高速電氣化鐵路綜合故障測(cè)距分析

郭黎曼

0 引言

高速電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)通常采用上下行并聯(lián)的AT牽引供電系統(tǒng)模式，故障點(diǎn)標(biāo)定采用“AT中性點(diǎn)吸上電流比原理”。由于大多數(shù)高速牽引供電系統(tǒng)變電所采用 V/v或單相變壓器接線方式，在變電所饋線處沒(méi)有自耦變壓器，因此，在自耦所（以下簡(jiǎn)稱 ATP）和分區(qū)所（以下簡(jiǎn)稱 SP）之間的故障點(diǎn)標(biāo)定比較準(zhǔn)，而在牽引變電所（以下簡(jiǎn)稱SS）與ATP之間的故障點(diǎn)標(biāo)定不準(zhǔn)確。筆者認(rèn)為，由于變電所饋線處沒(méi)有自耦變壓器，只能用一定的計(jì)算方法間接獲得變電所處的“中性點(diǎn)”電流，因此，“AT中性點(diǎn)吸上電流比原理”很難做到精確標(biāo)定。而有針對(duì)性地尋找高速牽引供電系統(tǒng)AT故障點(diǎn)標(biāo)定方法是問(wèn)題的關(guān)鍵。鑒于高速電氣化牽引網(wǎng)供電臂在變電所母線處的上下行T線和F線并聯(lián)運(yùn)行，如果在SS至ATP之間發(fā)生牽引網(wǎng)對(duì)軌道短路，SS母線處的電壓是相等的，那么，能否根據(jù)變電所處的上下行電流之間的關(guān)系，判斷短路故障點(diǎn)的位置呢？鑒于當(dāng)故障點(diǎn)發(fā)生在 ATP至SP之間時(shí)，利用傳統(tǒng)的“AT中性點(diǎn)吸上電流比原理”即可，所以，只要解決SS至ATP之間的故障點(diǎn)標(biāo)定問(wèn)題，整個(gè)牽引網(wǎng)的故障點(diǎn)標(biāo)定問(wèn)題就迎刃而解了。

1 故障點(diǎn)標(biāo)定計(jì)算公式推導(dǎo)和分析

在SS饋線T線和F線上均設(shè)置電流互感器和相應(yīng)的電流采集模塊（圖 1）。當(dāng)線路上有電流通過(guò)時(shí)，電流采集模塊均能檢測(cè)到電流，并將信息上傳到綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，用于SS至ATP之間的短路故障分析。

圖1 牽引網(wǎng)供電系統(tǒng)示意圖

在SS至ATP之間的短路故障一般有T線對(duì)F線故障、F線對(duì)地故障和T線對(duì)地故障3種方式。根據(jù)后續(xù)的公式推導(dǎo)和分析，如果能夠解決T線對(duì)地短路和F線對(duì)地短路，那么T線對(duì)F線短路可以通過(guò)T線短路判據(jù)或F線短路判據(jù)獲得。

（1）SS至ATP之間發(fā)生T線對(duì)地短路的故障點(diǎn)標(biāo)定分析。

假設(shè)故障處于SS與AT之間，設(shè)短路點(diǎn)距離SS母線Xkm，則：

式中，R為短路點(diǎn)處的接觸網(wǎng)對(duì)地短路電弧電阻；Z為回流線單位長(zhǎng)度阻抗；I2為非故障側(cè)變電所T線向故障點(diǎn)支援的短路電流；I3為故障行AT所中F線電流；I1為SS故障行F饋線電流；D1為SS至ATP之間的距離。

由式（1）和式（2）可得：

由式（4）可得：

（2）F線和TF線牽引網(wǎng)故障點(diǎn)標(biāo)定分析。

式（5）分析了SS至ATP之間發(fā)生T線短路時(shí)，短路點(diǎn)至SS母線之間的距離，根據(jù)牽引網(wǎng)的特點(diǎn)，SS至ATP之間發(fā)生F線短路，以及TF短路時(shí)，公式與T線的相同。從式（5）可知，只要能夠獲得SS上下行饋線電流和SS至ATP之間的實(shí)際距離，就能獲得短路故障點(diǎn)與SS之間的距離。

