铁路10 kV电力线路故障测距技术研究

张辰光 张晓昆 王蝉瑞

(大秦铁路股份有限公司太原供电段，山西 太原 030013)

铁路10 kV电力线路故障测距技术研究

张辰光 张晓昆 王蝉瑞

(大秦铁路股份有限公司太原供电段，山西 太原 030013)

介绍了铁路电力10 kV中性点不接地系统的运行特点，并针对故障排查难点，总结了一种利用突变行波信号理论来分析排查线路故障点的方法，通过试验装置现场进行验证，为铁路电力10 kV中性点不接地系统故障点精准定位提出一种有效的深入研究方向。

铁路，电力线路，故障测距技术

1 10 kV铁路电力线路基本特点

10 kV铁路电力线路为铁路运输生产提供电力保障，其供电可靠性直接影响铁路运输的安全运行。铁路供电系统在构成和功能上存在有别于其他电力系统的特点，主要体现在以下两个方面：1)供电可靠性要求高。2)系统接线形式特殊。铁路供电系统中各配(变)电所沿铁路线基本均匀分布，并且互相连接，构成手拉手供电方式。铁路供电系统的特点又决定了其电力线路多在野外分布，线路供电点多且分散、供电臂长，线路周围环境复杂，多处山区、旷野，树木侵害，交叉跨越多，绝缘等级偏低，耐雷水平不高，易发生树害、雷害和损害等各类故障。由于远离城市及工作场所、交通不便、通讯不畅、环境复杂等，给故障查找带来很大困难。

2 传统的人工故障定位方式及其缺点

1)传统的人工故障定位方式。目前，铁路上对于电力线路查找故障的方法，采用的是人工二分之一试送法，依次进行试送操作，找到故障区间，然后在本区间内巡视或登杆检查，直到找到故障点为止。2)传统人工故障定位的方式缺陷。第一，故障定位困难、时间长、故障查找困难，人力、物力消耗大，一般都需七八个小时，停电故障延时直接影响铁路运输秩序。第二，故障定位方式对系统和用户冲击大。

3 铁路10 kV电力线路故障测距定位难度

第一，铁路10 kV电力线路为中性点对地绝缘系统。线路发生故障时，短路或接地阻抗均不确定。第二，铁路10 kV电力线路均为架空、电缆混合线路。导线材质有铝芯、铜芯、钢芯铝绞线等，线路电抗及接续电阻都不连续或固定，对于故障定位极为不利。第三，线路所带设备导致电参数分布不规律。

4 电力线路故障点判断的理论分析

1)突变行波的传输速度与线路对行波的阻抗。

一般缆线的波阻抗为10 Ω～100 Ω，架空线路的波阻抗为300 Ω～500 Ω。

2)突变行波在电缆和架空混合线路中的传播特点。

电缆和架空线路两者的波阻不同，电缆和架空混合线路连接处为波阻不连续点，行波在不连续点将发生反射和折射。

即距n端距离为：

理论上来说，此故障定位方法不受中性点不接地与接地方式的限制，也不受电缆与架空是否混合方式的限制，也不受线路是单电源辐射还是双电源互备运行方式影响，适合于铁路中性点不接地电力线路的故障定位要求。

5 研究试制故障测距定位装置

基于以上理论我们研究适合于铁路中性点不接地电力线路故障探测及定位的方法并通过试制装置加以验证。

1)装置构成。

装置主要分为传感、处理存储、网络、后台、授时五部分，各部分之间既有硬件的连接，又有软件上的数据交换，各部分又相对独立完成各自功能。

2)行波信号采集部分。

故障定位装置利用带电显示器来解决铁路电力线路行波测距装置中的行波信号提取方法，为铁路电力线路故障测距装置提供基本的条件。

对于50 Hz的工频信号来说，高压带电显示装置的等效电容为高阻状态，10 kV电压大部分都分配在此电容上。行波提取电路上仅有5 V左右的工频电压。当线路发生故障时，高达200 kHz～2 MHz的高频暂态信号以接近光速从故障点沿线路传输到配电室行波传感器位置时，由于电容对高频信号的低阻抗作用，约200 kHz的高频暂态信号容抗约为50 Hz工频信号时的几千分之一，绝大部分行波信号在电阻上形成高频压降，实现行波信号的有效提取。所以线路故障时的行波高频信号主要由电阻阻抗分压，本装置起到了理想的提取高频信号作用。

