高速电气化铁路综合故障测距分析

郭黎曼

0 引言

高速电气化铁路牵引供电系统通常采用上下行并联的AT牵引供电系统模式，故障点标定采用“AT中性点吸上电流比原理”。由于大多数高速牵引供电系统变电所采用 V/v或单相变压器接线方式，在变电所馈线处没有自耦变压器，因此，在自耦所（以下简称 ATP）和分区所（以下简称 SP）之间的故障点标定比较准，而在牵引变电所（以下简称SS）与ATP之间的故障点标定不准确。笔者认为，由于变电所馈线处没有自耦变压器，只能用一定的计算方法间接获得变电所处的“中性点”电流，因此，“AT中性点吸上电流比原理”很难做到精确标定。而有针对性地寻找高速牵引供电系统AT故障点标定方法是问题的关键。鉴于高速电气化牵引网供电臂在变电所母线处的上下行T线和F线并联运行，如果在SS至ATP之间发生牵引网对轨道短路，SS母线处的电压是相等的，那么，能否根据变电所处的上下行电流之间的关系，判断短路故障点的位置呢？鉴于当故障点发生在 ATP至SP之间时，利用传统的“AT中性点吸上电流比原理”即可，所以，只要解决SS至ATP之间的故障点标定问题，整个牵引网的故障点标定问题就迎刃而解了。

1 故障点标定计算公式推导和分析

在SS馈线T线和F线上均设置电流互感器和相应的电流采集模块（图 1）。当线路上有电流通过时，电流采集模块均能检测到电流，并将信息上传到综合自动化系统，用于SS至ATP之间的短路故障分析。

图1 牵引网供电系统示意图

在SS至ATP之间的短路故障一般有T线对F线故障、F线对地故障和T线对地故障3种方式。根据后续的公式推导和分析，如果能够解决T线对地短路和F线对地短路，那么T线对F线短路可以通过T线短路判据或F线短路判据获得。

（1）SS至ATP之间发生T线对地短路的故障点标定分析。

假设故障处于SS与AT之间，设短路点距离SS母线Xkm，则：

式中，R为短路点处的接触网对地短路电弧电阻；Z为回流线单位长度阻抗；I2为非故障侧变电所T线向故障点支援的短路电流；I3为故障行AT所中F线电流；I1为SS故障行F馈线电流；D1为SS至ATP之间的距离。

由式（1）和式（2）可得：

由式（4）可得：

（2）F线和TF线牵引网故障点标定分析。

式（5）分析了SS至ATP之间发生T线短路时，短路点至SS母线之间的距离，根据牵引网的特点，SS至ATP之间发生F线短路，以及TF短路时，公式与T线的相同。从式（5）可知，只要能够获得SS上下行馈线电流和SS至ATP之间的实际距离，就能获得短路故障点与SS之间的距离。

2 ATP至SP之间牵引网故障点标定

显然，如果短路点发生在ATP和SP之间，则变电所处上下行馈线电流基本相等，此时，应能判断出，故障点在ATP和SP之间。由于两所之间存在自耦变压器，很容易获得中性点电流值，可利用“AT中性点吸上电流比原理”求得故障点距离ATP的距离。当ATP和SP之间发生短路，短路点距离变电所Lkm，则测距公式：

式中，L为故障点距SS的距离；D2为ATP与SP之间的距离；I4，I5分别为ATP的AT与SP处的AT中性点的吸上电流；Q1，Q2分别为ATP与SP的整定值；K1，K2分别为ATP与SP处的电流分布系数，范围根据站场情况可调整。对标准区间线路K= 1.0。

3 工程实施性分析

根据上面的分析，如果在SS、ATP和SP分别设置电流采集模块，同时具备 GPS对时功能，变电所的电流采集模块主要采集馈线T线和F线的电流，ATP和SP处的电流采集模块主要采集自耦变压器中性点电流。该电流均可通过以供电臂为单元的监控网络或SCADA网上传至牵引变电所综合自动化后台机或控制中心电力调度系统，根据推导的公式进行计算，其结果基本满足精度要求，同时不需要再为故障点标定系统铺设独立的通信网络，即大大节省了工程造价。

京沪高铁无锡牵引变电所为AT供电方式的变电所，牵引变压器暂采用三相V接线形式，AT距牵引变电所10 km，根据一次的短路故障点标定数据可知，下行T线短路电流7 413 A，上行T线707 A，下行短路点距离SS距离为1.78 km，短路点在SS和第一个ATP之间。根据式（5）验算，故障点距离SS的距离为1.74 km，误差为0.04 km。由此可知，该做法简单易行，且无需增加新的故障点标定装置，因此具备工程可实施性。

4 结语

经过分析可知，由于高速电气化铁路采用牵引网上下行并联供电，给故障点标定带来麻烦，因此，很难通过一种通用的工程可实施的方法解决这一问题，而通过分段标定的方法并未增加工程造价，却能满足标定的精度要求，值得深入研究。

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[2]颜文祝，石瑞霞，黄宝权.全并联AT 供电网络的电气特性分析及其故障测距方法的研究[J].交通运输工程与信息学报，2007.1（5）：14-20.