故障性质对高速铁路牵引网行波测距的影响

汪志成， 周书民， 吴仲郎， 鲍廷义

(东华理工大学机械与电子工程学院，江西 南昌 330013)

开路和接地是高速铁路牵引网供电线路的常见故障形式，对铁路系统的安全可靠运营造成了较大的危害(官衍圣等，2008;卢继平等，2007;Mokhlis et al.，2011)。尤其是发生接地故障后，盲目重合闸操作会在牵引网供电线路上产生大电流，损坏机车、沿线设备，甚至危及沿线人员人身安全(Li et al.，2011;陈健鑫，2008;Eisa et al.，2010)。因此，准确判断故障性质并采取相应的保护措施对于保障铁道系统安全可靠运营具有重要意义。本文基于C 型行波测距法，重点分析故障性质对行波波形的影响，为高速铁路牵引网故障性质的准确判断提供依据。

1 C 型行波测距法基本原理

C 型行波法主动发出脉冲信号，根据反射行波与初始行波到达时刻差进行测距(邬林勇，2009)。其基本原理如图1 所示。当线路发生故障时，测距装置启动，向线路发出高压脉冲信号，高压脉冲信号(速度接近光速)沿线路传播。到达故障点时，由于波阻抗发生变化，产生反射行波，反射行波信号返回测距装置，通过检测发射的脉冲信号到达检测点的时刻和故障点反射行波到达检测点的时刻计算故障点距离。故障点的计算公式为:

式中，Δt 为从开始发射脉冲波到反射波返回到装置的时间。

2 C 型行波测距法实验装置的建立

行波测距装置主要包括三个部分:高压脉冲信号源装置(黄乡生等，2009)、高频行波传感器和高速采集模块。高压脉冲信号源装置对故障线路发出高压脉冲信号，经高频行波传感器采集到模拟行波电压信号，然后传输给高速采集模块对故障行波信号进行记录、存取，最后通过算法软件对数据进行处理以判定故障性质和故障点位置(龚珺等，2011)。

3 模拟实验研究

利用C 型法行波测距装置搭建高速铁路牵引网故障检测模拟实验线路，在不同电压下测试线路开路和接地情况下的行波信号。

3.1 接地条件下行波信号频谱的分析

图1 C 型行波测距法基本原理图Fig.1 The principle of C-type traveling wave method

在模拟实验线路末端接地的情况下，对不同放电电压值下的行波信号频谱进行分析。本文以3 kV，5 kV 和10 kV 放电电压下的行波波形和频谱分析结果为例进行说明，行波测试信号频谱分析结果如图2 所示。从图2 可知，在3 kV，5 kV，10 kV放电电压等级下，最大幅值点对应的频率均为14.663 kHz，未发生变化。

3.2 开路状态下行波信号频谱的分析

在模拟实验线路末端开路的情况下，对8 kV，7.6 kV，7 kV 和5.6 kV 放电电压下的行波波形和频谱分析结果为例进行说明，行波测试信号波形频谱分析结果如图3 所示。从图3 可知，在8 kV，7.6 kV，7 kV 和5.7 kV 电压放电时，行波信号频谱图中最大幅值点对应频率分别为366 kHz，307 kHz，322 kHz 和359 kHz。

3.3 实验结果分析

对照上述频谱分析结果可以看出，在接地故障情况下，放电电压在3 ～10 kV 范围内变化时，频谱图中最大幅值点对应的频率值基本没有变化，维持在14.663 kHz;在开路故障情况下，放电电压在5.7～8 kV 范围内改变时，最大幅值点对应的频率值发生了较明显的变化，但基本维持在300 kHz 以上。形成这一结果的原因可能是，开路状态下高频信号成分衰减较少，在初始信号成分一样的情况下，反射行波中更多的高频成分得到了保留，但是由于线路末端开路时，对空气放电的影响，每次放电过程不太一样，造成了高频成分的不同损失，因此开路状态下的峰值点对应信号频率有所变化。

4 结束语

本文基于C 型行波法原理，搭建了模拟实验线路，分别获取了不同电压等级下开路和接地故障时的行波信号。通过对行波信号的频谱分析可看出，线路开路和接地故障形式下，行波信号频谱差别较大;其中在接地故障时，最大幅值点对应的频率值相对较低，且基本没有变化，在开路故障时，最大幅值点对应的频率值相对较高，且有明显变化。造成这一现象的原因初步分析为:开路故障时，线路末端发生放电，造成一定程度的能量损失，相对于接地而言，能量损失较少，所以高频部分的能量较大，但由于对空气放电过程的不可控制，造成了每次放电时不同频率成分的能量损失不一样，体现在频谱分析结果上的能量峰值点对应信号频率有所变化。

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图2 接地故障时不同放电电压值下行波信号频谱分析Fig.2 Frequency spectrogram of traveling wave signal under different discharge potential level for earth fault