铁路贯通自闭线路行波故障测距技术

　2012年4月

内蒙古科技与经济

A pril 2012

　第7期总第257期

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铁路贯通/自闭线路行波故障测距技术

姚建国

(呼和浩特铁路局呼和浩特供电段,内蒙古呼和浩特　010000)

摘　要:介绍了铁路自闭/贯通线路的结构特点、故障特征、传统的故障检测方法及基于行波理论的测距方法。分析了电力线路故障行波的产生和传输特征,针对自闭/贯通线路结构的特殊性,提出了应用行波测距的基本模式。

关键词:故障测距;贯通/自闭线路;铁路电力系统

中图分类号:U 223.83 文献标识码:A 文章编号:1007—6921(2012)07—0085—03 铁路电力系统工作于电网末端,属于供配电环节,但由于涉及到行车安全等因素,对供电可靠性要求极高。同时,其线路结构、运行方式与地方电网相比有较大差别。因此,在包括故障测距在内的铁路电力系统自动化过程中除了要借鉴地方电网已有的成熟经验外,还需要探索一些专用方法。

1　自闭/贯通线路故障特征及传统测距方法1.1　自闭/贯通线路结构特点

铁路电力系统(自闭/贯通线路)是地方电力系统的延伸,具有电力系统的一般特点,但又有其特殊性。主要包括自闭和贯通两种线路。自闭/贯通线路长度一般条件下为40km ～60km ,特殊情况下可达上百公里。自闭线专为铁路沿线信号设备提供电源,当其发生故障时由贯通线备投。贯通线还兼为沿线小型车站的工作和生活供电。自闭线和贯通线自身又均为双端电源,正常工作时为单电源供电,当线路

失压时由对端电源备投。

图1　铁路自闭/贯通线路结构示意图

由于信号设备负荷较小,自闭/贯通线路对地分布电容电流所占比重较大,尤其是在电缆较长的情况下甚至超过负荷电流。

1.2　自闭/贯通线路故障特征

自闭/贯通线路发生短路或小电流接地故障时,产生的工频故障电压电流特征与地方配电网基本相同。

1.2.1　短路故障。两相或三相短路故障时,短路相电压显著降低,同时产生较大的短路电流。由于调压变压器的隔离作用,同等条件下短路电流将比地方电网的要小。且短路点到配(变)电所的距离越长,短路电流越小。主供侧近端短路电流约在300A 左右,而线路末端短路电流约在50A 左右甚至更低。

由于故障电流较大,需要及时切除故障线路以免损坏其他电力设备。

1.2.2　小电流接地故障特征。铁路自闭/贯通线路作为中性点不接地系统,发生单相接地(金属性)故障时,故障相电压降为零,非故障相电压升高倍,同时电压的相位也发生变化,线电压仍然保持不变。同时,系统出现零序电压,零序电压等于故障相故障前电压的反相电压。

而对于高阻接地,故障相电压不再为零,其幅值随过渡电阻增加而增加。非故障相电压的变化量以及系统零序电压、零序电流则随之减小。但三相线路之间电压关系、零序电压与零序电流间的关系仍保持不变。

1.3　传统故障测距及定位方法

对于自闭/贯通线路故障定位或测距问题,曾有专家尝试过阻抗原理测距技术,近年随着线路自动化的推广出现了利用F T U 进行故障定位的方法。1.3.1　阻抗测距法。对于单端电源供电的线路来说,当线路发生短路故障时,由母线测量的电压、电流计算得到的等效阻抗或等效电阻与故障点至母线的距离成正比关系。根据这一正比关系即可得到故障距离。

阻抗测距原理简单,具有投资少的优点。但铁路自闭/贯通线路多为混合线路,负载数量多,空载率高。受其过渡电阻、分布电容、线路负荷以及互感器测量精度的影响较大,测距误差大、适应能力差。特别对于接地故障,由于故障电流微弱,测距精度无法保证。

