铁路10 kV电力线路故障在线监测技术

常丽平

（中铁二十二局集团电气化工程有限公司，北京 100043）

0 引 言

在10 kV铁路电力线路的运行过程中，一旦出现了设备故障等情况，将会对铁路供电造成不利影响，严重情况下甚至会影响到铁路的正常运行，并对其安全性造成一定程度的威胁。而在传统的10 kV铁路电力线路故障监测中，因为架空线路的电缆比较复杂，故障点很难及时发现，所以检修过程中将会耗费大量的时间，进而对铁路交通的正常运行产生很大程度的阻碍。基于此，在当今计算机技术与信息技术的不断发展中，10 kV铁路电力线路故障在线监测技术的应用研究需得到进一步加强，以此来实现10 kV铁路线路故障的实时监测。

1 10 kV铁路电力线路故障在线监测系统的构成与应用原理

对10 kV铁路电力线路故障进行监测的过程中，在线监测技术主要通过相应的系统形式来加以应用。在该系统中，无线通信技术、网络信息技术以及很多的新型材料与技术等实现了有机融合，可以实时对10 kV铁路电力线路的具体运行情况进行智能化的在线监测，主要的组成部分包括故障提示装置、太阳能通信装置以及管理主站。

在通过该系统进行10 kV铁路电力线路故障的在线监测过程中，主要借助于监测终端来监测铁路线路的运行故障信息，包括电场信息、温度信息、线路负荷、接地故障以及短路故障等，然后再借助于无线射频技术将采集到的信息传输给太阳能通信主机，最后通过通信主机中的GPRS网络将这些信息传输给管理主站的服务器[1]。在服务器接收到这些信息之后，会通过相应的软件对其进行处理，这样便可实现故障信息的显示和报警。在此过程中，工作人员可借助于交换机来进行报警信息的转发，让维修人员可以第一时间到达故障现场来进行维修，防止故障扩大对10 kV铁路电力线路运行的不利影响[2]。

2 系统应用分析

2.1 故障显示装置的应用

在该系统中，故障显示装置是其核心部分，该装置的主要组成部分包括检测电路和故障分析电路。借助于新型的无线通信技术及小电流自取电技术，可以实时监测10 kV铁路电力线路中的接地暂态电流、线路负荷电流、零序稳态电流、对地线路电流以及导线温度等，并借助于相应的计算来确定出故障点位置，然后将相应的故障信息传递给太阳能通信主机，再借助于GPRS在太阳能通信主机和系统主站之间建立起双向通信关系[3]。

2.1.1 故障类型

目前我国10 kV铁路电力线路应用的大多是销弧线圈接地或者是不接地形式的小电流系统，所以在具体运行中，其主要的故障类型有单相接地、两相接地、两相短路以及三相短路4种。在这些故障中，发生频率最高的是单相接地，这种故障可达到10 kV铁路电力线路故障总数的80%以上。在出现永久性单相接地故障的情况下，由于故障电流很小，信号很弱，从而加大了故障定位的难度[4]。10 kV铁路电力线路单相接地故障示意如图1所示。

图1 10 kV铁路电力线路单相接地故障示意图

2.1.2 监测方法

在当今，10 kV铁路电力线路单相接地故障的主要监测方法有首半波法、谐波方向法、信号注入法以及零序电流法等。而通过国内外大量的试验与研究发现，任何一种单一形式的检测方法都难以获得到理想的检测效果，所以在具体的在线监测技术应用过程中，需要通过多种技术相结合的方式来进行监测。就接地瞬间电容电流和电压出现的首半波相位对比来看，可通过多重判据来判断其接地故障，具体情况如下。

对接地瞬间电流和电压的首半波进行采样，并对其相位进行对比，如果采样这一瞬间的电容突然增加超过了极限值，且这一瞬间的电压首半波与其相同，那么说明该电容电流来源于接地放电，由此可判断接地故障。在电容电流出现的情况下，发生故障的导线将会出现对地电压下降现象，此线路依然处在供电状态中。

在此过程中，可通过瞬时信号法判断上述现象，这样便可让接地故障的判断更加准确，不仅让故障检测实现了准确性和灵敏度的显著提升，而且同时也实现了判断可靠性及抗干扰能力的提升，使接地故障得以及时发现和解决[5]。