3)行波信号高速连续存储单元。

行波数据采集装置的采样频率一般要求高于500 kHz，使用常规的由微处理器直接控制模数转换器A/D的方式很难实现这个要求，因此，需要专门设计高速数据采集电路来记录线路故障行波数据，在高速数据采集电路捕捉到暂态数据后，CPU用较慢的速度读取此暂态数据，并将其存入由CPU直接控制读写的内存里，实现暂态行波数据的超高速采集。

4)行波信号处理运算单元。

突变量经过传感器采集到装置中时，信号非常弱，虽经过传感器的有效波形提取、选择，但仍然含有其他的干扰信号，所以需进一步有效提取出到达的初次突变信号，并将其与理论设定值进行比较、放大、数模转换、CPU逻辑运算，为两侧信号时间对比提供准确参数。其要达到仅仅突变信号被有效放大，并掌握好触发的门槛值，在灵敏度与抗干扰之间选择适合的平衡点，传输误差小等性能。

5)启动行波信号上送方案。

为在突变信号超过阀值判断后，仍可追溯突变信号发生的过程，就要求故障处理装置工作时，不论有无突变信号，都不间断在采集运行数据，并且将数据可靠存储。由于不间断记录数据的数据量大，所以在合适的时间段后，装置要自动对前段记录的数据进行运算处理，需要长期保存的保存，不需要长期保存的舍弃，需要上送到数据处理运算中心做判断的，就自动上送，并响应数据处理中心的数据请求。

6)后台数据处理流程。

故障定位装置要求收集A，B两侧测量到的故障行波波头到达时间，进行故障定位计算。故障定位软件采用技术成熟的C++Builder语言进行编程，对各种故障行波的情况进行综合分析，提出了一种可靠、准确、完整的算法。

后台软件的数据流程如图3所示。

7)高精度时钟授时方案。

利用GPS同步时钟的输出技术，解决两端行波测距装置1 μs的精确时间同步，以满足300 m以内的测距分辨率，2 μs的两端设置的时间同步精度。

6 实测结果情况

2012年7月23日，在故障测距定位装置成套研制完成后，我们在榆次、寿阳配电室进行现场安装。2013年5月17日，装置所安装的榆次—寿阳10 kV电力线路发生瞬时性故障，装置在故障瞬间启动，实现故障瞬间高频行波的采集、运算处理、记录。通过软件运算，我们得出本次故障距榆次配电室约21.55 km，经与设备台账及现场巡视检查结果对比，基本相符。

7 结语

根据铁路电力线路的基本特点和故障类型，进行铁路10 kV电力线路中性点不接地系统故障测距技术研究是完全可行的。

该技术研究利用线路故障时产生的突变行波信号来分析线路故障点；通过智能示波器的分析手段，检测到达电源侧的突变行波信号是否为首端，如不是，利用计算方法，还原突变行波到达首端的准确时间；利用暂态信号分析模型、GPS卫星对时技术、能量传递数学模型，增强对中性点不接地系统线路故障点定位的准确度。试验结果可行，继续深入研究，可作为10 kV电力线路中性点不接地系统故障准确定位的有效手段。

[1] 藤 林.一种实用的新型高压输电线路故障双端测距精确算法[J].电网技术，2001，25(18)：110-114.

[2] 束洪春.利用双端不同步数据的高压输电线路故障测距实用算法及其实现[J].电网技术，2000，24(2)：10-13.

Research on faults location techniques of railway 10 kV power line

ZHANG Chen-guang ZHANG Xiao-kun WANG Chan-rui

(TaiyuanPowerSupplySection,Da-QinRailwayCo.,Ltd,Taiyuan030013,China)

The paper introduces operation features of railway power 10 kV ungrounded neutral system, provides line faults examination method with fault vibration signals, carries out in-situ examination with experimental device, which has pointed out an effective research direction of accurate fault location of railway power 10 kV ungrounded neutral system.

railway, power line, faults location techniques

1009-6825(2014)17-0153-02

2014-04-02

张辰光(1982- )，男，工程师； 张晓昆(1970- )，男，高级工程师； 王蝉瑞(1958- )，男，高级工程师

TM711

A