带加强线的直供牵引供电系统故障测距分析

桂林峰

(蒙辽铁路客运专线有限责任公司，辽宁 沈阳 110025)*

接触网加强线是从牵引变电所引出的一条供电线，与接触线并联，每隔一定的间隔通过横向连接线连接起来，用以降低牵引网阻抗，延长供电臂长度，提高供电能力.在带加强线的直供牵引供电系统中，加强线多架设在铁路田野侧，易受外部树木、异物侵入引发事故，据不完全统计，有接近70%接触网跳闸事件，多源于加强线异物侵入.系统发生故障后，运维人员根据牵引变电所内综合自动化系统测得的线路阻抗值来进行故障定位，但该方法无法判断故障是位于加强线还是接触网上，对故障处理的效率造成一定影响.另外，为了在故障时能快速切除加强线，新的电气化改造工程或客专项目，设计单位都大大减少了加强线与接触网的并联点，这也造成了牵引变电所内综合自动化系统的阻抗值曲线多不规则曲线，无法快速查找故障点.本文对故障时刻接触网电流走向进行研究，通过电流方向判断故障线路，提出了适用于带加强线的直供牵引供电系统的故障测距辅助方案.

1 直供牵引网简介

随着几大高铁的正式开通、运营，中国牵引系统已达到世界先进水平，目前我国高速铁路主要采取全并联AT供电方式.但对于山区电气化铁路，由于其具有运行速度低、坡道大(往往为一面坡)、桥隧比例高、所址选择困难等特点，AT供电方式牵引变电设施较多，站前土建工程较大，运营维护难度也较大.通过分析，带加强线的供电方式在解决供电的同时，较AT供电方式节约大量资金，是解决山区大坡道大负荷供电需求的较为经济有效的供电方式[1].

加强线作为接触网接触悬挂并联的一条附加导线，其作用主要是提高接触网载流能力和线路末端电压.在车流量较大的电力牵引区段内，尤其是(全并联)直供牵引供电系统中，接触线和承力索的总截面积往往不能满足输电要求，需要用加强线来弥补悬挂截面的不足，同时降低接触网电能损失和电压损失[2].

带加强线的直供牵引系统牵引网主要由接触线、钢轨、回流线、加强线构成，如图1所示.加强线和接触线并联，每隔一定的间隔通过横向连接线连接起来.钢轨、回流线每隔一定距离进行一次横向连接，钢轨只能通过扼流变压器(或空心线圈)中点和回流线连在一起[3].

图1 带加强线直供牵引供电系统示意图

2 直供牵引网故障测距分析

2.1 行波法测距理论

双端行波定位是利用故障时刻线路电流、电压突然发生变化所产生的高频暂态行波达到两端的时差来确定故障点的位置.在线路中安装故障监测装置，利用行波到达的两设备的时间差Δt进行故障点精确定位.

Δt=|t1-t2|

(1)

(2)

(3)

图2为双端行波法故障测距原理：m、n为故障监测装置，t1为行波到达设备m的时刻、t2为行波到达设备n的时刻、L为设备m与设备n之间的距离，v为光速298 m/us，Xm为故障点距离设备m的距离，Xn为故障点距离设备n的距离.根据上述公式可准确的计算出故障点距离设备两边的距离.

图2 行波测距原理

根据以上推导方法可知：在两设备之间的距离L固定的情况下，影响双端行波法故障测距主要因素为行波到达设备的时间差Δt和波速v，目前故障监测装置采用高精度GPS对时，行波在输电线路上传输的速度稳定，接近光速，因此行波法故障测距准确度高，且完全不受传统阻抗法中过度阻抗的影响.所以行波故障测距目前已逐渐成为牵引供电系统中重要的测距手段[4].

2.2 直供系统接触网段故障分析

对于带加强线供电方式或AT供电方式的接触网，故障时刻仅通过行波法测得故障点的距离是不够的，还需要判断是加强线(正馈线)还是接触线故障，以此来辅助运维人员更好的进行故障处理.因此，本文在行波法的基础上进行一些改进，利用故障时刻工频来判断故障线别.

上下行并联直供带加强线接触网多架设在野外，环境恶劣，易受外部环境影响.而外在环境的多样性也容易引起牵引线路的接地短路故障.由于牵引供电系统为单相导线供电，发生短路接地故障时潮流方向单一，故障电流总是流向短路接地点，故障行等效电路如图3所示.

图3 单根加强线系统接触网故障

图中，I1为牵引所接触线上网处电流，I2为横连线电流，I3为分区所接触线上网处电流.

在上下行并联的情况下，当接触线发生故障时，故障行电流方向为本行牵引所流向接地点，与此同时加强线上的故障电流亦是从加强线流向短路接地点；另外一行的故障电流通过末端并联点流向短路接地点，此时接触网跳闸.对于故障行来说，其接触线和加强线电流方向相同，都是从牵引所流向短路接地点，而分区所处电流是由非故障行提供，方向为分区所流向短路接地点，规定设备正方向由所指向线，那么上图所示三处电流方向相同[4].

