牵引供电故障跳闸智能分析系统的研究

陈进根 上海铁路局杭州供电段

牵引供电故障跳闸智能分析系统的研究

陈进根 上海铁路局杭州供电段

牵引供电系统是电气化铁路的重要组成部分，是电力机车、动车组动力来源的唯一途径，接触网是牵引供电系统中唯一没有备用的关键供电设备，接触网的运行安全尤为重要，一旦故障，将会严重影响运输安全。对直接供电末端并联和AT供电两种方式下的故障测距及馈线保护现状进行研究，阐述以馈线故障跳闸保护报文及测距报文经验解析的优势，提出牵引供电故障跳闸智能分析系统解决方案，为故障跳闸的分析提供帮助。

电气化铁路；故障跳闸；智能分析

1 引言

接触网线路故障可分为永久故障和瞬时故障两种类型,接触网故障10%为永久性故障。瞬时故障通过一次重合闸可恢复供电，但需尽快找到故障点，消除影响牵引供电的安全稳定运行的隐患。若为永久性故障，需要迅速查明故障原因并及时排除，排除故障所用时间的长短，将直接影响到铁路运输安全与效益。时间越长，停电所造成的经济损失越大。因此，获知准确的故障位置、类型和方向，对线路的及时修复和供电的可靠性至关重要，对铁路安全运输和经济运行起到了非常重要的作用。

对于直接供电末端并联方式，目前综自厂家都采用微机馈线保护装置自带的线性电抗法测距原理进行测距分析，线路理论单位电抗的准确性、不同区间的单位电抗差异性、全并联线路解列前后互阻抗的影响，都对故障测距精度产生影响。

对于AT供电方式，综自厂家一般采用吸上电流比测距原理进行测距分析。当线路发生故障时，AT所、分区所、变电所内的故障测距装置同步采集线路吸上电流分部情况，并将数据送至变电所内故障测距装置进行计算，给出故障类型、故障距离、公里标等相关信息。延线故障测距通道的好坏、GPS对时的精度、AT漏抗的影响，都对故障测距精度产生影响。

为此，本文以馈线故障跳闸保护报文及测距报文经验解析方法为研究对象，提出牵引供电故障跳闸智能分析系统概论及解决方案，具有一定设计推广和实际工程应用价值。

2 牵引供电系统几种常见馈线保护动作判据和故障测距原理

2.1 电流速断保护及过流保护

（1）电流速断保护动作判据为：

①馈线电流大于速断电流定值；

②持续时间大于速断动作时间。

（2）过电流保护动作判据为：

①馈线电流大于电流定值；

②持续时间大于电流动作时间；

③二次谐波闭锁元件未动作；

④当选择低电压启动时还要求母线电压低于启动电压。

2.2 阻抗保护（距离保护）

阻抗保护的动作判据：

①PT断线闭锁保护元件未动作；

②二次谐波闭锁元件未动作；

③阻抗在相应的动作区内；

④时间延时大于阻抗时间定值。

2.3 高阻接地保护（电流增量保护）

牵引网发生高阻接地故障时，阻抗值比常规故障的阻抗值要高出数倍甚至数十倍，阻抗保护将不能正确动作。可利用机车负荷电流的变化量要小于故障电流的变化量的特性来实现保护的，电流增量保护一般也采用谐波抑制的方式来提高保护的躲负荷能力。

式中：I1q，I1h为故障前后两时刻基波电流；

2.4 故障测距原理

铁路故障测距装置一般采用“线性电抗法原理”、“AT中性点吸上电流比原理”、“上下行电流比原理”和“吸馈电流比原理”进行故障测距。

AT中性点吸上电流比原理适用于单线、复线AT牵引供电系统的T-R，F-R,F-PW线路短路故障；上下行电流比原理适用于复线工况下的各种短路故障，但不适用于单线下的故障测距；单线单AT段模式下的故障测距可以采用吸馈电流比原理进行测距。

2.4.1 线性电抗法测距原理

根据接触网线路电抗与线路长度成正比例关系 l=X

X0

（X:测量电抗；X0:TF型单位电抗），如图1所示。

图1 线路电抗与长度关系图

2.4.2 上下行电流比测距原理（末端必须并联，AT供电方式用在第一个AT臂）

当线路末端闭环运行时，采用“上下行电流比测距原理”，故障测距公式如下：

式中： 、 —上下行供电臂电流；La—供电臂长度；Lc—修正距离。

2.4.3 AT中性点吸上电流比原理（AT供电方式）

AT牵引供电系统由于线路短路阻抗值非线性，除T-F短路外其他都不能通过阻抗查表进行故障测距，在通常的TR、F-PW、F-R等短路故障条件下其各AT吸上电流与故障点有比例关系，且故障段AT吸上电流最大。

“AT中性点吸上电流比原理”如下，牵引网故障时见图2。

图2 在第n个AT和第n+1个AT之间发生故障

测距公式

式中：L—故障点距变电所的距离；

Ln—变电所距第n个AT的距离；

Dn—第n个AT与第n＋1个AT之间的距离；

In,In+1—分别为第n个AT与第n+1个AT中性点的吸上电流和；Qn,Qn+1—整定值，与钢轨漏抗等相关；经验值5~10；Kn,Kn+1—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 解决方案