1.3.2　基于F T U 的故障分段定位法。线路自动化中,自闭/贯通线路沿线装设有F T U 监视线路的工作状况。故障时,F T U 将检测到的故障信息送至主

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　总第257期 内蒙古科技与经济

站系统,主站根据相应的算法就可以实现故障的分

段定位。

当发生短路故障时,故障点上游的FT U可检测

到过流故障信息,而故障点下游的FT U检测不到过

流信息,从而将故障定位在故障点两侧的F T U之

间。

而发生小电流接地故障时,靠近故障点的FT U

检测到的零序电流幅值大于离故障点较远的其他

FT U。同时故障点上游的F T U与下游的F T U检测

到的零序功率相反。根据这些特征均可确定故障位

置。

利用FT U实现故障定位的方法在现场已有相

当多的应用,对于短路故障其检测可靠性非常理想。

但对于接地故障其检测效果不够理想。同时,该方法

只能给出故障区段,而不能给出准确的故障距离。

2　现代行波测距原理

2.1　行波的基本概念

根据叠加原理,在线路发生故障的瞬间,相当于

在故障点突然施加一个与故障前电压大小相等、方

向相反的虚电源,会产生向线路两端运动的电压、电

流行波。

当分析线路上的行波现象时,一般规定行波传

播的正方向与线路电流的正方向相同。因此,来自其

他线路的行波(通过母线向本线路折射)以及本线路

行波在母线的反射波是正向行波,来自正方向的行

波(如故障点反射波)为反向行波。

2.2　行波故障测距原理

2.2.1　单端法行波故障测距原理。当线路发生故障

时,在测量端检测到的第1个和第2个两个相邻同向

行波浪涌之间的时延即行波在故障点和测量端传播

一个来回所用的时间( t)。根据该时间值及波速度

(v),即可计算得出故障距离(D=1

2

v t)。

2.2.2　双端法行波故障测距原理。当线路发生故障

时,故障点产生的行波浪涌向故障点两侧同速传播,

根据初始行波浪涌到达两端测量点的绝对时间之差

( t)、波速度(v)及线路总长度(L),即可计算得出

故障点至两端测量点的距离(D=1

2

[v t+L])。

2.2.3　两种行波测距方法的比较。从现阶段来看,单端法测距具有很高准确性,但需要人工介入分析,可靠性较难保证,而双端法测距能够独立使用,自动生成测距结果,但准确性稍差于单端法。因此,在实际应用中宜采用双端测距并辅以单端法对结果进行验证和校正。

3　自闭/贯通线路行波信号的选取

3.1　线路末端电压电流行波特征

自闭/贯通线路正常工作时由单侧电源供电,末端(备供侧)为开路状态。

当线路末端为开路状态时,电流行波和电压行波表现为不同的特征。

电流行波的入射波与反射波极性相反幅值相同,完全抵消,因此无法检测到电流行波信号;电压行波的入射波与反射波极性相同幅值相同,互相叠加,易于检测。3.2　母线电压电流行波特征

由于铁路自闭/贯通母线有调压器与主母线隔离,调压器对于高频行波信号可等效为开路状态。

对于母线仅有一路自闭/贯通出线的情况,其电流电压行波特征与线路末端相同(电压行波叠加电流行波抵消)。

对于母线有多路出线的情况,其电压电流行波特征均表现为零反射,极性和幅值无变化。可以检测到电压行波信号。

综上所述,在自闭/贯通线路末端(备供)和首端(主供)均应选用电压行波信号。

4　关键技术问题及解决

4.1　超高速数据采集

行波信号是一种暂态信号,持续时间短,频率范围宽,传统的采样方法很难保证对行波信号的连续无死区记录。因此必须研制一种超高速数据采集电路(采样频率不低于500K)用于记录行波信号。

4.2　时间同步及故障行波脉冲到达时间检测

双端测距的原理表明,线路两端的行波采集记录装置必须具备精准的实时钟,对于500m的测距精度来说,两端装置时钟同步精度至少要保证3 s。随着全球卫星定位系统(GPS)开放商业化应用,能够实现两端测距装置1 s精确同步。

4.3　通信问题的解决

双端测距法需要知道线路对端装置记录的初始故障电压行波到达的准确时间,因此,需要解决数据通信远传问题。

由于不象保护装置那样需要在故障后立即动作,因此,不要求为测距装置之间设置常备通信通道。而随着这几年铁路电力远动系统的建设,配电所之间的通信信道已有多种可供选择的方案,最为简易可行的就是利用既有的远动通道实现双端数据的共享。

5　现场试验结果

为了验证行波故障测距技术在自闭/贯通线路上应用的可行性及实用效果,在呼西(HX)配电室和陶不齐(T BQ)配电室分别安装了行波测距设备,对其区间的自闭/贯通线进行故障监测。并先后进行了多次人工接地及短路试验。以下介绍试验的基本情况。

5.1　试验线路

人工试验线路为H X配电室到T BQ配电室之间的贯通线路。试验线路总长47.2km,其中包括25段共约2km长的电缆,其余为架空线路。故障点距T BQ配电室13.0km,距HX配电室34.2km。其结构示意图如图2

所示。

图2　试验线路结构示意图

5.2　人工试验及结果

于2008年12月28日、2009年1月10日、2009

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