基于铁路10kV电力线路故障在线监测技术研究

中国铁路设计集团有限公司 张 莹

基于铁路10kV 电力线路故障在线监测技术是通过对电力线路运行参数和状态量的监测，实现对电力线路运行状态的监测与诊断，通过对状态量的分析及判断能够及时发现故障点并进行报警。在实际运行中，由于环境条件等因素影响很难做到全面、准确地收集到全部运行参数和信息[1]。

1 10kV 铁路电力线路故障在线监测系统的构成与应用原理

10kV 电力线属于城市交通电力网络的重要组成部分，由于其传输距离远，所以供电可靠性高。其具有以下特点：铁路10kV 电力线传输距离长，线路易发生故障，故障排查困难；电力线运行过程中需要通过电容、电感、电阻等元器件进行能量的转换和传递，如果这些元器件发生故障，则会导致整个电力线路出现故障，影响铁路运输的安全性。铁路10kV 电力线在实际运行过程中会受到外部环境和条件的影响，因此容易出现安全事故。在铁路10kV 电力线路出现故障的情况下，首先要对故障点进行定位。在实际工作中，可以采用感应电流法来实现对铁路10kV 电力线路故障进行检测和定位，这种方法不需要借助额外的监测设备就可以实现对电力线路故障点的监测和定位[2]。

10kV 铁路电力线路故障在线监测系统包括：检测单元、数据采集单元、数据处理单元、监控管理中心。检测单元：主要由10kV 电力线路故障在线监测系统的供电电源、数据采集单元、数据处理单元、监控管理中心构成。其主要作用是检测10kV电力线路出现的故障，并通过实时监测、自动报警等方式对故障进行排除，以保证铁路交通运输的安全；数据采集单元：主要由通信模块、数据采集模块、时钟模块等组成。其主要作用是收集电力线路运行过程中的数据信息，并将这些信息通过GPRS或者GPRS/CDMA 网络传输到监控管理中心，并对其进行有效处理，从而实现对电力线路运行过程中的故障进行远程诊断。

数据处理单元：主要由计算机和软件组成。其主要作用是对采集到的数据信息进行处理，并将处理后的结果通过GPRS/CDMA 网络传输到监控管理中心，以实现对铁路电力线路运行过程中的故障进行远程诊断；监控管理中心：主要由服务器、数据库、系统管理软件、软件开发工具包、图形用户界面等构成。其主要作用是将电力线路运行过程中采集到的数据信息进行处理，并将处理结果以图形界面的形式显示出来，从而实现对铁路电力线路运行过程中的故障进行远程诊断，同时利用数据库对数据进行存储和管理，并通过服务器将数据信息推送到计算机终端，以实现对铁路电力线路运行过程中的故障进行远程诊断。

在铁路电力线路故障在线监测系统的前端，需要安装各类在线监测装置，如电流互感器、电压互感器等；在服务器端需要安装各类数据库，如电力线路模型、数据库等；在监测终端则需安装各类传感器，如电流传感器、温度传感器等。电力线路故障在线监测系统的功能作用，主要是通过采集、处理数据来完成故障报警。

在线监测系统在铁路电力线路运行中的具体应用过程如下：首先，在铁路电力线路运行中，需要利用电流互感器将铁路电力线路的电压、电流数据采集下来；其次，当铁路电力线路发生故障时，通过电流互感器将电流数据传输到服务器端；最后，服务器端会将故障信息反馈到在线监测系统中，在线监测系统会对信息进行分析处理，判断出具体的故障类型并及时发出报警信号[3]。

2 故障显示装置的应用

2.1 故障类型

目前，我国10kV 铁路电力线路应用的大多是消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。单相接地故障是10kV 电力线路中最为常见的一种故障类型，其发生的频率较高，如果发生了单相接地故障，则会导致电力线路的绝缘保护失效，进而出现了整个系统被破坏的情况。单相接地故障的发生原因是多方面的，其主要可以分为两个方面：一是铁路电力线路在正常运行时出现了绝缘薄弱处，其会导致单相接地故障的发生；二是由于线路运行人员在工作中操作不当使得接地电流较大，从而造成了单相接地故障的发生。

当铁路电力线路中发生单相接地故障时，由于其电压值不是很高，其发生电弧放电的概率非常小，因此这种故障情况下的电力线路也就不会出现电弧放电。但由于在铁路电力线路中发生了单相接地故障，其会对系统中的其他设备产生较大影响，并且也会对铁路电力线路的正常运行产生严重的影响[4]。

图1 单相接地故障

两相接地：当铁路电力线路中发生单相接地故障时，当其三相电压值处于平衡状态时，由于中性点不接地，所以也就不会产生电弧，所以这种故障情况下的电力线路不会出现电弧放电。但在铁路电力线路中如果发生了两相接地故障，则其会在中性点出现接地电流，使得中性点电位升高，最终会使该线路的绝缘保护失效，进而导致电力系统出现故障。在铁路电力线路中发生两相接地故障时，其主要原因可分为以下方面：一是由于铁路电力线路中发生了两相接地故障，进而导致中性点电压升高；二是由于铁路电力线路中的避雷器以及电缆存在了过电压；三是由于铁路电力线路中存在的过电压引起的，同时也可以将铁路电力线路中的电缆绝缘击穿；四是由于铁路电力线路中存在的电弧接地引起的，并且在该故障情况下还会有弧光接地。

