提高合宁客运专线故障测距精度的研究与改进措施

张国栋 上海铁路局合肥供电段

电气化铁道牵引供电系统的能量传输是通过机车的受电弓和接触网的滑动接触来实现的，由于接触网的特殊性：主要表现在露天设置，对气候变化敏感、无备用性、机电复合性、负荷的不确定性和移动性，不可避免的会发生故障。而接触网作为牵引供电系统重要环节，担负着把从牵引变电所获得的电能直接输送给电力机车使用的重要任务。牵引网故障的精确定位对缩短抢修时间、提高运输效率将具有直接的影响。电气化铁道牵引网故障的精确定位一直是影响电气化铁道安全及其可靠供电的重要因素，也是影响电气化铁道实际运能的因素之一。先进的牵引网故障测距装置不仅能迅速找到故障点，而且还可以预测隐患故障，保证牵引网正常供电，是从技术上保证铁路安全、稳定和经济运行的重要措施之一，具有重大的社会和经济效益。

1 合宁线牵引供电方式

合宁正线采用AT供电方式，接触网上下行末端并联运行。AT供电方式如图1所示，牵引变电所主变输出电压为55 kV，经 AT（自耦变压器，变比 2：1）向接触网供电，一端接接触网，另一端接正馈线，中点接钢轨。接触网与正馈线对地电压分别为27.5 kV，且电位等值相反，在AF线下方还架有一条保护（PW）线，当接触网绝缘破坏时起到保护跳闸作用，同时亦兼有防干扰及防雷效果。AT供电方式牵引网单位阻抗约为BT供电方法牵引网单位阻抗的1/4左右，大大减小了牵引网的电压丧失和电能丧失，对通讯线路的综合防护效果要更好些。AT供电方式是目前高速铁路主流的供电方式，发展应用前景广阔。

图1 AT供电方式

2 目前故障测距方式存在问题

目前合宁线故障测距方式采取分段线性电抗逼近法，其基本原理是根据不同故障类型条件下计算的故障回路电抗与测量点到故障点的距离成正比，通过计算故障时测量点的电抗值除以线路的单位电抗值得到测量点到故障点的距离。分段线性电抗逼近法主要针对短路电抗为线性分段的供电线路，如DN（直供+回流)供电方式线路。

电抗逼近法设置简单，不过受过渡电阻的影响，存在准确度问题，且稳定性较差，误差大。据统计，目前合宁线测距误差最大为10.43 km、最小为2.32 km。主要原因为：（1）电力机车的投切产生大量谐波和非周期性分量，难以准确获得故障量的电压、电流信号；（2）机车受电弓对接触网的磨耗及相邻线路的负荷状态的不确定性等因素造成线路单位阻抗及其它特性的差异；（3）在含有串联补偿装置的牵引网中，发生故障要先切断补偿装置，较麻烦。

由于分段线性电抗逼近法存在种种问题，与现行合宁线AT供电方式不匹配，故障测距误差大且不稳定，因此有必要对合宁线故障测距方式作出改变。

3 AT牵引供电故障测距技术方案

针对AT牵引供电系统，目前应用较为成熟的故障测距原理主要包括"吸上电流比"测距原理，"上下行电流比"测距原理，AT解列为直供线路的"分段线性电抗"测距原理，针对特殊单线单AT段还有"吸馈电流比"测距原理。每种原理适应供电方式、故障类型、通信通道需求等都存在差异，需要针对具体线路特点和实际工程情况进行合理原理选择和装置配置。实际工程应用中AT牵引供电故障测距系统要满足以下条件的应用：

(1)供电臂提供有故标专用通道。

(2)供电臂无故标专用通道，只有远动通道。

(3)系统具备AT自动解列功能。

4 其它故障测距原理选择

由于合宁线采用接触网末端并联AT供电方式，短路电流的分布与常规AT方式有所不同，故"上、下行电流比"原理不适用。而"吸馈电流比"原理只适用"V型天窗"运行方式，单线单AT段的T-R，F-R故障测距，也不适用合宁线故障测距方式。此两种测距原理在此不做讨论。

目前客运专线实际应用中一般采用AT中性点吸上电流比原理。该原理适用范围广，适合单线、复线、全并联供电模式下的T-R、F-R、F-PW等故障条件下的故障测距，完全符合合宁线供电方式下的故障测距要求。

