特殊接线方式下牵引网故障测距判别方法的研究

周少喻

(中国铁路总公司安全监督管理局,北京 100844)

目前我国已投入使用的电气化铁路主要供电方式是AT供电和带回流线的直接供电[1-4]。AT供电即采用自耦变压器供电，将自耦变压器绕组的中点抽出一个端子接至钢轨，此时电力机车的输出电压仅为变压器输入端的一半，从而提高了供电能力，经钢轨回流的电流经绕组和正馈线流回至牵引变电所。其特点是适用于重载、高速铁路[5-6]。带回流线的直接供电方式(以下简称“直供”)，回流线每隔一定距离与钢轨相连，既起到防干扰作用，又有保护线的特性，改善了网压，接触网结构简单可靠，近年来得到广泛应用。由于牵引供电接触网处于一个大电流、强张力、长期磨损的工作环境下，所以保证接触网正常供电是保障铁路运输的重要前提，而出现短路故障时，快速准确判断故障位置至关重要[7-14]。目前针对故障测距的方法有阻抗测距法、故障分析法、行波故障测距法，但在供电枢纽、线路所等区域存在不同种类的线路T接方式，用普通的测距方法存在较大误差，无法快速查找到故障位置，不能保障铁路正常运输工作[15-21]。

1 概况

在某些电气化铁路枢纽地区、线路所，牵引变电所馈线存在特殊的T接供电的情况。3种典型的特殊接线如图1所示。

图1(a)所示，某AT牵引变电所的一条供电臂上存在2个分区所，馈出供电线上接触网点恰好不在分相处，而是在供电臂的一侧，离其中一个分区所距离L1，另一个距离为L2。称其为变电所上网处T接方式。当故障距离小于L1长度时，装置无法判断是在L1还是在L2支路上。

图1(b)所示，某直供牵引供电方式下，在供电臂的远端存在T接；当故障测距的距离大于L3的长度，则无法区分故障点在L1还是L2的支路上。

图1(c)所示的为某AT牵引变电所，供电臂上存在AT供电方式+直供方式T接，在全并联AT供电方式下，第二AT段A点引出一条长度为L2的联络线。正常情况下，当故障距离指示在A点附近时，故障点精确位置不能确定。

图1 3种常见的特殊接线形式

在上述特殊分叉之后的支路出现接触网短路故障时，采用传统的故障测距方法，无法准确判断具体的故障点。例如：xx年x月x日，某变电所采用图1(b)的接线方式，故障跳闸后，其测距大于A点的距离，因无法精确确定故障范围，现场故障排查范围扩大，排查时间、人力、物力大幅增加，因此有必要研究这种特殊情况下准确的故障判别方法。

2 跳闸数据分析

分别对上述3种特殊供电方式下，各支路的短路接地数据进行分析。(针对上述3种特殊供电方式，本文将对各支路的短路接地数据进行分析)

2.1 变电所上网处T接(含AT供电以及直供)短路数据分析及判断

图2 变电所上网处T接的AT测距法

如图2所示，变电所处无分相，供电臂L1段长度为4.43 km，L2段长度为10.99 km。L1末端为1号分区所，L2末端为2号分区所。正常运行的供电方式为全并联供电方式。

2.1.1短路点在d1点处的测距数据

采取AT供电方式，1号、2号分区所上下行并联开关以及AT变投入运行。如图2所示，故障点设置在d1，离变电所3.37 km，模拟上行T-R短路故障。根据试验数据绘制各所电流如图3所示。

图3 AT运行上行d1点的短路电流分布

结果分析：变电所吸上电流Iat0=3 285 A，1号分区所吸上电流Iat1=3 315 A，2号分区所吸上电流Iat2=584 A。1号分区所的吸上电流大于2号分区所的吸上电流。同时，故障侧的分区所It1电流方向与其他的电流方向相反，非故障侧的馈线电流方向一致。故障点靠近吸上电流大的1号分区所侧。采用上下行电流比测距，误差475 m。