两相短路：铁路电力线路中发生的两相短路故障主要是因为电网中存在电容电流以及铁磁谐振现象，这种故障发生的频率相对较低，但是对于整个电力系统的危害极大，因此必须要引起足够的重视。在铁路电力线路中，由于其中性点采用的是消弧线圈，所以当发生两相短路故障时，其会在故障点产生较大的电容电流，而电网中存在的铁磁谐振现象则会使中性点出现零序电压，最终导致电网中的电流在瞬间达到很高的数值。

三相短路：当铁路电力线路中发生三相短路故障时，其发生的频率较高，并且会对整个电力系统造成较大的影响。通常情况下，三相短路故障主要是因为线路中存在着两个并联的变压器，或者是母线以及电容式电压互感器等设备，从而使系统中产生了铁磁谐振现象。

2.2 监测方法

10kV 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。首半波法是指当故障发生时，通过测量首半波的幅值以及相位来判断是否发生了单相接地故障。信号注入法是指通过向线路注入零序电流的方法，在线路故障点注入零序电流，判断是否发生了单相接地故障[5]。根据上述分析可知，10kV铁路电力线路单相接地故障在线监测装置的工作原理是：当10kV 铁路电力线路出现单相接地故障时，零序电流互感器中的信号会发生改变，从而使其内部的励磁绕组产生变化，通过测量励磁电流的大小可以判断出是否发生了单相接地故障。

基于上述分析可知，基于铁路10kV 电力线路单相接地故障在线监测装置中的零序电流互感器在采集回路中的零序电流数据时，需要对其进行特殊处理。首先，将采集到的零序电流数据通过高频信号发生器产生相应频率的高频信号；其次，将高频信号通过滤波器滤波处理；再次，将滤波后的高频信号经过整流电路转换成直流电压，并通过开关控制电路使其导通；最后，将该直流电压经过稳压电路后变成相应频率的交流电压信号，并通过相应的检测电路来判断该交流电压信号是否达到报警值。对于该装置来说，为了提高其检测性能和测量精度，需要在保证检测精度的前提下对其进行优化设计。

3 系统应用分析

3.1 太阳能通信主机的应用

太阳能通信主机通过光纤传输到线路故障在线监测系统的信号采集端，完成实时数据采集及传输。太阳能通信主机将采集到的现场数据通过光纤传输到远方监控中心，实现了电力线路的故障监测。太阳能通信主机采用双CPU 系统设计以保证数据采集和传输的实时性，系统采用模块化设计，各模块均有各自的功能。

其中，太阳能通信主机与监测终端之间的通信采用光纤网络，为保证数据传输的稳定性和实时性要求，光纤采用光电混合接口，并采用“1+1”冗余配置方式，即有一条光纤作为主干光纤、一条备用光纤作为后备光纤；太阳能通信主机与监测终端之间的通信采用CAN 总线。CAN 总线具有实时性、可靠性和开放性等特点，而太阳能通信主机与监测终端之间的通信主要是通过CAN 总线进行的，该方式具有实时性、开放性等特点。

OPC Server 是一种工业标准的企业应用软件，可以通过TCP/IP 协议与其他计算机或数据采集设备进行信息交换。在OPC Server 中可以方便地实现各种信息的采集、处理、分析、显示和存储等功能。GPRS 网络是一种面向全球开放的、可无限扩展和无限升级的无线数据传输网络，通过GPRS 网络传输数据可以实现远距离、高速、稳定的传输。

3.2 系统主站的应用

太阳能通信主机通过CAN 总线将采集的数据传输到主站，主站软件通过OPC Server 软件对数据进行处理，并根据分析结果在界面上显示出来，以便工作人员能够及时掌握电力线路运行状态[6]。

监控中心。可根据不同的需求设置不同的监控界面，包括各铁路区段故障监测系统界面、各铁路区段故障信息显示界面、各铁路区段设备故障信息显示界面等；状态评估。通过对电力线路故障进行分析，可判断出电力线路运行是否正常，状态是否存在异常情况；预警预报。利用太阳能通信主机采集到的电力线路实时状态数据和历史数据，结合线路实时运行情况进行分析和预报，以便于工作人员提前做好准备，保证铁路电力线路的安全稳定运行。

设备监测。利用太阳能通信主机采集到的设备运行参数数据对设备进行实时监测，并结合当前设备的运行情况，给出相应的设备检修建议；管理监控。利用太阳能通信主机采集到的数据对电力线路进行管理，包括对线路巡检情况、故障抢修情况等进行统计分析和管理；操作培训。利用太阳能通信主机采集到的电力线路故障数据和历史数据，通过OPC Server 软件对电力线路进行操作培训。在培训过程中，工作人员可以通过观察实时监测数据和历史监测数据了解当前电力线路运行状态，以便更好地应对各种突发事件。同时在培训过程中还可以学习到一些电力系统相关知识、了解一些专业术语等。

4 结语

铁路电力系统特殊性较强，其电力线路运行环境较为恶劣且维护成本较高，为保证铁路运输安全，对铁路电力线路的运行状态进行实时监测的意义非常重要。实践表明，基于太阳能通信主机的铁路10kV 电力线路故障在线监测技术，可以为铁路供电部门提供安全、可靠、准确的线路运行数据。