AT 供電牽引網(wǎng)故障測距仿真研究

楊豐萍，王喜燕

（華東交通大學電氣與電子工程學院，江西南昌330013）

接觸網(wǎng)故障的精確定位對縮短搶修時間、提高運輸效率將具有直接的影響。由于在輸電線路方面行波故障測距的研究已經(jīng)成功應用，因此接觸網(wǎng)的行波測距也成為了人們研究的熱點。文獻[1]對牽引網(wǎng)的T-R+NF供電電方式和AT供電方式下分別綜合A，C兩種測距方法進行了仿真研究，它們都是單端測距法，需要檢測從故障點反射回來的行波，但是牽引網(wǎng)遠比一般的供電線路復雜的多。如眾多的分支站場、頻繁的錨段電聯(lián)結(jié)、電力機車的運行等使得牽引供電線路的結(jié)構(gòu)更加復雜，導致行波的折射、反射以及透射相互干擾[2-3]，極大的增加了獲取有效故障行波的難度。但是D型行波測距法只需要獲取故障點向兩端傳播的初始行波波頭和故障點返回來的反射波，并且受線路及機車狀況的影響較小。當牽引網(wǎng)中存在分支站場時行波會在分支點產(chǎn)生反射并與故障點的反射波混在一起不易區(qū)分，在這種情況下基于檢測故障點反射波的單端測距法就不適用了，因此本文采用基于雙端的D型測距法很好地解決了這個問題。

1 D型測距法原理

作為雙端測距原理的D型行波故障測距法利用了線路內(nèi)部故障產(chǎn)生的初始行波波頭到達線路兩端檢測點的時間之差來計算故障點到保護安裝處之間的距離[4]。由于不需要檢測反射行波，因此其更適用于多分支站場和頻繁的錨段電聯(lián)結(jié)的接觸網(wǎng)行波故障測距，如圖1所示。圖中B為變電所的母線。

故障初始行波波頭從故障點向兩端母線傳播的所需要的時間分別為Tm和Tn，由圖我們可以得到下式

圖1 D型行波測距原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of D-type traveling wave ranging principle

式中：DmF和DnF分別為m端和n端母線到故障點的距離；L為線路mn的長度；v為行波傳播速。由上可知，只有故障發(fā)生在mn之間時此法才有效。通過上式可以得到m端和n端到故障點的距離

D型現(xiàn)代行波測距原理對兩端母線的時鐘要求非常高，它們必須保持同步。而現(xiàn)代GPS技術(shù)的應用使兩端的時鐘的精確度大大提高，時鐘的時間同步誤差平均不超過1 μs，極大的提高了測距的精確度。此種測距方法還需要判定是否為區(qū)內(nèi)故障[5]。在線路任一端通過比較由故障初始行波波頭所引起本端電壓和電流暫態(tài)分量的極性可以有效地識別出是線路正方向故障還是反向故障，即當且僅當系統(tǒng)故障在被檢測線路一端所引起的初始電壓和電流暫態(tài)故障分量具有反極性關(guān)系時判斷為正方向故障[6]。因此，在系統(tǒng)發(fā)生故障時，如果從被檢測線路的任一端看，該故障均表現(xiàn)為正方向故障，則該故障必然是本線路內(nèi)部故障，否則是外部故障。

2 接觸網(wǎng)的暫態(tài)過程

2.1 接觸網(wǎng)行波特點

牽引網(wǎng)中的短路故障主要是接觸網(wǎng)和鋼軌之間的短路故障，這也是最常發(fā)生的。在本文所搭建的AT接觸網(wǎng)短路模型中將接觸網(wǎng)和鋼軌分別作為兩相來處理，所以說接觸網(wǎng)和鋼軌之間的短路可以看作為是兩相短路，求解故障量時按照兩相短路來計算。由于兩相短路不存在零序電流的通路，所以故障電流很大。而接觸網(wǎng)供電的特點和電力輸電線路的雙端供電類似，因此可以看做是雙端供電的電力輸電線路[7]。當發(fā)生短路故障時，產(chǎn)生的故障暫態(tài)行波將以故障點位中心向兩端傳播。

而實際上由于分區(qū)所中保護裝置的動作時間小于行波到達測量點的時間，故初始行波波頭信號將先后到達測量點?？梢?，這種情況下行波的傳播方式與電力系統(tǒng)雙端供電的方式是一樣的，如圖2。

圖2 接觸網(wǎng)故障行波示意圖Fig.2 Schematic diagram of catenary fault traveling wave

2.2 暫態(tài)信號的提取

無論是直流供電、AT供電、BT供電還是其它供電方式，牽引變電所都是向復線上下行接觸網(wǎng)并聯(lián)饋電，并且上下行供電臂的末端并聯(lián)。當發(fā)生短路故障時斷路器斷開，之后很短的時間內(nèi)重合閘再次閉合。如果只是瞬時性故障重合閘重合成功。如果是永久性故障重合閘則會再次斷開，這也是本文研究的主要狀態(tài)。當然重合閘的過程也會產(chǎn)生暫態(tài)行波這將對行波故障測距產(chǎn)生一定的影響。由于此過程相對較復雜本文暫時沒有考慮這種情況，待以后研究。和普通輸電線路暫態(tài)過程不同的是牽引供電系統(tǒng)中除了合閘、雷擊外機車的停啟等因素也會產(chǎn)生有許多的高次諧波及干擾信號，相比而言牽引供電系統(tǒng)的暫態(tài)過程更為復雜這也對行波保護在接觸網(wǎng)中的應用制造了障礙[8]。行波信號的頻率在10～100 kHz之間，如何在大量的暫態(tài)信號中排除干擾獲得有效的行波信號成為了接觸網(wǎng)行波保護重中之重，而小波變換法很好的解決了這個問題。

