接触网智能故障监测装置在铁路牵引网中的应用

李 翔

（中国铁路上海局集团有限公司上海高铁维修段）

0 引言

近几年，在铁路大发展的背景下，我国电气化铁路运营里程逐年攀升。随着国民生活水平的提高，人们对出行效率和舒适度的要求越发提高的背景下，电气化铁路尤其是高铁无疑是国家铁路战略发展的重中之重。由于接触网架设自然环境恶劣，且无备用线路，铁路接触网各类跳闸事件屡见不鲜，解决高速铁路接触网故障测距问题对保证铁路安全运行具有重要的意义，传统应用于电气化铁路的故障测距装置大多基于阻抗测距原理，由于受到过度电阻、系统运行状态的影响无法保证故障测距的准确性，因此找到一种新型的故障测距技术势在必行。

1 行波测距理论

行波测距的概念是20世纪提出，它根据行波传输理论实现线路故障测距，随着小波算法的提出和高精度GPS对时技术的实现，目前行波法测距已成为成熟的高压线路距离保护之一，行波法故障定位能从原理上克服阻抗法易受对侧系统运行阻抗、负荷电流、运行方式等因素影响的缺点，使得测距精度得以提高，本文主要采用D行波法对配电网经行故障测距。

行波故障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。在线路中安装行波检测装置，利用行波到达的两设备的时间差Δt进行故障点精确定位。

图1为行波法故障测距装置原理：m、n为行波故障测距装置，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为两设备（m和n） 之间的距离，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。可准确高效地计算出故障点距离设备两边的距离。

在两设备（m和n） 之间的距离L固定的情况下，影响行波法故障测距主要因素为Δt和波速v，m、n两装置采用高精度GPS对时，v为行波在输电线路上传输的速度，接近光速，因此行波法故障测距准确度高。由以上推导公式可以看出，线路发生故障跳闸时不受传统阻抗法过度阻抗的影响。

2 故障采集技术原理

由于接触网供电系统较为特殊，接触网线上为保证列车的正常运行不能悬挂传感器，因此接触网智能监测装置安装于接触网供电线上。接触网智能故障监测装置共包括如下几个单元：电流采集装置、电压采集装置、GPS天线、通讯模块等、以下主要从故障采集模块来讲解。

2.1 电流测量

电流测量分工频电流测量和行波电流的测量，其电流的测量单元采用罗氏线圈进行测量，由于罗氏线圈具有很好的通频带（0.1Hz～1MHz），可满足牵引网工频电流（50Hz） 和行波电流（10～100kHz） 的的测量，只要对放大回路进行高通低通频带选择，即可完成电流的测量，罗氏线圈放大示意图如图2所示。

以下为罗氏线圈的输入与输出特性

式中，e（t） 为输出电压，i1（t） 为被测电流信号，M为罗氏线圈于配电导线之间的电感，L、R0、C0和r分别为线圈自感、内阻、分布电容及积分电阻；i2（t）为积分电阻上的电流。

由于自积分电阻R0+r很小，因此对于行波来说WL≥R0+r，可知：

图3为罗氏线圈工频行波工作原理图。

2.2 电压测量

目前接触网智能监测装置针对电压测量只进行工频电压的测量，其采用电容分压结构，通过在监测终端外敷一薄层金属片，金属片对地电容为C1，C1根据文献［3］中估值，约为3pF，进入主板上固定电容为C2，约为0.1μF，C2进测量回路，C1C2组成串联分压电容电路，通过测量C2两端的电压，即可对线电压进行测量。

以下为电容分压的线电压计算公式：

由以上公式可知串联分压公式可满足对线路线电压的测量，图4为串联分压工作原理图。

由于接触网在没有列车经过时，线路处于负荷状态，当有列车经过时线路才有负荷电流，因此，对线路电压进行测量作为判定线路是否故障的依据。

3 故障验证

3.1 安装概况

本文以上海铁路局上海高铁维修段已安装接触网智能故障监测装置为例，接触网智能故障监测装置进行故障测距验证，图5为已安装线路线路结构及设备安装点。

如图5所示，本供电单元为AT供电方式，线路结构为上下行全并联。由于接触网的特殊环境，因此智能故障检测装置安装于牵引供电单元的供电线上，分别安装于牵引所供电线，AT所供电线和分区所供电线上，设备方向全部由所内朝向接触网线为正方向，对此供电单元实现全线故障精确定位。

3.2 故障概况

接触网智能检测装置安装后，线路于2019年4月3日线路发生跳闸，过流保护，断路器动作，重合闸失败，供电臂停电。接触网智能故障装置检测到分闸工频后快速对线路做出故障判定：利用故障电流法快速判断故障位于T线且第一段AT内。故障时刻工频电流图如图6所示。

由于接触网智能故障监测装置安装于接触网供电线上网点，且正方向同朝向于接触网线，依据发生故障时根据故障时刻短路电路方向和大小关系可判定此故障点位于第一段AT，即牵引所和AT所之间。利用故障时刻设备采集到的故障行波电流可快速进行故障精确定位。故障时刻行波电流图如图7所示。

对比故障时刻行波电流图亦可发现故障时刻行波电流牵引所较AT所大，因此可判定故障距离牵引所较近，对故障时刻两设备采集到的行波电流利用小波包变换求出故障时刻行波电流模极大值，此时利用模极大值可以求出故障行波达到两设备之间的时间差Δt，利用、式（1）～式（3）中关系可求出故障点距离牵引所6.502km，故障支柱为无锡新区-37#，故障公里标为K113.118。现场运维人员快速赶到无锡新区-37#附近，最终巡线结果为无锡新区-37#。接触网智能故障监测装置0误差，辅助接触网运维工作人员快速故障清除，减少线路被迫停电时间，实现经济效益。

3.3 历史故障对比

此27.5kV线路安装分布式检测装置后，线路发生多次跳闸，利用接触网智能故障监测装置对现场故障进行故障精确定位，巡线结果与故障对比如下表所示。

表 历史故障与巡线结果对比

利用历史故障进行对比发现利用接触网智能故障监测装置可以快速检测故障的同时也能定位精准，每次精确定位误差小于等于200m （2020.02.08故障除外），可实现现场故障的快速清除。 同时由于2020.02.08故障误差较大，对此进行分析发现，由于此供电臂为全并联AT供电方式，而由于本次故障为下行故障，接触网智能检测装置只安装于上行，因此需要上下行同时安装才可以实现全供电臂的精确定位。

4 结束语

1）由于分布式检测装置采集线圈采用罗氏线圈，其高频特性满足电力系统故障中大部分频率，不仅仅针对于稳态接地故障可实现精确定位，对于暂态接地故障，亦可实现故障预警，暂态接地故障的检测是配电网网络中的一大进步。

2）利用工频故障电流大小判定故障区间段，外加以行波判定故障位置，接触网故障智能监测装置目前在实验和运行过程中都取得较好效果，这表明接触网监测技术能很好地解决接触网网故障难题，在解决接触网网故障难题时具有一定的意义。

3）利用接触网智能故障监测装置对线路全线覆盖，当线路发生跳闸时，快速启动故障预警，定位结果辅助运维人员进行故障排查，合理的配置方案能减小智能故障测距误差，相比传统全线排查故障大大减少了线路被迫停运时间，减小现场运维人员工作力度，保证列车正常运行，从而实现经济效益。