接触网锚段对行波法测距的影响研究

郑 伟

（中国铁路郑州局集团公司郑州供电段）

0 引言

近年来随着中国高速铁路快速发展，截至2020年我国电气化铁路涉及18个铁路局，设计总里程7.2万公里左右。接触网供电线路露天架设在铁路沿线，自然环境恶劣，且无备用线路，接触网供电线路一旦发生跳闸，列车会出现中断运行情况，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。传统的接触网故障测距采用阻抗法，由于受到过渡电阻、系统运行状态的影响无法保证故障测距的准确性，随着20世纪80年代行波法的提出与各种信号处理算法的应用，行波法故障测距对接触网故障和指导接触网运维具有重大意义，而接触网线路由于线路结构特殊，接触网线路为单相供电系统，为保证供电导线的导高需采用坠坨下锚方式，由于下锚点的波阻抗不连续性导致行波法故障测距的精度受到较大影响。

1 行波测距方案

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。在线路中安装行波法故障测距装置，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，v为光速2.98×105km／s，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。

图1 行波传输过程

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渡阻抗的影响。所以行波法故障测距可作为接触网系统故障测距之一。

2 行波折反射规律

行波在输电导线上以接近光速的速度传播，当遇到波阻抗不一致的点时，行波会发生折反射，行波发生折反射的规律如图2所示。

图2 行波折反射示意图

对于任意一点的电压／电流行波前行波和反行波相加得到此点的电压／电流行波，而任意一点的前电压行波和前电流行波相除得到此点的波阻抗，反向电压行波除以反电流行波得到负的波阻抗，因此可得出在波阻抗不均匀的点行波发生折反射的规律如下：

3 锚段对行波法测距影响

锚段对行波传播的影响主要体现在：行波穿越锚段联结点时将发生折反射使波头上升速度延缓，以及故障点位于锚段分支线时将降低测距精度。

接触网供电线路结构特殊，目前结构采用单相供电，20～30km一个供电臂，末端采用分相进行供电隔离，保证接触网线路正常供电，图3为接触网供电结构简图。

图3 接触网供电结构简图

接触网供电线路本身单相供电，为保证线路导高平衡需使用承力索将接触网线悬挂。接触网导线受到温度变化时热胀冷缩会导致导线存在弧垂，而线路为保证导高平衡，需采用接触网线和承力索需采用下锚方式以保证线路正常运行，接触网线下锚示意图如图4所示。

图4 接触网线下锚结构图

为保证导高平衡采用分段下锚方式，此时下锚点波阻抗不连续，因此在此处行波会发生折反射从而导致行波经过锚段之后主波波头偏移的情况，对接触网的结构进行等效电路，如图5所示。

图5 等效接触网下锚折反射规律图

由于经过两次折反射，而末端总是为开路，因此行波在发生折反射后主波波头总是滞后，对接触网整条线路进行量化处理，由于接触网线路下锚总为从中间进行，因此取下锚的下锚线长度为75m，通过对接触网线路进行分析，接触网大概为平均3km一个下锚。

在进行双端定位的过程，往往是通过两端行波主波上升沿的拟合来进行定位，由于锚段的影响，该定位方法会带来一定的误差，为了更加直观地表述，可以利用斜角波来进行说明。

图6 中，实线为经过锚段后的实际波形，虚线为原始波形，Δt为行波来回一个锚段支线所需要的时间。

图6 过锚段后主波延时时间

由图6可知，对比原始波形，经过锚段后的实际行波不仅峰值点会变得滞后，其主上升沿也会变缓且滞后，理论上滞后时间为n倍的Δt（n为锚段个数）。因此，双端定位必须依靠两端行波的起始点进行定位，而由于接触网线路走廊复杂，断面内线路数量多，对地电容相对输电线路来说较大，行波起始时刻坡度本身就比较缓，在经过多个锚段后，其起始点可能淹没在噪声中难以辨别，而利用行波幅值或者上升沿的拟合来进行双端定位，会造成一定的定位误差，定位误差L＝nvΔt／2，其中，n为两端行波经过锚段个数之差，v为行波波速。接触网实际锚段分支为75m（1.5根支柱），行波在线路上传输速度取290m／μs，则每经过一个锚段，其幅值（主上升沿）则滞后0.51μs。因此，对于使用T线行波进行故障定位时，考虑到锚段影响，应对定位结果进行一定的修正，具体方法为：

1）根据故障时刻行波进行双端定位，得到故障点位置。

2）观察故障点位置距离两端的距离，以每3km经过一个锚段的规律确定两端行波经过的锚段数。

3）将离故障位置较远处的行波向后挪nΔt时间，得到新的故障点位置。

4 结束语

1）随着电气化铁道的比例逐步提高，我国对于牵引供电系统的稳定性要求越来越高，传统的阻抗法故障测距已无法满足接触网故障测距精度。

2）由于接触网锚段的影响使得行波电流／电压在传播时会发生折反射，从而导致行波发生变形。

3）由于接触网锚段长度固定，因此可将锚段对行波波头滞后进行线性计算，从而减小了锚段对行波法故障测距的误差，对牵引供电系统的稳定性具有重大意义。