路安全运营的需要。

文[37-41]中分析了行波法运用在牵引网中的原理及技术的可行性，肯定了双端法测距应用于牵引网故障定位中的优势，但仅通过理论分析仿真验证，没有实际应用结果，且对应用中面临的诸多难点及关键技术并未涉及，所提方法的实用性尚不能确定。

1.3 本文的主要工作
本文的研究目标是牵引网行波故障测距技术。

通过检索、查阅国内外的相关文献，对目前应用于牵引供电系统的故障测距方法及其优缺点进行了详细研究，进而分析了行波法运用在牵引供电系统中的优越性。

针对牵引网的线路结构特点，分析了行波在接触网上的产生、传变特性，确定测距模式、给出了关键技术问题解决方法，结合现场试运行结果得出了行波法更适合于复杂多变的牵引供电系统故障定位的结论。

本课题的主要研究内容如下：
1. 适用于行波故障测距的牵引网线路结构特征分析
分析了牵引供电系统作为电力系统的一个特殊独立分支的独有结构特点，详细分析了锚段、分支线以及不等长回流线等特殊线路结构的特点及其数学模型，为进一步分析行波在接触网中的传变特性做好铺垫。

2. 牵引网线路故障行波的产生及传变特征分析
分析了接触网对大地（钢轨）、接触网对回流线以及接触网断相故障时，暂态电压和电流行波的产生，分析了行波在牵引网直供+回流线方式下的传播特征，给出了单线以及复线牵引网中行波传变路线图；运用彼得逊法则分析了行波在母线、线路末端以及特殊线路结构（锚段、车站分段线等）传变特性，并分析了这些线路结构对于行波测距的影响。

3. 行波故障测距模式的确定及关键技术分析
鉴于牵引网的复杂性，确定了双端法行波测距更能适应电气化铁道牵引网精确故障定位的需要；根据故障行波的特征以及牵引网不同的线路结构，分析了针对单线牵引网以及复线牵引网可采用的测距行波类型。

解决了系统中行波信号的获取方式问题，对于分区亭内没有合适电压互感器的情况，提出使用所用变获取电压行波信号的方法；分析了机车扰动、故障点过渡电阻以及故障位置对于测距可靠性的影响。

4. 仿真验证
利用ATP仿真软件对不同类型、不同条件下的接触网对地故障、接触网对回流线故障以及接触网断线故障时暂态行波的产生及传播特征进行全面验证，并对行波在牵引网特殊线路结构上的传播特征及测距效果进行验证。

5. 现场试运行及运行结果分析
介绍了试运行的现场接线方案以及试运行情况，针对几次典型的双端测距结果进行了具体分析，进一步验证在牵引供电系统中运用双端法进行故障定位的优越性及准确性。

第二章牵引网故障行波特征分析
本章介绍了牵引网的线路结构特点，着重介绍了牵引网的特殊线路结构，包括小型锚段，分支线、车站分段线等，进一步建立了适用于行波故障测距技术要求的数学模型；重点研究分析了牵引网线路中发生接触网对钢轨（地）故障、对回流线故障及断线故障时初始行波的产生及传变特征。

2.1 牵引网的结构及供电方式[1-4][38-41]
作为电力系统特殊的一部分，牵引供电系统（图2-1所示）有其独特的结构特点。

牵引变电所：电力系统供应的电能变换成适合电力机车牵引要求的电能；
分区亭：主要作用是操作设置在两个牵引变电所之间连接两供电分区的开关设备，实现灵活供电，提高运行的可靠性；
开闭所：实质上是个不进行变压的配电所，主要是将从牵引变电所牵引母线上引出的一路馈线电线按需要向分组接触网供电；
馈电线：将牵引变电所变换后的电能送到接触网；
接触网：悬挂在轨道上方，沿轨道铺设，并和铁路钢轨保持一定高度，牵引电能就由接触网进入电动车组，从而驱动牵引电动机使列车运行；
钢轨和吸上线：在电气化铁路上，轨道除具有导轨功能外，还需要完成导通回流的任务。

轨道与大地之间是不绝缘的，牵引电流的一部分要流经大地，从埋设在牵引变电所下面的接地网回到变压器；同时其余大部分牵引电流经过与钢轨相连的吸上线（绝缘电缆）直接回到变电所，钢轨和吸上线不直接相连，而是在轨道电路绝缘节处增设扼流变压器，二者分别与变压器的接线柱和中性点牢固连接，从而使牵引电流回路和轨道信号回路各自形成导通回路，互不干扰。

回流线：回流线是轨道回路与牵引变电所之间的连接线，它是将流经吸上线的牵引电流直接回送变电所内的牵引变压器，通常回流线与接触网线路同杆架设，每隔一定的区段通过吸上线与钢轨相连，如图2-2所示。

