基于C型行波法的轨地绝缘损坏定位方法研究

刘建华 穆明亮 裴文龙 刘 旭

（中国矿业大学信息与电气工程学院，221116，徐州∥第一作者，副教授）

行业标准CJJ 49—92《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》规定地铁全线应具有良好的轨地绝缘。轨地绝缘损坏将造成杂散电流及轨电位的变化，对地铁安全会造成严重危害。目前，轨地绝缘的评价指标为轨地过渡电阻，但过渡电阻不能反映轨地局部绝缘损坏的情况。为了更准确地分析轨地绝缘，确保地铁安全稳定运行，有必要对轨地局部绝缘损坏进行定位。行波法在电力系统故障定位中得到成熟而且广泛的应用。C 型行波法是一种离线定位方法，不受故障时刻的影响，测量精度高。鉴于此，有必要对基于C 型行波法的轨地局部绝缘损坏定位方法进行分析研究。

1 C型行波法定位原理

1.1 定位原理

C 型行波法为离线定位法，人工向绝缘损坏线路注入脉冲信号，由于波阻抗的不同，行波信号在注入点与绝缘损坏故障点之间反射，根据行波信号在测量点与故障点之间往返的时间和行波的波速来确定绝缘损坏故障点的具体位置，对绝缘损坏点进行定位。C 型行波法定位原理如图1所示。

图1 C 型行波法定位原理示意图

如图所1 示，AB表示单根钢轨，A、B两点分别为钢轨线路的始端与终端，假定钢轨在C点发生局部绝缘损坏。在t1时刻，往钢轨始端注入电压脉冲信号，行波信号会以波速v由A点向C点传播，到达绝缘损坏故障点C后，由于波阻抗不连续，会发生全反射，并改变极性；行波信号再由C点传向A点，在t2时刻到达检测点A，即钢轨始端。假设检测点A到故障点C的距离为x，则轨地局部绝缘损坏定位计算公式为：

由上式可知，利用C 型行波法进行轨地局部绝缘损坏定位的关键是确定行波信号波速及准确获得故障反射波到达始端的时刻，即确定钢轨故障特征波。

1.2 波速与故障特征波的确定

波速可以根据钢轨电参数，通过理论计算获取，但在实际应用中，可利用高频信号测量行波信号传播的速度作为线路中行波的波速。

由于钢轨与均流线、回流电缆相连接，连接点均为波阻抗不连续点，因此，钢轨始端监测获取的信号含有各种反射与折射的行波信号。绝缘损坏定位只需要故障点的反射波，该波称为故障特征波。实际定位中，可以通过比较法来确定故障特征波。对线路正常时的反射波与线路发生绝缘损坏故障时的反射波进行对比，对比后差异波形的第一个畸变点就是故障点的反射波，也就是所需的故障特征波。确定故障特征波，可以获得故障点反射波到达测量点的时刻，再根据C 型行波法定位原理对轨地绝缘局部损坏进行定位。

2 仿真分析

2.1 等效仿真模型

为验证C 型行波法定位的可行性，依据时域有限差分思想，在电磁暂态仿真软件的仿真平台中，搭建钢轨回流线路空间离散模型。仿真假设钢轨长度为6 km，实际线路中，道岔数量很少，为简化模型，仿真线路不设置道岔。钢轨之间均流线的间距设置为400 m，回流电缆间距为2 000 m。如图2所示的等效仿真模型中，在钢轨始端注入脉冲宽度为1μs的电压脉冲信号，根据内奎斯特采样定理，采样频率不低于信号频率的2倍，检测装置的采样频率设置为100 MHz。在钢轨末端经与波阻抗值相同的纯电阻接地，使钢轨末端无电压及电流反射，避免该处折射与反射对测量造成的影响。

图2 等效仿真模型

2.2 仿真分析

为简化仿真模型，仿真不考虑钢轨接缝，钢轨波阻抗取值70Ω。行波在介质中传播速度μ为介质相对磁导数，ε为介质相对电系数。经分析计算，行波信号波速设为均流线长度取2 m，连接钢轨与变电所整流柜负极的回流电缆长度取100 m。忽略导线电阻以及对地电导，分布参数电感设置为L＝1.228×10－4mH／m，电容设置为C＝3.296×10－4μF／m，注入脉冲信号幅值设置为100 V。假设局部绝缘损坏在距始端4 600 m 处，局部绝缘损坏处接地电阻初步设为0Ω。分别在正常情况与绝缘损坏情况下进行仿真，利用ATP仿真软件的轨地局部绝缘损坏定位仿真电路如图3所示。