2.1.2短路点在d2点处的测距数据

如图2所示的d2点。采取AT供电方式，1号、2号分区所上下行并联开关以及AT变投入运行。故障点设置在d2点，离变电所4.33 km，模拟上行T-R短路故障。根据短路试验数据绘制各所电流流向如图4所示。

图4 AT运行上行d2点短路电流分布(单位：A)

结果分析：通过吸上电流的大小判断故障点所在方向。变电所吸上电流Iat0=3 320 A，1号分区所吸上电流Iat1=1 008 A，2号分区所吸上电流Iat2=2 317 A。2号分区所侧的吸上电流大于1号分区所侧吸上电流。即故障点靠近吸上电流大的2号分区所侧。同时，故障侧的分区所It1电流方向与其他的电流方向相反，非故障侧的馈线电流方向一致。采用上下行电流比测距，误差200 m。

2.1.3 直供方式下的测距数据

如图5所示，采取直供方式供电且分区所开环。故障点设置在d2处，模拟上行T-R短路故障，根据试验数据绘制各所电流。

图5 直供运行上行d2点短路电流、电压分布

结果分析：直供方式下短路时刻两分区所内的母线电压(TF合成一次值)存在不同，通过供电臂各自末端分区所内采集的母线电压大小来判别故障所在的方向。2号分区所母线电压Utf=13.69 kV(TF合成电压)，小于1号分区所母线电压：19.43 kV，故障侧的母线电压明显偏低。采用电抗法测距，故障测距误差523 m，基本满足要求。

2.1.4 综合判断方法

在AT供电T接方式下，除需要判断故障类别(T或F或TF)、故障行别(上下行)外，还要判断故障点所在方向。具体总结归纳如下。

AT运行方式下，由于投入AT变，则变电所和分区所存在吸上电流，其中一个值最大，且短路故障侧分区所的吸上电流大于非故障侧分区所吸上电流。通过对比可以判断故障方向和辅助判断是否属于TF型故障。

AT运行方式下，小所电流方向不同。非故障侧分区所，上、下行馈线T线、F线电流的流向相同，均为同时流出或流进分区所；故障侧分区所则有三电流流向相同，另一个相反。通过对比可以判断故障方向。

AT运行方式下，比较变电所两侧分区所上、下行馈线的T线、F线电流，存在电流最大值，且最大电流出现在故障侧的分区所。通过对比可以判断故障类别和行别。

AT或直供开环运行方式下，短路故障发生时，故障侧分区所内采集的上、下行馈线电压Utf电压低于非故障侧分区所电压。通过对比可以辅助判断故障方向。

2.2 直供方式下T接线路的短路数据分析

该供电方式下，变电所到A点的距离为15.81 km，A点到分区所的距离为6.19 km。A点到联络线分相处的距离为6.54 km。如图6所示，d1所在支路有分区所，d2所在联络线支路无分区所。当故障测距测得故障点的距离小于15.8 km时，即在d3支路上的短路点，故障点容易判别。当大于15.8 km时，故障测距无法判断故障点是在d1支路、还是在d2支路上，因此判别的关键点是区分故障所在的支路。

图6 直供方式下的T接电流分布

d1点发生短路时，根据线路阻抗分布，属于分区所的近点短路，流过分区所的故障电流较大(1 460 A)，因d1故障点靠近分区所侧，故分区所母线电压较低(3.17 kV)。

当故障点在d2处，故障点至分区所线路，从分区所侧看故障点d2的回路阻抗大大增加，相当于分区所远端故障，因此过分区所的电流较小(964 A)，其母线电压相对较高，如图6所示(7.89 kV)高于故障点在d1处的电压。

综合判断方法：当故障距离小于分叉点的距离，则采用正常测距，直接按照故标指示点进行排查。当故障距离大于分叉点离变电所的距离，则需要判别故障点所在支路。判别方法：正常供电臂上末端设置了分区所，而另一联络线支路没有设置分区所，其末端电压无法测得，故只能通过有分区所的母线电压的高低来判别故障在哪一条支路上。即：当保护装置测量距离Lx>LA，且分区所内母线电压值U<4 kV(根据历史跳闸数据以及短路试验数据确定经验值)，则判断故障在d1支路，否则在d2支路。