图2-1牵引供电系统示意图
T
N
R
T
I
图2-2 带回流线的直接供电方式示意图
T-接触网；N-回流线；R-钢轨
现有的牵引网供电方式可分为：直接供电(Direct Feeding)、BT供电(Booster Transformer)和AT供电(Auto-Transformer)。

(1) 直接供电方式下牵引电流经由接触网供给电力机车，然后沿轨道和大地流回牵引变电所（如图2-3（a）），此种供电方式简单、投资小、易于实现。

为了保留直供方式的优点并克服其不足，在原有的直供结构上增设了与轨道并联的架空回流线，就成为带回流线的直接供电方式。

这种改进的供电方式使得原来流经轨道、大地的回流约有80%改由架空回流线流回牵引变电所，其方向与接触网中馈电电流方向相反，架空回流线与接触网距离较近，因此，相当于对邻近通信线路增加了屏蔽效果。

本文所作的工作主要是针对直供+回流线的供电方式进行的分析和研究。

(2) BT供电方式在牵引网中设吸流变压器—回流线，可使牵引电流沿回流线流回牵引变电所而不经过由轨道和大地（如图2-3（b））。

(3) AT供电方式即自耦变压器供电方式，在结构上用自耦变压器代替了吸流变压器，正馈线代替了回流线（如图2-3（c））。

（a ）直接供电方式（b ）BT 供电方式（c ）AT 供电方式
图2-3牵引网供电方式示意图
2.2 牵引网的特殊结构
2.2.1 锚段
在区间或站场根据供电和机械方面的要求，将接触网每隔1.5km 分成若干个相互独立的有一定长度分段，每一个独立的分段称为锚段，如图2-4所示。

锚段的作用：
（1）限制事故的范围(断线与支柱折断)；（2） 便于架设张力补偿器，提高悬挂的稳定性，减小线索的弛度，有利于受流；（3）缩小因检修而停电的范围；（4）便于实现电分段和机械分段。

对于锚段的长度，一般来说，客线区间正线双边补偿时的最大锚段长度不宜大于m 7002×，困难时不应大于m 7502×；货线区间正线双边补偿时的最大锚段长度不宜大于m 8002×，困难时不应大于m 900
2×；单边补偿的锚段长度，应为上述值的50%；站场站线最大锚段长度可适当加长；附加导线的锚段长度一般不大于2000m 。

两锚段间电的联系通过电联结导线完成，电联结一般由TJ-85或TJ-120等线绕3~5圈制成[39]。

图2-4中所示的接触网锚段结构图可等效为图2-5所示的数学模型， 其中O 为电联结点。

图2-4 接触网锚段及电联结 锚段锚段
o
图2-5 接触网锚段的等效模型图
2.2.2分支线
牵引网线路沿线带有多个近似均匀分布的小型配电变压器，可能会存在线路分支，分支线的长度一般在数百米以内。

忽略配电变压器线圈对高频行波的影响，则分支线末端相当于开路状态。

其等效模型图如图2-6所示，O 为分支点。

图2-6 分支线等效示意图
2.2.3小型车站分段线 为保证牵引网供电的灵活性，变电所之间会设置几处小型车站用于客运或货运，如图2-7所示。

每个小型客站都可能包含2条以上电气化股道，例如京沪线张夏牵引变与界首分区所线路中间设有三个车站：张夏站、青阳站、万德站。

张夏站与青杨站为5股电化股道，万德站为4股电化股道。

将图2-7中的小型车站分段线结构图等效成图2-8所示的模型，其中AB 为n 条股道区间。

变电所1变电所2
客站编组站……}
多条股道接触网
图2-7 小型车站分段线示意图
图2-8 小型车站线路模型图
2.2.4不等长回流线
在牵引供电系统中，回流线通过吸上线与钢轨连接，将钢轨中的回流“吸上”去，从而把轨道中的回路电流导入牵引变电所的主变压器。

在铁路实际运行中，轨道不可能是一条直线，多数情况下存在着弯道，而接触线与轨道是平行的，但回流线在弯道处与接触网不再平行，这就出现回流线与接触网不等长的情况。

如图2-9所示（以直供方式为例）。

钢轨
图2-9 不等长回流线示意图 根据电务安装的轭流变压器设置的位置不同，回流线吸上线距离也有所不同。

一般情况下，吸上线之间距离为2-2.5km。

不等长回流线的等效模型图如图2-10所示。

变电所图2-10 不等长回流线等效模型图
2.3 典型模型
综合以上分析，将牵引网特殊线路结构模型汇总，可得到图2-11所示的综合典型模型。

其中包括了小型车站分段线、锚段、分支线以及不等长回流线。

当牵引网发生故障时，行波在这些特殊线路结构上的传播特点将在下面的章节中作具体介绍。