图3 轨地局部绝缘损坏定位仿真电路实景图

经过仿真，得到正常线路行波信号与轨地局部绝缘损坏时线路行波信号如图4所示。

对比图4仿真波形可以看出，两仿真波形差异非常小，并且显得无规律可循，这表明均流线和回流电缆产生的反射信号淹没了故障点反射信号。仅仅根据图4b）对故障点的反射波进行判断，显得异常困难，也就无法对绝缘损坏进行定位。

为此，可以利用比较法来确定故障特征波，将正常线路与故障线路波形信号进行比较。通过MTLAB软件，将正常行波信号数据与绝缘损坏时行波信号数据作相减运算，使用MATLAB 绘图工具将运算结果绘图，得到正常线路与局部绝缘损坏线路的差异波形，如图5所示。

从图5差异波形可以看出，波形突变点非常明显，波形第一个畸变点所对应的时刻为t＝5.304 5×10－5s。此时刻之前的波形差异值为零，表明绝缘损坏以后，故障点之前的钢轨线路反射过程和正常情况是一致的，但是在绝缘损坏处发生了不同于正常情况的波反射过程。在t＝5.304 5×10－5s时刻差异值不再为零，此时刻的波形信号便是故障点的反射波。根据前述定位原理，可以得到轨地绝缘损坏点在距离钢轨线路始端4 594 m 处，与仿真设置参数4 600 m 相差6 m。

图4 正常线路与局部绝缘损坏线路仿真信号波形

图5 正常线路与局部绝缘损坏线路行波信号波形差

改变绝缘损坏处接地电阻，分别取10Ω、100Ω接地电阻。得到两种情况下的仿真波形差，如图6所示。

图6 接地电阻改变时的仿真波形差

通过图6分析可以看出，绝缘损坏处接地电阻发生改变时，畸变波形差的幅值发生明显变化，随着接地电阻的增大，幅值减小，但第一畸变点发生的时间并没有改变，仍然发生在t＝5.304 5×10－5s处。这说明接地电阻的大小并不影响绝缘检测的准确性。

通过仿真分析研究，说明利用C 型行波法进行轨地局部绝缘损坏定位是可行的，并且绝缘损坏处接地电阻的大小不影响检测的准确性。

3 结语

通过测量过渡电阻，不能准确反映轨地局部绝缘情况。本文对基于C 型行波法轨地局部绝缘损坏定位进行分析研究，利用ATP与MATLAB 仿真软件对定位方法进行仿真。仿真结果表明，此方法是可行的，并且绝缘损坏处接地电阻的大小不影响检测的准确性。仿真是在理论情况下进行的，还有待于现场实际的验证。

［1］CJJ 49—92地铁杂散电流腐蚀防护技术规程［S］.

［2］张栋梁.城市轨道交通直流牵引回流系统防护技术研究［D］.徐州：中国矿业大学，2012.

［3］胡先茂，李国欣，王崇林，等.局部绝缘损坏对地铁杂散电流的影响［J］.都市快轨交通，2009（3）：76.

［4］徐汝俊，张伟，熊高林，等.配电网故障测距方法的仿真分析［J］.电力科学与工程，2010（4）：21.

［5］蔡秀雯.配电网行波故障定位技术的研究［D］.北京：华北电力大学，2007.

［6］于盛楠，杨以涵，鲍海.C型行波法在配电网故障测距中应用之研究［J］.现代电力，2007（3）：20.

［7］夏长根.配电线路单相接地故障行波定位技术的研究［D］.北京：华北电力大学，2006.

［8］李长城.电力电缆故障分析与故障点定位研究［D］.沈阳：东北大学，2009.

［9］李威.地铁轨地过渡电阻及走行轨阻抗在线测量［J］.中国矿业大学学报，2001（7）：416.

［10］季涛，薛永端，孙同景，等.配电线路行波故障测距初探［J］.电力系统自动化，2005（19）：27.