接触网监测及故障定位系统的设计与实现

韦炳干，李世斌，包忠明，刘 鹏

接触网监测及故障定位系统的设计与实现

韦炳干，李世斌，包忠明，刘 鹏

采用智能电网先进的传感、测量和无线通信技术，提出了一种将故障指示器安装在接触网沿线的承力索上，与通信终端和主站系统配合，共同实现接触网监测及故障定位的新方法。该方法适用于接触网单边供电和并联供电的供电方式，不受直接供电、BT供电及AT供电等牵引供电方式的影响，具有投入少、见效快，运行可靠，使用简单，智能化水平较高和易于推广应用的特点。

接触网；承力索；故障指示器；故障定位；在线监测

0 引言

电气化铁路接触网沿铁路线架设、无备用，运行环境恶劣，容易发生故障，一旦发生供电故障，正确迅速判断并查找出故障点是压缩故障停时的关键，对提高整个牵引供电系统运行的可靠性，保证铁路正常的运行秩序，减少企业经济损失，有着非常重要的意义。

虽然牵引变电所都配置了综合自动化系统，但是由于电力机车受电弓沿接触线高速摩擦滑行等特殊原因，目前应用的接触网故障定位系统通常采用电抗测距、电流比测距技术和行波测距技术。对于单线直接供电和BT供电方式采用电抗距离表法，复线运行时采用上下行电抗比法；对于AT供电方式，主要采用中性点吸上电流比法、吸馈电流比法和上下行电流比法[3]。电抗测距在原理上受复杂的接触网结构及各种电气和环境因素的影响，无法做到对故障点精确定位[4]；电流比测距法需要不断积累故障数据、对故障测距装置进行修正和积累经验[5]。当沿线变压器负荷、特别是供电臂上存在多台移动的机车负荷时，行波测距法要准确获取故障点反射波或折射波将更加繁杂[6]。近年来开展研究的双端行波测距法在理论上比单端行波测距法更适合接触网故障定位的需要[7]，但要投入实际应用还有待于进一步的研究和现场试验。文献[8]提出了在接触网沿途固定距离的杆塔上通过安装具有电磁信号测量和故障信号发射功能的定位单元来进行故障定位的新方法，但尚未见到有实用化报道。

本文通过采用智能电网先进的传感、测量和无线通信技术，提出了一种将故障指示器安装在接触网沿线的承力索上，与通信终端和故障定位主站配合，共同实现接触网监测及故障定位的新方法。

1 接触网监测与故障定位系统

1.1 系统结构和原理

接触网监测及故障定位系统由故障指示器、通信终端和主站系统组成。故障指示器与通信终端采用无线跳频通信，通信终端与主站系统采用GPRS通信。主站运行接触网监测及故障定位系统软件或在原有的电力远动系统上扩展故障定位功能。

单边供电方式下的接触网牵引回路构成和站端设备配置如图1所示。

图1 接触网牵引回路构成和站端设备配置示意图

故障指示器安装在承力索上，通信终端固定在接触网的杆塔上。接触网正常运行时，故障指示器采集承力索上的电流（承力索分为载流承力索和非载流承力索，干线电气化铁路一般采用载流能力强的铜或铜合金绞线的承力索[9]，非载流承力索的导电性能稍差，但不影响系统的运行效果）。接触线与承力索的电流分配近似符合如下关系：

Ic≈ ρm/ ρc× Im

式中，ρm为承力索的电阻率；ρc为接触线的电阻率；Im为承力索上的电流；Ic为接触线上的电流。

正常运行时，故障指示器周期性地将采集的承力索电流等数据发送到主站，实现主站系统对接触网负荷电流等数据的在线监测。该电流等数据的监测方法同样适用于并联供电等其他供电方式。

在单边供电方式下，故障发生时，若故障指示器检测到的短路电流满足故障判别条件，则故障指示器变位翻牌，并将信号发回主站系统。假设接触网发生永久性短路故障，故障位置在图2所示A点。

图2 接触网发生短路故障示意图

当A点发生故障时，从变电所至A点构成的回路中出现突变短路电流，指示器F1、F2和F3检测到短路故障电流，变位翻牌，并上传故障信号至主站系统，而指示器F4未检测到短路电流，故不发生变位。主站系统经过数据处理和网络拓扑分析，智能判断故障发生在F3和F4之间的区段内，主站系统告警并将该信息通知有关人员。

在并联供电方式下，同一侧供电臂上下行线通过设在分区所的开关设备（负荷开关或断路器）实行并联供电。当某一供电臂发生短路故障时，该供电臂馈线断路器和分区所开关跳闸（分区所开关为断路器），或两供电臂的馈线断路器同时跳闸后分区所开关跳闸（分区所开关为负荷开关）[9]。为了提高供电可靠性，在分区所开关跳闸后，供电臂馈线断路器在短路跳闸后都有一次重合闸[4]。主站系统的收到故障指示器这2次检测的短路故障电流信息进行综合分析，也可以准确判断故障区段。

对于一些特殊故障（高阻接地），调度中心的工作人员可以根据牵引变电所提供的故障信息，查询比对主站系统相应供电臂各监测点的电流曲线图，判断故障发生地点。

当因雷击、绝缘破坏、线路瞬时故障等原因，造成线路瞬时过流跳闸后又恢复正常供电，未造成永久短路时，其故障判据与永久性故障判据一致。

1.2 故障指示器

故障指示器用于25 kV的接触网系统，准确检测线路短路故障并给出翻牌和闪灯指示，采集（捕捉）线路负荷电流等实时数据和故障信息。同时具备故障定位及在线监测（控）系统无线调频通信接口，实现在线检测短路故障、在线监测接触网运行状态，并可远程调整短路故障检测参数等功能。