本方案将国电南自、天津凯发等综合自动化厂家故障调整报文导入智能分析系统后，通过系统分析，自动生成故障电流分布图、故障类型、故障公里标、测距误差、微机保护动作的准确性等信息，经检修、运行部门丰富分析意见后提交业务归口审核、确认并归档。智能分析系统实现了跳闸分析的快速化、流程化、标准化，降低了传统数据分析的人工量及人为因素对分析结果的干扰。各级领导可以第一时间得知故障情况，启动最佳应急指挥方案，提高了供电可靠性。系统架构见图3。

图3 智能系统架构图

3.1 故障报文解析

根据各个综自厂家特点分别获取馈线保护报文和故障测距报文，采用多种分析模板自动形成特定格式。

3.1.1 自动形成的保护报文格式（见图4）

图4 保护报文格式

3.1.2 自动形成的测距报文格式（见图5）

图5 测距报文格式

从图4、图5，可以看出，经过系统的智能分析，将杂乱、无序、难读的报文智能地解析成了可读性高、简单易懂的各类分析报告，并通过相关计算，得到了电流方向、故障点位置、故障点距离、实际距离、误差等信息。

3.2 故障智能分析

3.2.1 保护动作的正确性分析

根据各种馈线保护报文的故障动作类型，按照对应故障判别依据与整定定值进行计算分析，如果满足条件，则本次动作正确，否则属于误动，见图6。

图6 阻抗四边形动作图

（1）阻抗保护动作的正确性分析

AB之间的长度用LAB表示，同理BC之间的长度为LBC, CD之间的长度为LCD,AD之间的长度为LAD，则：

动作临界边界(临界阻抗)LAD=LAC/COSα

Z=U/I

Z

（2）速断保护故障智能分析

只判断一个条件：大于电流定值，则动作正确，否则为误动。根据不同厂家需要换算一次电流值：电流I1=流互变比×

I2

（3）过流保护故障智能分析

有低电压闭锁的同时判断两个条件：同时满足大于电流定值和小于电压定值。

根据不同厂家需要换算电流和电压值：电流I1=流互变比×I2；电压U1=压互变比×U2。

（4）电流增量保护故障智能分析

如：高阻1段电流定值ΔIdz为650 A(流互变比假如为1 000，定值则为0.65)，延时时间定值为2 s。

举例1：负荷→故障。当馈线负荷电流一直为400 A，即高阻1段故障判断中I1q0为400 A，则故障电流（假设不含谐波含量）要为400+650=1 050 A以上且持续2 s高阻1段保护才会动作。

举例2：负荷→负荷。当馈线开始电流为0，即高阻1段故障判断中I1q0为0 A，机车启动电流综合谐波含量K235达到20%，则

即在机车启动电流综合谐波含量K235达到20%时机车启动电流要达到1 300 A且保持2 s高阻1段保护才会出口，即谐波含量越高则要求动作电流越大。

3.2.2 测距数据的正确性分析

根据故障测距数据，按照基尔霍夫节点电流定律：通过电路中任一节点或封闭网络的电流的和为零，即任一节点流进电流等于流出电流，形成故障电流分布，见图7。

如果因通道、装置、GPS对时等原因，其中一个所的故障数据丢失，根据上述原理，也可以推导出整个供电臂的电流分布图，并选择相应测距算法进行计算，并在故障对照表内找到相应公里标和支柱号，见图8。

图8 故障公里标对照表

在现场找到实际故障点位置，并输入对应公里标，则自动生成实际故障点公里数及相应误差。按照历年故障测距误差，自动调正测距距离，为查找实际故障点提供更准确的数据。

3.3 快速查阅技术资料

根据故障点位置，自动连接“一杆一档”资料及周遍照片图或视频等技术资料，连接应急处置预案及抢修线路图，调取现场设备厂家信息及产品名称及相关信息等资料，为应急处置提供相关信息。

4 结论

电气化铁路牵引供电设备厂家多、设备结构复杂，对于掌握设备性能难度高，及时切除故障并启动合理的应急供电预案更难实现。本文利用现有的综自报文数据，通过局域网络导入数据，智能分析数据，极大地提高了故障跳闸时对于故障点实际距离查找的准确性，从而可以启动最佳应急供电预案，迅速切除故障，提高供电可靠性、减少故障时间，确保铁路运输安全。

为保证供电可靠性，减少故障影响，根据设备、线路的差异建立一套由基础参数、视频系统、故障信息、应急供电预案等组成的电气化铁路牵引供电故障跳闸智能分析系统势在必行，该系统的应用不仅能全面掌握全线牵引供电设备运行状况，了解设备性能，而且一旦出现故障、能及时掌握故障点的位置，自动传输故障点现象，并且自动模拟切除故障点，恢复运行的应急指挥方案。这样不但能实时了解和掌握管辖设备状况，而且能迅速启动最佳的应急供电方案，缩小故障影响面，确保优质可靠供电。该系统的各项功能特点适用于各供电段，转化前景广阔，在铁路同行业中具有一定的通用性。

[1]杨正理.电力系统继电保护原理及应用.机械工业出版社，2010.

[2]刘学军.继电保护原理.中国电力,2007.

[3]中国铁路总公司.铁路技术管理规程*高速铁路部分(32开).中国铁道出版社,2014.

[4]高仕斌,王伟.电力牵引AT供电网复故障及特殊运行方式下故障测距原理[J].电力自动化设备,1991.

[5]陈铁刚.牵引网故障测距算法的研究[J].中国铁道出版社，1995.

[6]WGB-65U微机故障测距装置说明书[M].国电南京自动化股份有限公司,2015.

责任编辑：许耀元

来稿日期：2016-12-13