李 翔

（中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海高鐵維修段）

0 引言

近幾年，在鐵路大發(fā)展的背景下，我國電氣化鐵路運營里程逐年攀升。隨著國民生活水平的提高，人們對出行效率和舒適度的要求越發(fā)提高的背景下，電氣化鐵路尤其是高鐵無疑是國家鐵路戰(zhàn)略發(fā)展的重中之重。由于接觸網(wǎng)架設(shè)自然環(huán)境惡劣，且無備用線路，鐵路接觸網(wǎng)各類跳閘事件屢見不鮮，解決高速鐵路接觸網(wǎng)故障測距問題對保證鐵路安全運行具有重要的意義，傳統(tǒng)應(yīng)用于電氣化鐵路的故障測距裝置大多基于阻抗測距原理，由于受到過度電阻、系統(tǒng)運行狀態(tài)的影響無法保證故障測距的準(zhǔn)確性，因此找到一種新型的故障測距技術(shù)勢在必行。

1 行波測距理論

行波測距的概念是20世紀(jì)提出，它根據(jù)行波傳輸理論實現(xiàn)線路故障測距，隨著小波算法的提出和高精度GPS對時技術(shù)的實現(xiàn)，目前行波法測距已成為成熟的高壓線路距離保護(hù)之一，行波法故障定位能從原理上克服阻抗法易受對側(cè)系統(tǒng)運行阻抗、負(fù)荷電流、運行方式等因素影響的缺點，使得測距精度得以提高，本文主要采用D行波法對配電網(wǎng)經(jīng)行故障測距。

行波故障定位是利用故障時刻線路電流、電壓突然發(fā)生變化所產(chǎn)生的高頻暫態(tài)行波達(dá)到兩端的時差來確定故障點的位置。在線路中安裝行波檢測裝置，利用行波到達(dá)的兩設(shè)備的時間差Δt進(jìn)行故障點精確定位。

圖1為行波法故障測距裝置原理：m、n為行波故障測距裝置，t1為行波到達(dá)設(shè)備m的時刻、t2為行波到達(dá)設(shè)備n的時刻、L為兩設(shè)備（m和n） 之間的距離，Xm為故障點距離設(shè)備m的距離，Xn為故障點距離設(shè)備n的距離。可準(zhǔn)確高效地計算出故障點距離設(shè)備兩邊的距離。

在兩設(shè)備（m和n） 之間的距離L固定的情況下，影響行波法故障測距主要因素為Δt和波速v，m、n兩裝置采用高精度GPS對時，v為行波在輸電線路上傳輸?shù)乃俣?，接近光速，因此行波法故障測距準(zhǔn)確度高。由以上推導(dǎo)公式可以看出，線路發(fā)生故障跳閘時不受傳統(tǒng)阻抗法過度阻抗的影響。

2 故障采集技術(shù)原理

由于接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)較為特殊，接觸網(wǎng)線上為保證列車的正常運行不能懸掛傳感器，因此接觸網(wǎng)智能監(jiān)測裝置安裝于接觸網(wǎng)供電線上。接觸網(wǎng)智能故障監(jiān)測裝置共包括如下幾個單元：電流采集裝置、電壓采集裝置、GPS天線、通訊模塊等、以下主要從故障采集模塊來講解。

2.1 電流測量

電流測量分工頻電流測量和行波電流的測量，其電流的測量單元采用羅氏線圈進(jìn)行測量，由于羅氏線圈具有很好的通頻帶（0.1Hz～1MHz），可滿足牽引網(wǎng)工頻電流（50Hz） 和行波電流（10～100kHz） 的的測量，只要對放大回路進(jìn)行高通低通頻帶選擇，即可完成電流的測量，羅氏線圈放大示意圖如圖2所示。

以下為羅氏線圈的輸入與輸出特性

式中，e（t） 為輸出電壓，i1（t） 為被測電流信號，M為羅氏線圈于配電導(dǎo)線之間的電感，L、R0、C0和r分別為線圈自感、內(nèi)阻、分布電容及積分電阻；i2（t）為積分電阻上的電流。

由于自積分電阻R0+r很小，因此對于行波來說WL≥R0+r，可知：

圖3為羅氏線圈工頻行波工作原理圖。

2.2 電壓測量

目前接觸網(wǎng)智能監(jiān)測裝置針對電壓測量只進(jìn)行工頻電壓的測量，其采用電容分壓結(jié)構(gòu)，通過在監(jiān)測終端外敷一薄層金屬片，金屬片對地電容為C1，C1根據(jù)文獻(xiàn)［3］中估值，約為3pF，進(jìn)入主板上固定電容為C2，約為0.1μF，C2進(jìn)測量回路，C1C2組成串聯(lián)分壓電容電路，通過測量C2兩端的電壓，即可對線電壓進(jìn)行測量。

以下為電容分壓的線電壓計算公式：

由以上公式可知串聯(lián)分壓公式可滿足對線路線電壓的測量，圖4為串聯(lián)分壓工作原理圖。

由于接觸網(wǎng)在沒有列車經(jīng)過時，線路處于負(fù)荷狀態(tài)，當(dāng)有列車經(jīng)過時線路才有負(fù)荷電流，因此，對線路電壓進(jìn)行測量作為判定線路是否故障的依據(jù)。

