牵引网故障测距

牵引网故障测距曾振华（华东交通大学，电气与电子工程学院，江西南昌330013）摘要：我国电气化铁道采用工频单相交流牵引制式，根据牵引网不同供电方式的要求及牵引变电所为抑制单相牵引负荷造成电力系统的不对称影响，常采用不同接线方式与结构的主变压器，在高压输电线中利用故障电流分量消除过渡电阻影响的阻抗测距原理及将其用于牵引网馈线故障测距的计算，采用该方法可以极大提高牵引网故障测距的测量精度。

最后，提出根据AT变压器投入情况进行整定值切换的方法，以保证距离保护的可靠性。

关键字：牵引网；故障测距；阻抗法；故障分量法；AT供电系统；馈线保护策略中图分类号：U223.8 文献标识码：A目前，电气化铁道存在多种供电方式，主要有直接供电方式、带回流线的直接供电方式、BT供电方式、AT供电方式等，应用于电气化铁道的故障测距装置大多数是基于阻抗测距原理的单端测距装置。

在双边供电方式下这种测距方法在原理上受过渡电阻的影响较大，因此要保证良好而稳定的测距精度将是十分困难的。

上述不同的牵引变电所形式、不同的牵引网供电方式及针对单复线电气化区段，对故障测距均有不同的要求。

因此，有必要研究针对不同类型牵引网的故障测距算法。

电力牵引负荷的特点：从故障测距涉及的因素来考查电力牵引负荷的特点，会发现它有以下一些特点值得关注。

（1）一段牵引网一般只由1台变压器从单端供电，形成明显的线路首端和末端，并且没有分支；在线路的首端，可将变压器看成它的电源；（2）单台机车功率相对于变电所容量较大，因此，机车的各种工况导致的负荷电流波动较大；电流的变化以突变（阶跃）居多；（3）负荷峰、谷值相差悬殊；（4）滑动取流的机车受电弓由于离线产生电弧及机车的频繁调级、投切（变压器空载），导致在系统中产生丰富的谐波（高次及分次）；（5）系统的回流（经回流轨、地或回流线）杂乱。

各种测距方法在牵引网中应用的比较，按照故障测距原理，输电线故障测距可分为阻抗法、故障分析法,行波法和AT距离保护法。

1 阻抗法的故障测距原理阻抗法的故障测距原理是假定输电线为均匀线，在不同故障类型条件下计算出的故障回路阻抗或电抗与测量点到故障点的距离成正比，从而通过计算故障时测量点的阻抗或电抗值除以线路的单位阻抗或电抗值得到测量点到故障点的距离。

在已有的输电线故障测距装置中，由于阻抗法测距简单可靠，虽存在测距精度问题，但可利用线路一端电流的故障分量以克服过渡电阻的影响[1][2]，所以被广泛采用。

测距的精度在牵引网故障测距中有着极其重要的意义，它直接影响到线路故障的查找和排除故障时间的长短。

测距精度高可以缩短抢修时间，快速恢复行车，减少经济损失。

目前在牵引网故障测距中普遍根据阻抗法的电抗测距原理，以消除故障时过渡电阻的影响，但是这种测距方法只在单边供电方式且无机车负荷条件下测距较准确，而在双边供电方式下将产生较大误差，为此有必要研究在双边供电方式下及有机车负荷时故障测距的方法。

1.1在测距中消除过渡电阻影响的计算在阻抗法测距中消除过渡电阻对测距影响的计算如图1所示，设M 端为测量端，则测量阻抗[1]为F M F MF M M M )(R I I l Z I U Z +⋅== （1）式中：Z 为线路单位长度的阻抗；l MF 为M 端到故障点F 的距离；MU 为M 端测量到的对地电压；İM 为M 端测量到的电流；R F 为故障点的过渡电阻；F I 为故障点的短路电流。