小波變換法是根據(jù)行波信號在其小流變換下的模極大值實現(xiàn)故障測距一種算法[9]。它的理論依據(jù)是由故障點產(chǎn)生的或線路開關(guān)合閘產(chǎn)生的初始行波、故障點的反射波、對端母線的反射波、噪聲信號等在不同尺度下的小波變換都將呈現(xiàn)模極大值，根據(jù)不同尺度下的小波變換模極大值及其變化，并與接于同一母線的健全線路行波波形相比較，可以有效地識別出來自故障點初始行波和反射波，以實現(xiàn)故障測距。小波變換法被認為是有效的方法之一。

3 仿真及分析

在ATPDraw建立模型時忽略了線路之間的電磁耦合，整個牽引網(wǎng)分別按三相架空線的JMarti模型建立，接觸網(wǎng)和承力索作為一相兩分裂導線，鋼軌作為一相兩分裂導線，回流線作為一相導線。供電臂長為30 km，每隔10 km設置一個AT所。

3.1 無站場時的仿真結(jié)果分析

檢測點分別安裝在供電臂的兩端母線m、n處，當距離牽引變電所6 km處發(fā)生短路故障時，通過仿真得到的短路電流如圖3所示。由圖3可以看出初始行波波頭的到達時刻點分別652點和726點，本文所取的行波波速為光速，采用D型雙端測距法計算得到故障點離牽引變電所的距離為6.018 km。

如果采用A型單端測距法（如圖4所示），就需要檢測有故障點反射回來的行波波頭，由仿真得到初始波頭和故障點第一次反射波頭到達時刻點是66點和71點，經(jīng)計算得故障距離為5.929 km。

圖3 6 km故障時D型測距法仿真波形Fig.3 6 km fault simulation waveform of the D-type ranging method

圖4 6 km故障時A型測距法仿真波形Fig.4 6 km fault simulation waveform of theA-type ranging method

經(jīng)過大量的仿真實驗得到在無站場的情況下A型和D型測距法測距結(jié)果如表1所示。

3.2 有站場時的仿真結(jié)果分析

當線路上存在分支站場時的故障電流波形及其小波分析，如圖5所示。從圖中可以看到由于分支站場的存在線路中的反射行波變得非常復雜，再加之當故障超過線路的中點時還要區(qū)分對端母線的反射波，因此從眾多的反射波中提取第一次故障反射波難度很大。此時A型測距法就不適用，而D型測距法只需初始行波，各種反射行波對其沒有影響。圖5為存在站場時6 km出發(fā)生短路故障時的初始行波波頭到達測量點的時刻點仍然是652點和726點，計算得到故障距離同樣是6.018 km。經(jīng)大量仿真實驗數(shù)據(jù)分析，在存在站場的情況下對D型行波測距的結(jié)果基本沒有影響[10]，測距結(jié)果如表2所示。

表1 A型和D型測距仿真數(shù)據(jù)Tab.1 Simulation data ofA-type and D-type ranging km

表2 D型測距仿真數(shù)據(jù)Tab.2 Simulation data of D-type ranging km

圖5 存在分支站場時的故障仿真波形Fig5 Fault simulation waveform of branch station

4 結(jié)論

通過以上的仿真實驗我們可以得出，D型測距法更適用于牽引網(wǎng)的行波保護，從仿真數(shù)據(jù)也可以看出其故障測距的結(jié)果更為精確，最主要的特點是其不受分支站場以及頻繁的錨段電聯(lián)結(jié)引起的反射行波的影響，完全可以單獨使用。A型行波測距法受分支站場以及頻繁的錨段電聯(lián)結(jié)的影響很大，甚至無法檢測出有效的反射行波，如圖5所示，模極大值圖中的反射行波的幅值大小相差不大，無法區(qū)分出故障點、母線以及分支點的反射行波。不受過度電阻的影響是行波保護的重要特點，并且故障電壓相角對行波測距的結(jié)果影響也不大。當然故障電壓過零點時由于故障電流很小會對行波測距產(chǎn)生一定的影響不過此種情況的發(fā)生概率很小，還待以后研究。

[1]曹篤峰.電氣化鐵道接觸網(wǎng)行波故障測距研究[D].北京：北京交通大學，2007：12.

[2]毛志芳，和敬涵，周文.電氣化鐵道牽引網(wǎng)故障測距中行波法的應用[J].電氣時代，2006（1）：71-74.

[3]葛耀中.新型繼電保護和故障測距的原理與技術(shù)[M].西安：西安交通大學出版社，2007：7.

[4]李偉，王倩，劉超.行波法應用于復線牽引網(wǎng)故障測距的仿真研究[J].鐵道運輸與經(jīng)濟，2008，6（6）：89-95.

[5]楊毅波.超高壓輸電線路單端暫態(tài)量保護元件的研究[D].南昌：華東交通大學，2010：30-32.

[6]CHAOMING XIA，YIZHUANG HUANG.Study of algorithm based on the transient voltage signal transmission line protection[J].Electric Relay，2003（5）：5-13.

[7] ZHINONG WEI，YUPING ZHENG，Hua He.Subway remote short-circuit current analysis based on wavelet transform[J].Power System Technology，2003，15（6）：5-8.

[8]謝民.220 kV電網(wǎng)行波測距系統(tǒng)組網(wǎng)運行實踐探討[J].電力自動化設備，2010，30（5）：136-138，41.

[9]徐偉宗，唐昆明.基于導數(shù)法的故障行波波頭識別改進法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（1）：198-202.

[10]鄭州，呂艷萍，王杰，等.基于小波變換的雙端行波測距新方法[J].電網(wǎng)技術(shù)，2010，34（1）：203-207.