5 吸上电流比测距法

5.1 测距原理

"AT中性点吸上电流比原理"如下，牵引网故障时，如图2所示：

图2 吸上电流比故障测距显示图

注：图2表示故障点发生在第n个AT和第n+1个AT之间。

测距公式：

式中

L：故障点距变电所的距离。

Ln：变电所距第n个AT的距离，需要人为整定。

Dn：第 n个 AT 与第 n＋1个 AT 之间的距

离，需要人为整定。

In，In+1：分别为第n个AT与第n+1个AT中性点的吸上电流和，实际采集量。

Qn，Qn+1：与 AT 之间的距离、钢轨漏导、AT漏抗、馈线长短、钢轨联接导电情况等因素有关的系数，需要人为整定。

Kn，Kn+1：电流分布系数，范围根据站场情况可调整。对标准区间线路K=1.0。

5.2 测距过程

当AT牵引网发生故障后，变电所馈线保护启动的同时，通过通信通道下发一个数据采集命令，在故障电流切断前，同步采集每个AT中性点吸上电流，将每个AT中性点吸上电流通过通信通道传送到牵引变电所，比较各个AT中性点电流的大小，最大的两个电流所在的AT段即为故障点所在区段，再按测距公式进行故障点定位。

实现故障测距具体流程如下：

(1)若供电臂内发生故障，沿线电压降低，通过低电压元件启动各个AT站得数据单元进行AT中性点电流采集，一直持续到电流截断为止（电流截断由变电所馈线保护跳闸完成）。

(2)各AT站处的数据采集单元以电流截断前一个周波的采集数据计算出电流幅值，既消除衰减的直流分量，又保证同步。

(3)将各个AT站的电流幅值通过远动通道传送至调度端，由调度端选择两个电流最大的相邻AT中性点吸上电流进行故障点计算。

5.3 存在不足

(1)发生T-F短路故障时，故障点两侧AT吸上电流都很小，而且近似0，故AT吸上电流比原理不适用T-F短路的故障测距。

(2)运用AT变压器进行故障测距的装置，在进行整定计算时，牵引网阻抗采用的是运用单位阻抗乘以牵引网长度的计算方法，由于站场多股道，还有大桥、AT漏抗和钢轨对地泄露等影响，会影响测距精度，尤其是靠近AT站故障测距误差较大。

5.4 改进措施

(1)当发生T-F短路故障时，故障点两侧中性点电流一般都比较小，当确定系统发生了短路故障而所有的AT吸上电流都比较小时，即可以确定为发生了T-F短路故障。也可采用阻抗逼近法作为备用测距方式进行T-F短路故障测距。

(2)对AT漏抗和钢轨对地泄露等影响因素，施工改造时应尽量采用泄露电抗比较小的自耦变压器。也可采用公式进行故障测距结果的修正，从而达到满意的结果，修正公式如下：

L=K1C1+T

其中L为修正后的测距结果，C1为原始故障测距结果，K1、T为与各AT故障区段牵引网阻抗参数、AT漏抗、钢轨泄露等有关参数。

5.5 提高故障测距精度流程

运用AT中性点吸上电流比法进行提高故障测距精度的流程图如图3所示。

图3吸上电流比法故障测距精度提高流程图

5.6 可行性研究

(1)目前合武线设计采用AT中性点吸上比电流法，经过三年多实践，此测距方法证实精度较为准确可靠，故标误差基本在0.4 km之内，满足抢修要求。

(2)为实现每个AT中性点吸上电流比的同步采集，需要通信通道，合宁线可采用既有铁通信号信息通道进行改造。

(3)也利用AT站电压互感器测的电压，分别在各AT站构造一个低电压原件来启动AT中性点电流采集，各AT中性点电流按故障电流截断前一个周波来进行计算，就可达到同步，不必架设专用通道，节省了投资，也避免了因通道故障而使整个供电臂或局部区段不能进行测距。

6结论

通过上述分析，考虑到易用性、系统性和成熟性等因素，本文选择"AT中性点吸上电流比"测距原理作为提高合宁线故障测距的改进措施。合宁线故障测距系统的改造，对提高故障测距精度，实现故障的精确定位，保证故障抢修准确、迅速，保障合宁线供电设备安全稳定有着重要意义。