只有在R F ＝0时，即发生金属性短路，测量结果准确。

在R F ≠0时，即发生通过过渡电阻短路，测量结果有误差，对这种情况应加以消除，以满足测量精度的要求。

以下是两种供电方式下减小过渡电阻影响的方法。

1.2单边供电方式在单边供电方式（单端电源供电方式）下İM =İF ，因此测量阻抗为Z M =Z·l MF +R F ，（2）对式（2）取虚部有Im[Z M ]=Im[Zl MF +R F ]，于是测量电抗X M =Xl MF ,l MF =X M /X ,（4）式中：X 为线路单位长度的电抗。

从而消除了过渡电阻R F 对测距的影响。

1.3 双边供电方式由于在正常状态下不存在故障分量的电压、电流，故障分量只有在故障状态下才出现，所以可以利用故障分量电流来消除过渡电阻影响。

根据叠加原理，可将图1分解为正常状态和故障附加状态的叠加。

I Mq 、I Nq 分别为M 端和N 端的故障前（正常状态）电流。

图2 正常状态图再根据叠加原理解İMq =İM -İMf 可推得M 端电流的故障分量与故障点电流之间存在以下关系[1]İMf = İM -İMq = C M İF ， （5）式中：İMq 、İM 为M 端故障前和故障后电流；İMf 为M 端的故障分量电流；C M 为M 端的电流分布系数，İF 为故障点电流。

MNR S MF MN R M l Z Z Z l Z l Z Z C ⋅++⋅-⋅+=， （6） 电流分布系数C M 一般为复数，令M j M M γeC C = 2 全并联AT 供电方式馈线保护策略全并联AT 供电系统（如图1）发生故障时，上下行需要同时跳闸，才能切除故障，但是这样会扩大停电范围，使故障线路和非故障线路同时停电。

馈线保护策略应该尽量缩小发生故障时的停电范围，并要求故障线路及时退出运行，非故障线路快速恢复供电。

E M Z s Z MF Z FN Z R E N l MN l MF I Mq I Nq M NFTF R TF R AT 所AT 分区所1QF2QF 3QF 4QF 5QF 6QF 7QF8QFAT 2AT 3AT 4AT 5AT 6AT 1K图1 全并联AT 供电系统供电臂示意图由图1可见，由于牵引变电所主变压器采用V/X 接线，所以在出口处不需要单独设AT 变压器。

在正常运行时AT 所和分区所自耦变压器1台运行，1台备用，所有馈线断路器和隔离开关都闭合。

当发生故障时（如K 1处短路），断路器动作顺序如下：①1QF 和2QF 同时跳闸，使上下行全部停电。

②AT 所和分区所检测到线路失压，使其断路器（3QF 、4QF 、5QF 和6QF ）跳闸。

经过上面的操作，全并联AT 供电系统变成上下行相互独立的直接供电系统，同时使故障线路和非故障线路分隔开。

③馈线断路器（1QF 和2QF ）重合闸，若K 1处故障是永久性故障，则上行重合闸失败，下行重合闸成功，否则上下行重合闸都成功。

④当AT 所和分区所检测到线路有压后，相应断路器进行重合闸。

由于所有AT 变压器同时投入，会使线路产生较大的励磁涌流，为了避免较大的励磁涌流对断路器等设备产生影响和引起保护误动，AT 变压器按距离牵引变电所的近远，通过一定时限配合依次重合闸，同时系统由直接供电方式逐渐变成AT 供电方式（如3QF 和4QF 检测到线路有压后，通过一定时间延迟进行重合闸，而5QF 和6QF 重合闸的时间延迟较3QF 和4QF 长）。

通过上面的保护策略，若线路为永久性故障，可以使非故障线路快速恢复正常供电，故障线路退出运行；若为瞬时性故障，上下行可以快速恢复成全并联AT 供电方式。

3行波法的故障测距原理行波法是根据行波传输理论实现对输电线故障测距的方法。

由于行波在线路中有比较稳定的传播速度，且测量到的时间差不受线路类型、故障电阻及系统运行参数等影响，因而，行波法故障测距有较好的精度和稳定性。

早期利用行波的测距装置可分为A 、B 、C 型3种。

A 型装置利用故障点产生的行波在测量点到故障点间来回往返的时间与行波波速之积来确定故障位置；B 型装置利用故障点产生的行波到达两端的时间差与波速之积来确定故障位置；C 型装置是在故障发生时于线路的一端施加高压高频或直流脉冲信号，根据脉冲往返时间来确定故障位置。