3 故障驗證

3.1 安裝概況

本文以上海鐵路局上海高鐵維修段已安裝接觸網(wǎng)智能故障監(jiān)測裝置為例，接觸網(wǎng)智能故障監(jiān)測裝置進(jìn)行故障測距驗證，圖5為已安裝線路線路結(jié)構(gòu)及設(shè)備安裝點。

如圖5所示，本供電單元為AT供電方式，線路結(jié)構(gòu)為上下行全并聯(lián)。由于接觸網(wǎng)的特殊環(huán)境，因此智能故障檢測裝置安裝于牽引供電單元的供電線上，分別安裝于牽引所供電線，AT所供電線和分區(qū)所供電線上，設(shè)備方向全部由所內(nèi)朝向接觸網(wǎng)線為正方向，對此供電單元實現(xiàn)全線故障精確定位。

3.2 故障概況

接觸網(wǎng)智能檢測裝置安裝后，線路于2019年4月3日線路發(fā)生跳閘，過流保護(hù)，斷路器動作，重合閘失敗，供電臂停電。接觸網(wǎng)智能故障裝置檢測到分閘工頻后快速對線路做出故障判定：利用故障電流法快速判斷故障位于T線且第一段AT內(nèi)。故障時刻工頻電流圖如圖6所示。

由于接觸網(wǎng)智能故障監(jiān)測裝置安裝于接觸網(wǎng)供電線上網(wǎng)點，且正方向同朝向于接觸網(wǎng)線，依據(jù)發(fā)生故障時根據(jù)故障時刻短路電路方向和大小關(guān)系可判定此故障點位于第一段AT，即牽引所和AT所之間。利用故障時刻設(shè)備采集到的故障行波電流可快速進(jìn)行故障精確定位。故障時刻行波電流圖如圖7所示。

對比故障時刻行波電流圖亦可發(fā)現(xiàn)故障時刻行波電流牽引所較AT所大，因此可判定故障距離牽引所較近，對故障時刻兩設(shè)備采集到的行波電流利用小波包變換求出故障時刻行波電流模極大值，此時利用模極大值可以求出故障行波達(dá)到兩設(shè)備之間的時間差Δt，利用、式（1）～式（3）中關(guān)系可求出故障點距離牽引所6.502km，故障支柱為無錫新區(qū)-37#，故障公里標(biāo)為K113.118。現(xiàn)場運維人員快速趕到無錫新區(qū)-37#附近，最終巡線結(jié)果為無錫新區(qū)-37#。接觸網(wǎng)智能故障監(jiān)測裝置0誤差，輔助接觸網(wǎng)運維工作人員快速故障清除，減少線路被迫停電時間，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。

3.3 歷史故障對比

此27.5kV線路安裝分布式檢測裝置后，線路發(fā)生多次跳閘，利用接觸網(wǎng)智能故障監(jiān)測裝置對現(xiàn)場故障進(jìn)行故障精確定位，巡線結(jié)果與故障對比如下表所示。

表 歷史故障與巡線結(jié)果對比

利用歷史故障進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)利用接觸網(wǎng)智能故障監(jiān)測裝置可以快速檢測故障的同時也能定位精準(zhǔn)，每次精確定位誤差小于等于200m （2020.02.08故障除外），可實現(xiàn)現(xiàn)場故障的快速清除。 同時由于2020.02.08故障誤差較大，對此進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，由于此供電臂為全并聯(lián)AT供電方式，而由于本次故障為下行故障，接觸網(wǎng)智能檢測裝置只安裝于上行，因此需要上下行同時安裝才可以實現(xiàn)全供電臂的精確定位。

4 結(jié)束語

1）由于分布式檢測裝置采集線圈采用羅氏線圈，其高頻特性滿足電力系統(tǒng)故障中大部分頻率，不僅僅針對于穩(wěn)態(tài)接地故障可實現(xiàn)精確定位，對于暫態(tài)接地故障，亦可實現(xiàn)故障預(yù)警，暫態(tài)接地故障的檢測是配電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的一大進(jìn)步。

2）利用工頻故障電流大小判定故障區(qū)間段，外加以行波判定故障位置，接觸網(wǎng)故障智能監(jiān)測裝置目前在實驗和運行過程中都取得較好效果，這表明接觸網(wǎng)監(jiān)測技術(shù)能很好地解決接觸網(wǎng)網(wǎng)故障難題，在解決接觸網(wǎng)網(wǎng)故障難題時具有一定的意義。

3）利用接觸網(wǎng)智能故障監(jiān)測裝置對線路全線覆蓋，當(dāng)線路發(fā)生跳閘時，快速啟動故障預(yù)警，定位結(jié)果輔助運維人員進(jìn)行故障排查，合理的配置方案能減小智能故障測距誤差，相比傳統(tǒng)全線排查故障大大減少了線路被迫停運時間，減小現(xiàn)場運維人員工作力度，保證列車正常運行，從而實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益。