2 ATP至SP之間牽引網(wǎng)故障點(diǎn)標(biāo)定

顯然，如果短路點(diǎn)發(fā)生在ATP和SP之間，則變電所處上下行饋線電流基本相等，此時(shí)，應(yīng)能判斷出，故障點(diǎn)在ATP和SP之間。由于兩所之間存在自耦變壓器，很容易獲得中性點(diǎn)電流值，可利用“AT中性點(diǎn)吸上電流比原理”求得故障點(diǎn)距離ATP的距離。當(dāng)ATP和SP之間發(fā)生短路，短路點(diǎn)距離變電所Lkm，則測(cè)距公式：

式中，L為故障點(diǎn)距SS的距離；D2為ATP與SP之間的距離；I4，I5分別為ATP的AT與SP處的AT中性點(diǎn)的吸上電流；Q1，Q2分別為ATP與SP的整定值；K1，K2分別為ATP與SP處的電流分布系數(shù)，范圍根據(jù)站場(chǎng)情況可調(diào)整。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間線路K= 1.0。

3 工程實(shí)施性分析

根據(jù)上面的分析，如果在SS、ATP和SP分別設(shè)置電流采集模塊，同時(shí)具備 GPS對(duì)時(shí)功能，變電所的電流采集模塊主要采集饋線T線和F線的電流，ATP和SP處的電流采集模塊主要采集自耦變壓器中性點(diǎn)電流。該電流均可通過(guò)以供電臂為單元的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)或SCADA網(wǎng)上傳至牽引變電所綜合自動(dòng)化后臺(tái)機(jī)或控制中心電力調(diào)度系統(tǒng)，根據(jù)推導(dǎo)的公式進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果基本滿足精度要求，同時(shí)不需要再為故障點(diǎn)標(biāo)定系統(tǒng)鋪設(shè)獨(dú)立的通信網(wǎng)絡(luò)，即大大節(jié)省了工程造價(jià)。

京滬高鐵無(wú)錫牽引變電所為AT供電方式的變電所，牽引變壓器暫采用三相V接線形式，AT距牽引變電所10 km，根據(jù)一次的短路故障點(diǎn)標(biāo)定數(shù)據(jù)可知，下行T線短路電流7 413 A，上行T線707 A，下行短路點(diǎn)距離SS距離為1.78 km，短路點(diǎn)在SS和第一個(gè)ATP之間。根據(jù)式（5）驗(yàn)算，故障點(diǎn)距離SS的距離為1.74 km，誤差為0.04 km。由此可知，該做法簡(jiǎn)單易行，且無(wú)需增加新的故障點(diǎn)標(biāo)定裝置，因此具備工程可實(shí)施性。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)分析可知，由于高速電氣化鐵路采用牽引網(wǎng)上下行并聯(lián)供電，給故障點(diǎn)標(biāo)定帶來(lái)麻煩，因此，很難通過(guò)一種通用的工程可實(shí)施的方法解決這一問(wèn)題，而通過(guò)分段標(biāo)定的方法并未增加工程造價(jià)，卻能滿足標(biāo)定的精度要求，值得深入研究。

[1]高仕斌，賀威俊.AT 供電牽引網(wǎng)微機(jī)故障測(cè)距系統(tǒng)的研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，1990，12（4）：23-35.

[2]顏文祝，石瑞霞，黃寶權(quán).全并聯(lián)AT 供電網(wǎng)絡(luò)的電氣特性分析及其故障測(cè)距方法的研究[J].交通運(yùn)輸工程與信息學(xué)報(bào)，2007.1（5）：14-20.