这3种方法中，A 型、C 型为单端测距；B 型为双端测距，需要有两端通信。

A 型和B 型装置对输电线路的瞬时性和永久性故障均有较好的适应性，C 型装置则可在线路断开的条件下检测出故障，因此多用于永久性故障定位。

现代行波法中，基于全球定位系统（GlobalPosi －tioning System ，GPS ）精确对时的双端行波法的D 型装置（原理同B 型）使得行波故障测距的实现既简单又精确稳定，并且有良好的适应性。

由B 型装置的测距算法可看到，由GPS 精确获得t T 、t Q 、t C 是可能的，而行波速度ν一般是稳定的，因此由D 型装置获得的D nF 也将是精确而稳定的。

将行波法应用于电气化铁道牵引网的故障测距，行波信号可直接通过电压互感器、电流互感器获取，其测距精度和稳定性不受过渡电阻及上述牵引负荷特点（2）（3）（4）等造成的影响。

这将有可能消除牵引网测距中的多种偶然误差，真正得到牵引网故障定位稳定而精确的结论。

4 结语比较阻抗法、故障分析法及行波法在电气化铁道牵引网中故障测距的适应性，笔者发现前两种方法固然有它的优点，但随着输电线行波传输理论研究的深入及电子技术、计算机技术的发展和相关技术的引入，现代行波法将更胜一筹，其应用前景将更加广泛。

然而根据全并联AT正常供电时，分区所和AT所只有1台AT变压器投入的特点，提出的馈线保护策略能够消除线路瞬时故障，缩小停电范围，满足高速铁路的要求。

分析了上行发生永久性故障后下行恢复供电的变化过程，并且对各种变化过程的线路进行了短路阻抗仿真。

最后通过比较分析，提出根据AT变压器的投入情况切换不同的整定值，从而保障供电的可靠性。

5 参考文献[1] 贺威俊,简克良.电气化铁道供变电工程[M].北京:中国铁道出版社.[2]董新洲，葛耀中，徐丙垠，等．新型输电线路故障测距装置的研制［J］．电网技术，1998，22（1）：17－21．[3]熊列彬. 全并联AT供电方式下供电臂保护控制方案[J]. 电力系统自动化, 2006, (22):73-76.[4]王继芳，高仕斌.全并联AT供电牵引网短路故障分析[J].电气化铁道,2005,(04):20-23.[5]葛耀中．新型继电保护与故障测距原理与技术［M］．西安：西安交通大学出版社，1996．[6]Milland.A,Taylor.I.A, Weller.G.C,AC electrified railways protection and distance to fault MeasureMent, IEE Conference Publication, 405 Mar 27-30 1995, P73-77.[7]Lee H，Mousa A M．GPStraveling wave fault locator systems：investigation into the anomalous measurements related to light－ning strikes［J］．IEEE Trans on Power Delivery，1996，11（3）：1214－1223．Traction nets fault locationZengzhenhua(The east China jiao tong university, electrical institute，jiangxi provance nanchang 330013)Abstract:Our country the electrified railway work frequency ac traction pattern，According to the different ways of power supply traction nets requirements and traction substation to curb the single-phase traction's load caused power system of asymmetry affect, often using different connection mode and structure of the main transformer,the principle of the distance measuring via impedance in high voltage power，transmission line with fault current component to eliminate the impact of transient resistance and its computation applied in fault location of feeders in traction power network, which will dramatically improve the accuracy for fault location.Finally, put forward a protection scheme, which according to the condition of the AT transformer to switch the setting value, to ensures the reliability of distance protection.Key words: Traction networks；fault location；impedance method；fault component method；AT power supply system；feeder protection strategy。