2.3 AT+直供方式下T接混合供电短路数据分析

如图7所示，供电臂分两个AT段，在第二AT段中间A点T线引出分支作为联络线。其中L1：5.56 km，L2：5.5 km，L3：5.38 km。正线为全并联AT供电方式，引出的联络线为直供方式。

在全AT并联方式下，当故障测距提供的测距超过A点的距离，则故障肯定在L1支路上。属于正常的AT供电方式下故障点在第二AT段的故障。

而当故障点发生在直供的联络线上时(如d2点等)，因供电臂测距装置采用AT测距法，A点在正中间位置，L1与L3长度相当，因此吸上电流比均在0.47～0.50。对应的计算公里标均显示在A点(其公里标：K1607+101)，表1为历史跳闸数据的统计归类。

图7 AT+直供方式下，故障点d1电流分布

表1 历史跳闸数据的统计归类

综合判断方法：故障测距提供的距离超过A点700 m(根据历史跳闸提供的经验值)以上时，则故障点在第二AT段的L1支路上。因AT供电测距都是按短路电流分布进行测距计算，在联络线上发生短路接地故障时，短路接地电流都是流到A点后再进行电流分布，所以联络线上任一点短路接地时，计算出来的公里标永远指在A点的公里标。

故障点在L2支路联络线上的判别条件：①故障测距提供的故标在A点附近；②故障类型为T线故障。上述条件均满足要求，则故障点在A点引出的联络线上或附近的正线上。但离A点的距离则无法判断，只能扩大排查范围。

3 建议措施

上述3种特殊接线方式的故障测距判别非常重要，一旦判断有误将无法及时查找到线路上故障点，同时还会增加不必要的人力物力。

在AT牵引供电T接联络线出现短路故障时，在AT供电方式下，可采取通过对比吸上电流大小判断故障方向和辅助判断是否属于TF型故障；通过两个分区所故障电流流入流出方向可以判断故障方向；通过两个分区所8个故障电流大小可以判断故障类别和行别；通过分区所母线电压大小可以辅助判断故障方向。同时，测距采用上下行电流比法计算故障距离，统计目前发生的4次跳闸，都能非常准确的分析判断故障方向、行别和类别，且4次跳闸故障测距误差最大0.48 km，上述数据完全满足跳闸分析判断的要求。

在直供方式下的T接联络线的供电臂发生故障时，测距小于T接点，按常规方式排查；测距大于T接点，则可辅助通过有分区所的母线电压值的大小来综合判别故障在哪一条支路上，优先排查疑似故障线路；测距在T接点1 km范围内，则相对应两个故障公里标的正线和T接回路都要进行排查。

在AT+直供方式下T接联络线混合供电方式线路发生故障时，若测距距离在分叉处正负1 km范围内，且为T线故障，则在分叉处正线和联络线全线进行排查。若测距距离在分叉处正负1 km范围外或为F线故障，则在正线进行排查。

目前，这几类特殊线路还是普遍存在，给运营管理单位日常故障处理带来了不小困扰。因此建议在设计之初应考虑此类线路的故障判别，比如：在联络线增加测距装置、线路末端增加母线电压的采集装置、在分叉口设置故障指示器等措施予以解决。

4 结语

在供电枢纽、线路所等区域往往存在不同种类的线路T接方式，采用目前的测距方法存在较大的误差。针对这一情况，分别对AT牵引供电T接联络线、直供方式下的T接联络线、AT+直供方式下T接联络线出现短路故障情况进行分析，提出了3种对应的综合判断方法，并验证了该判据能准确反映故障的方向、行别和类别，其最大故障测距误差也能满足跳闸分析判断的要求。对将来的设计提出在联络线增加测距装置、线路末端增加母线电压的采集装置、在分叉口设置故障指示器的具体改进建议。