牵引网故障测距

林依姜

牵引网故障测距

林依姜

向莆铁路股份有限公司

牵引供电系统是电气化铁路的基础，但牵引供电系统由于受各种因素的影响，容易出现故障导致断电，所以牵引网的故障测距，有助于及时修复故障线路, 减轻维护人员体力劳动, 对铁路安全经济运营具有十分重要的意义。该文介绍分析牵引网故障测距中的主要方法及特点，为牵引网供电系统的安全运行和维护提供帮助。

故障测距 牵引网 行波分析法 阻抗分析法

0 引言

铁路供电系统是铁路运输安全可靠运行的保障，一旦供电系统发生故障，就可能造成巨大的经济损失。电气化铁道牵引供电系统是电力系统中一个特殊的分支，由于牵引网与电力机车受电系统特殊的滑动受电与取流方式限制，决定了牵引网既要承担一般输电线沿铁道传输电能的任务，又要承担移动的机车用户频繁操作而产生的强大的电与机车受电弓滑动机械的冲击，因此将不可避免地形成频繁的牵引网故障，严重影响电气化铁道的运行。对高速电气化铁道，牵引网故障的精确定位，对缩短抢修时间，提高运输效率将具有直接的影响。

本文主要介绍目前常用故障测距中的两种主要方法，即阻抗分析法和行波分析法，两者分别利用故障的稳态和暂态信息进行故障定位，各有优点和缺点，相互之间互补关系。

1 阻抗分析法

阻抗分析法是指在系统运行方式确定和线路参数已知的条件下，根据故障时测距装置安装处测量到的电压、电流参数计算出故障回路的阻抗，然后根据线路长度与阻抗成一定正比例的原理，求出装置安装处与故障点的距离。可用下式表示：

1.1 阻抗法的优缺点

阻抗法是目前测距装置应用最广泛的方法，它的优点是测距简单可靠, 技术上比较成熟, 有丰富的现场运行经验; 不受故障发生时刻、系统阻抗的影响, 无测距死区; 由于利用工频稳态相量测距, 因此对电压、电流传感器和信号采集系统的要求较低; 基于该算法的装置结构简单, 易于实现, 并且成本较低; 抗干扰能力强, 故障发生时可以可靠启动。但是在其应用过程中还存在一定的问题，比如，过渡电阻的影响，线路单位阻抗的整定，基波信号的提取与分析，由于采用集中参数, 忽略了分布电容的影响, 必将导致原理性的误差，因此这些问题导致阻抗法的应用有明显的局限性。

1.2 阻抗法的分析

可以运用电抗法消除过渡电阻的影响，即取式（1）中的虚部：

从上式不难看出，电抗法没有用到电阻参数，所以也不受过渡电阻的影响，但这种方法准确度还是不高，大概在1km左右，文献[2]详细提出了稳定性不好的一些原因。另外文献[6]也提出了采用带串联电容补偿装置的方法是对电抗法的补充和改进，也是阻抗法的改进，参考牵引网串补电容，区间串补电容值和它们的投入情况作为整定值整定，进而采用电抗分段距离法查表，即可准确计算出故障点所在位置。

由于以上方法都各有其局限性，因此国内外学者一直在寻求其他新的故障测距方法，如上下行电流比法、转移阻抗测距法、单线双差比测距法，吸馈电流比与电抗测距法等，但这几种方法都是基于阻抗法的原理，而阻抗法受牵引网运行方式、供电方式和线路结构等因素的影响比较大，而行波法受各种因素的影响较小，行波的传播速度比较稳定，且准确度较高，速度又快。随着输电线路行波传输理论研究的深入、计算机技术和微电子技术的发展及数字滤波技术、小波变换理论、GPS 及光电互感器等的相继引入，特别是行波法在电力系统输电线中已有较为成功的应用, 行波法在牵引网故障测距中的应用已成为研究者关注的重要热点。

2 行波分析法

行波法就是根据行波传输理论实现对输电线故障测距的方法，即利用高频故障暂态电流、电压行波或在故障后用脉冲频率调制雷达系统以及断路器断开或重合时产生的暂态信号等来间接判定故障点的位置。文献[11]指出，现国内外研究6种行波测距原理方法，而所有的这些测距原理都可以看成两种，即单端行波测距和双端行波测距，其中A、C、E、F型是基于单端测距原理，而B、D型是基于双端测距原理。

2.1 单、双端行波测距原理

图1为某一长度为L的单相系统行波故障测距原理，M、N分别为测量两端，内部F为故障点，AC为电源。虚线为线路故障时行波传输线。

图1 行波故障测距原理图

2.2 行波法的优缺点

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, 行波信号可直接通过电压互感器、电流互感器获得, 其测距精度和稳定性不受过渡电阻及上述牵引负荷特点造成的影响。这将有可能消除牵引网测距中的多种偶然误差, 并且克服阻抗存在的原理型差，真正得到牵引网故障定位稳定而精确的结论。但在现场的应用中也发现定位结果具有不可靠性，主要包括四个方面：第一，行波信号的不确定性并且存在测距死区；第二，故障点反射波的识别；第三，行波信号的提取与处理；第四，波速的不准确性。

2.2.1故障点反射波的识别和提取

线路上存在着大量的干扰, 其特征与故障点的反射波极为相似。正常运行情况下，较大的干扰主要来自断路器和隔离开关的操作、直流电动机运行状态的改变以及弓网状态的变化, 任何上述变化都会产生剧烈的电压、电流变化，从而产生陡峭的行波信号。故障后主要干扰是在行波沿牵引网传播时，因波阻抗的变化而产生的排除干扰、正确识别故障点反射波是能否准确可靠进行故障测距的关键技术问题。文献[11]采用极性对故障点反射波和对端母线反射波进行识别，文献[9]使用精密时间协议实现牵引网故障测距时间同步，也可以采用GPS。文献[11]、[12]分别介绍利用小波分析识别和提取故障信号。

2.2.2波速的变化

3 阻抗法与行波法的结合

故障发生在行波法近端的测距死区时, 过渡电阻较小，阻抗法的精度比较高; 故障发生在线路中间区段时, 与阻抗法相比，行波法不受过渡电阻的影响, 均有较高的测距精度;当故障发生在线路远端时, 阻抗法误差与近端故障相比明显增大, 而行波法的测距结果完全不可信。经过分析发现，远端故障时，行波法测得的实为对端母线到故障点的距离, 用线路总长度减去测得的距离进行修正才是实际的故障距离, 修正后行波法的精度比较高。

显然, 两种算法分别利用故障稳态和暂态信息, 从不同的角度进行测距, 其优势互补, 适合将两种算法的测距结果进行综合处理, 进而提高故障测距的精度和鲁棒性。文献[8]、文献[4]通过实验数据得出，阻抗法与行波法的结合使用比单一使用一种方法要准确。

4 小结

由上述的分析可知, 阻抗法和行波法相组合的算法可以使行波法和阻抗法在优缺点方面相互补充，同时利用二者的优点, 弱化二者的缺点。在实际应用时先分别采用行波法和阻抗法进行测距, 得到数据之后运用组合算法的原理得出综合结果。

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