2.2 太阳能通信主机的应用

在整个在线监测系统中，太阳能通信主机相当于核心传感器和系统主站之间进行信息交互的一座桥梁，借助于短距离形式的无线射频技术可以实时接收来自于故障指示装置中的数据，在通过相应的分析和处理后将数据通过GPRS传递给系统主站，让太阳能通信主机和系统主站之间实现良好的远程无线连接和数据传输效果。太阳能通信主机为太阳能供电，同时也进行了可充电形式的免维护蓄电池设置，以此来保障系统的持续供电效果[7]。

故障监测终端在10 kV铁路电力线路上挂装，以此来实现线路电场、温度、负荷、接地故障以及短路故障等信息的实时采集。太阳能通信主机中设置了射频处理单元，该单元可以接收采集到的数据，然后通过主处理单元处理接收到的数据，并控制其运算，这样便可以形成一套完整的10 kV铁路电力线路运行数据特征信息，然后再借助于GPRS将处理好的信息传送给主站服务器，从而实现和主站系统之间的信息传输。故障信息实时传递给主站，并由主站进行相应报警提示转发，为10 kV铁路电力线路故障的及时发现和及时解决奠定良好基础[8]。图2为太阳能通信主机的实拍图。

图2 太阳能通信主机实拍图

2.3 系统主站的应用

在整个10 kV铁路电力线路故障的在线监测系统中，系统主站是整个系统的监管中心。在系统主站中，整个线路的状态信息、所有设备的状态信息、历史数据、用户数据以及线路图等各种数据和图形都实现了全面整合。此外，在该系统的具体应用中，系统主站也可以实时监测线路的运行状态，并实时定位相应的故障。

该系统中，管理软件是故障分析与处理的核心，通过系统软件可全面分析10 kV铁路电力线路的断线、接地以及短路等各种运行故障，并对发生故障的区段进行准确定位，然后借助于短信报警、动态着色以及推屏等方式来及时发出警报信息，让检修人员第一时间了解到故障情况及其发生的位置，帮助检修人员快速准确地处理好10 kV铁路电力线路中发生的运行故障，以此来保障10 kV铁路电力线路的稳定运行。

具体应用中，系统主站可以根据10 kV铁路的具体分布情况来进行矢量图的绘制，且这些矢量图都可以进行缩放，监控界面主要通过其缩略图和实际监控图像之间的结合形式来达到动态监控效果。在有区段出现线路故障的情况下，缩略图上相应的位置会立即出现红色的故障点，而故障信息也会通过弹窗的形式显示出来，包括故障发生的区段、故障发生的类型以及故障发生的时间[9]。

在系统主站的综合监控中，主要的内容有变电站监控和线路信息监控。在对相应的线路进行点击时，便可查看其变电站和与之对应的线路矢量图。随着鼠标的上下滚动，图形可实现缩放，通过鼠标的左右键拖拽，可实现矢量图的平移，点击鼠标左键可实现故障指示装置当前状态的显示，所显示出的信息主要包括线路是否带电、线路故障状态、线路对地电场以及线路中的电流等，同时也可以提供设备安装位置、线路中故障电流以及线路运行电流等各项辅助信息，以此来帮助运维人员全面了解10 kV铁路电力线路的具体运行情况[10]。

对于线路中的设备，运维人员可通过观看系统主站图形界面上的各个安装点来判断，如果安装点闪烁，则说明相应位置的设备出现了故障，此时运维人员就需要立即到现场进行设备故障检修。在处理过程中，系统也会对其具体的处理步骤和方法做出详细记录，以便后续检查和处理中具备足够的数据支撑。在成功排除设备故障后，界面上相应的设备安装点也将不再闪烁。

3 结 论

在当今的铁路交通运输过程中，10 kV电力线路的正常运行是保障整体交通效果与交通安全的关键。但是在10 kV铁路电力线路的具体运行过程中，由于各方面因素的影响，使其很容易产生一些异常情况，若不能及时发现并解决这些异常便很可能引发一系列的线路和设备故障，进而为10 kV铁路电力线路的运行带来不利影响。因此，在10 kV铁路电力线路的具体运行过程中，电力部门一定要注重线路故障在线监测技术的合理应用，通过科学的监测系统来进行线路运行状况的实时在线监测。这样才可以及时发现相应的运行故障与异常，使其得到及时有效地解决，以此来保障10 kV铁路电力线路的正常供电，确保铁路交通运输的安全稳定进行。