使用SPSS20.0软件对本文60例行手术治疗的老年骨科患者的指标数据进行分析,卡方检验,以%形式展开患者术后6h、术后12h、术后24h、术后72h认知功能障碍发生率,两组患者组间差异存在统计学意义以P<0.05展开。

2.3 带加强线直供系统加强线段故障分析

对于带单段加强线的上下行并联直供接触网，加强线直接从牵引所出，当加强线段发生故障时，接触网故障行等效电路如图4所示.

图4 单根加强线系统加强线故障

加强线段发生故障时，通过潮流分析，各处故障电流都流向短路接地点.在规定设备正方向的前提下，对于故障行来说，上图三处故障电流中，横连线处电流与接触线和分区所处上网点电流相反，具体推导过程与上一小结相同，不再赘述.

2.4 多段加强直供系统线加强线段故障分析

对于多段加强线的直供系统，当加强线段发生故障时，故障电流仍是流向短路接地点，各处电流方向如图5所示.其中，I1、I3分别为牵引所和分区所接触线上网处的电流，I2为加强线并联点处电流，I4为加强线末段横连线电流.此时规定I1、I3、I4的正方向为由所指向线，I2电流的正方向为牵引所指向分区所.故障发生后，通过I1、I3、I4判断故障是否位于加强线上(判断原则与单段加强线相同)，当故障位于加强线上时，再通过I2和I4来判断故障区段，若I2和I4同向则故障位于前段(即靠近牵引所段)，若I2和I4反向则故障位于后段(靠近分区所段).

图5 多段加强线系统加强线故障

3 直供牵引系统故障仿真分析

3.1 模型建立

在Matlab/Simulink搭建带加强线的全并联直供牵引网模型，牵引供电系统中牵引变电所为110kV，利用Matlab/Simulink中Simpowersystems中“3-Phaes Source”模块作为外部电源仿真模型[5].

带加强线的全并联直接供电方式采用27.5kV的单相供电方式，牵引变主变压器采用单相变压器，利用Simpowersystems中LinearTransformer模块：

本文目前只考虑电流流向问题，因此设定参数满足常规参数，不需要考虑发生短路接地时电流大小.带加强线段和接触网段目前只考虑自阻抗和互阻抗，其它暂不考虑，所以具体参数如表1所示.

表1 仿真参数 Ω/km

以上模块及模块参数确定完成后，将模型优化，对仿真模块进行封装.本仿真模型，供电臂长度为30 km，其中加强线总长20 km，分为两段，每段10 km.

3.2 仿真结果

经过Matlab/Simulink搭建出来的波形仿真出来结果如下：

对于单段加强线，线路检测点如图6.

图6 单段加强线故障电流流向图

单段加强线模型中，加强线长度为10 km，从牵引所引出.此时规定由所流向线路方向为电流的正方向，则测量点方向如图7所示.

图7 加强线故障

如图8所示，带单段加强线模型中，加强线长度为10 km，直供线段20 km，此时规定由所流向线路方向为电流的正方向[6]，则可由加强线段的故障电流方向来判定故障，若加强线段电流方向和接触网段电流方向相同则故障位于接触网段，若加强线段电流方向与接触网段电流方向相反，则故障位于加强线段.

图8 接触网故障

多段加强线模型中，第一段加强线长度为10km，第二段加强线长度为10 km，第三段线不带加强线长度为10 km，从牵引所引出.此时规定由所流向线路方向为电流的正方向，则测量点方向如图9所示.

图9 多段加强线故障电流流向图

该模型中，加强线总长20 km，分为两段，在中点处与接触线并联.规定电流正方向同上，则测量点方向如图10所示.

图10 接触网故障

图11、12为第一段、第二段加强线故障，从图中可以判定出加强线故障和接触网段故障，当存在多段加强线时，故障点位于后段加强线时牵引所出口设备采集到波形与第一段加强线波形完全重合，因此可以判定故障位于那段加强线[1].

图11 第一段加强线故障

图12 第二段加强线故障

由仿真结果可知，不同位置的故障可以通过监测点电流方向来进行判别.以上规律可与行波定位理论相结合，在实现故障定位的同时确定故障线别，能更好的指导运维人员进行故障处理.

4 结论

本文通过对带加强线牵引供电系统不同故障时故障电流的仿真分析，总结出判断系统故障线别的规律，解决了传统故障定位中无法区分线别的问题，并与行波定位理论结合，实现了带加强线直供系统的精确定位，有效减少接触网停电时间，提升了故障处理效率.另外，该结论还能够指导配置和优化接触网故障监测装置，节省投资.但实际使用效果需相关设备生产后结合现场环境、接触网分布情况与铁路部门现场试验进行验证.