故障指示器的功能和特点：微功耗设计，从导线磁场感应取电，配合内置锂电池，保证8年以上工作所需的电量；电流测量精度：±5%；采用标准的速断、过流定值法检测短路故障；监测线路负荷电流、短路报警电流和线路对地电压等，以判断线路的短路故障和带电、停电、断线、接地、绝缘下降等隐患；通过无线跳频通信，动作信号和故障报警电流主动上报，并可在线调整短路故障检测参数；本地机电翻牌显示、LED发光闪灯，便于现场查看；定时和遥控复归，用于抢修故障和恢复送电后的复归；防死机和免维护设计；防锈蚀，防脱落，确保设备安全；承受现场恶劣环境和各种干扰。

1.3 通信终端

通信终端通过短距离无线跳频通信方式，实时采集附近50 m范围内故障指示器的运行数据、故障信息以及通信终端自身运行状态（太阳能取电电压、电池电压等），然后将打包数据通过GPRS通信方式发送到远程主站系统进行分析和处理。

通信终端的功能和特点：低功耗，采用太阳能电池，带后备电池，无光照或停电以后GPRS可在线7 d；通过无线跳频和GPRS通信方式可远程设置故障指示器和通信终端本身的参数；遥控数字故障指示器翻牌/复归、指示灯点亮/熄灭；防死机和少维护设计；对上采用GPRS通信方式和IEC870-5-101通信协议；对下采用无线跳频通信方式，带CRC校验和数据加密的跳频协议；承受现场恶劣环境和各种干扰。

1.4 主站系统

接触网在线监测及故障定位系统的主站由故障定位中心站、移动工作中心站、服务器（后台机）、工作站、智能手机和接触网在线监测及故障定位系统软件组成（图3）。

图3 主站系统结构示意图

故障定位中心站通过GPRS或GSM与站端设备通信，完成数据接入、故障定位及故障信息发布、数据转发等功能；移动工作中心站与故障定位中心站进行通信，保持数据同步，为智能手机的访问提供数据；服务器（后台机）保存历史数据和系统配置信息；工作站上可完成SCADA功能；智能手机实现随时随地故障告警和信息查询、负荷曲线查询和故障地点地理信息系统（GIS）查询，满足接触网运行管理和抢修的实际需求。主站系统软件包括接触网SCADA、故障定位、地理信息系统（GIS）和智能手机软件等功能。

2 系统运行分析

2012年5月在南昆线平林村变电所211#馈线安装了第1组故障指示器和通信终端，系统进入运行状态。

将同一时间段内变电所综合自动系统采集的变电所出口电流曲线与故障指示器采集的承力索电流曲线进行比较（图4，上图为平林变电所综合自动系统采集的211#馈线的电流曲线，下图为故障指示器采集的承力索电流曲线），变化趋势一致，与系统设计原理吻合，证明通过监测承力索电流间接实现接触网的在线监测是可行的。

图4 电流曲线比较图

2012年5月20日至6月26日，211#馈线发生8次瞬时故障，出线断路器每次跳闸后均重合闸成功。每次故障时故障指示器动作正常。图5是故障指示器2012年6月17日采集的电流曲线，该日14点39分，211#馈线发生瞬时故障。

为了查找故障，在211#馈线上增设5个故障指示器，借助于故障指示器的动作信息，检修人员最后发现了该隐蔽性很强的故障点及故障原因：由于1#隧道44#接触线下锚绝缘子损坏，内部绝缘水平降低，断续对地放电造成211#馈线断路器跳闸。

2013年6月在15条运行馈线上安装了50多个故障指示器，截至2013年11月，这15条馈线上共发生4次永久性故障和9次瞬时故障，系统均正确动作并报警。运行结果证明：系统能正确完成接触网监测及故障定位功能，完全达到设计目标。

图5 故障指示器采集的电流曲线图

3 结语

基于在承力索上安装故障指示器的接触网监测及故障定位系统，有效解决接触网“摸黑调度”的问题，实现了接触网沿线电流等电气量的在线监测；采用现场终端采集信息进行区段定位的故障定位，标准的速断、过流定值法克服了目前常用的电抗测距、电流比测距和行波测距所遇到的牵引供电系统结构、运行方式复杂等问题，适用于接触网单边供电和并联供电的供电方式，不受牵引供电系统直接供电、BT供电及AT供电等供电方式的影响，故障定位结果精确。系统以投入少、见效快，运行可靠，使用简单，智能化水平较高和易于推广应用的特点，能够缩短故障查找时间，减轻供电检修人员的劳动强度，节省寻找故障的人力物力，减少接触网故障对铁路运输的影响。

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[9] 吉鹏霄，张桂林，等.电气化铁路接触网[M].北京：化学工业出版社，2011：14-45.

This paper presents a new approach for monitoring and fault location on OCS. With the new approach, the fault indicator is mounted on OCS messenger wire. The new approach leverages the advanced smart grid technologies on senor, measurement and wireless communications, and it performs monitoring and fault location with communication terminals and main station system. This new approach can be applied to one-way or parallel power supply systems. The implementation is not affected by traction power supply systems (i.e. direct feeding system, booster transformer feeding system or autotransformer feeding system). The advantages of the new approach include low investment, high efficiency and more reliability. The approach is relatively simple to implement and to operate in the field. More importantly, the system is highly automated and intellectual designed.

OCS; messenger wire; fault indicator; fault location; on-line monitoring

U226.8

B

1007-936X(2014)04-0005-04

2013-11-12

韦炳干.南宁铁路局，高级工程师，电话：13907712089；

李世斌.南宁铁路局，工程师；

包忠明，刘 鹏.北京科锐屹拓科技有限公司，高级工程师。