牵引网中的故障测距方法

李松楠

（吉林铁道职业技术学院，吉林 吉林132000）

1 牵引网供电方式

电气化铁道牵引供电系统是指从牵引变电所的馈电线到牵引网再到电力机车的工作系统。我国电气化铁道采用的是工频单相交流牵引制式。牵引变电所一般用于将三相110/220kV的电能变换成275kV（牵引网额定电压为25kV）的电能并按单相分配给机车用户。牵引网供电方式一般可分为：直接供电（direct feeding）、BT（booster transformer）供电、带回流线的直供、AT（autotransformer）供电和同轴电缆供电方式。根据牵引网不同供电方式的要求及牵引变电所为抑制单相牵引负荷造成电力系统的不对称影响，常采用不同接线方式与结构的主变压器，并以此将变电所区分为三相牵引变电所（一般用Y0／△-11变压器，二次侧△的C相接地，由A、B相向两侧供电，形成左右两侧供电臂）、单相牵引变电所、三相两相牵引变电所（如Scott接线主变压器、平衡变压器等）。

2 电力牵引负荷的特点

我们根据上述不同的牵引变电所形式、不同的牵引网供电方式及针对单复线电气化区段，对故障测距均有不同的要求。因此，有必要研究针对不同类型牵引网的故障测距算法。电力牵引负荷的特点从故障测距涉及的因素来考查电力牵引负荷的特点，会发现它有5个特点值得关注。①一段牵引网一般只由1台变压器从单端供电，形成明显的线路首端和末端，并且没有分支；在线路的首端，可将变压器看成它的电源。②单台机车功率相对于变电所容量较大，因此，机车的各种工况导致的负荷电流波动较大；电流的变化以突变（阶跃）居多。③负荷峰、谷值相差悬殊。④滑动取流的机车受电弓由于离线产生电弧及机车的频繁调级、投切（变压器空载），导致在系统中产生丰富的谐波（高次及分次）。⑤系统的回流（经回流轨、地或回流线）杂乱。

3 故障测距方法比较

按照故障测距原理，输电线故障测距一般可分为阻抗法、故障分析法和行波法。

阻抗法利用故障时测量到的工频电压和电流量来计算故障回路的阻抗值，是基于线路长度与阻抗值成正比的原理而求出观测点到故障点的距离。阻抗法的应用较广泛，随着计算机的应用，不论是采用单端法还是双端法，在准确度和可靠性方面都有较大的提高，并涌现出了许多有针对性的算法，在此不再赘述。

目前，电气化铁道牵引网故障测距装置多是基于这一原理的。由上文的特点一可知，牵引网一般处于单端电源供电状态，在供电臂故障时，只能用单端电气量测距。因此它不可避免地要受到过渡阻抗的影响。另外，一个比较关键的问题是对于富含高次及分次谐波的电气化铁道牵引网，傅里叶算法在处理大量分次谐波及非周期分量时比较困难，因此准确获得工频电压、电流值也将是困难的。正是由于上述牵引网的结构、负荷的特点及阻抗测距原理本身的原因，一些围绕阻抗法所做的修正方法或者关于消除谐波及过渡阻抗影响的算法当应用于牵引网故障测距时，都难以得到稳定、精确的测距效果。牵引网故障测距的多年应用实践也证实了这一方法在精度及稳定性方面存在着诸多不足。

故障分析法是在系统运行方式已确定和线路参数已知的条件下，输电线路发生故障时，故障点距离的函数是装置处的电压和电流。本法就是利用故障时记录下来的电压、电流值对故障进行分析与计算，实时求出测量点到故障点的距离。故障分析法与阻抗法的区别在于它不以测量阻抗或电抗为基础。研究表明，该方法在一般输电线的故障测距中将是一种有前途的方法。将其应用于电气化铁道牵引网的故障测距也将明显优于阻抗法。但不足的是，故障分析法与阻抗法一样仍然需要使用工频的电压、电流量；同时，随着机车受电弓滑动取流造成的导线逐步磨耗及部分区段的换线、频繁的人工检修、复线区段由于邻线状况的不确定性等因素造成的线路单位阻抗Z的不稳定性，使得故障分析法在应用于这一领域时受到极大的干扰和限制。另外在提取实时故障分量电流时，上文特点二所述的大量跃变电流也将对测距稳定性造成不可低估的影响。因此，利用工频量的故障分析法也难以适用于电铁牵引网的故障测距。

行波法是根据行波传输理论实现对输电线故障测距的方法。由于行波在线路中有比较稳定的传播速度，且测量到的时间差不受线路类型、故障电阻及系统运行参数等影响，因而，行波法故障测距有较好的精度和稳定性。

早期利用行波的测距装置可分为A、B、C型3种。A型装置利用故障点产生的行波在测量点到故障点间来回往返的时间与行波波速之积来确定故障位置；B型装置利用故障点产生的行波到达两端的时间差与波速之积来确定故障位置；C型装置是在故障发生时于线路的一端施加高压高频或直流脉冲信号，根据脉冲往返时间来确定故障位置。这3种方法中，A型、C型为单端测距；B型为双端测距，需要有两端通信。A型和B型装置对输电线路的瞬时性和永久性故障均有较好的适应性，C型装置则可在线路断开的条件下检测出故障，因此多用于永久性故障定位。

现代行波法中，基于全球定位系统（Global Positioning System，GPS）精确对时的双端行波法的D型装置（原理同B型）使得行波故障测距的实现既简单又精确稳定，并且有良好的适应性。由B型装置的测距算法可看到，由GPS精确获得tT、tQ、tC是可能的，而行波速度V一般是稳定的，因此DnF的精确而稳定是由D型装置而获得的。行波法应用于电气化铁道牵引网的故障测距，行波信号可直接通过电压互感器、电流互感器获取，其测距精度和稳定性不受过渡电阻及上述牵引负荷特点二至特点四等造成的影响。

4 结语

比较阻抗法、故障分析法及行波法在电气化铁道牵引网中故障测距的适应性，前两种方法固然有它的优点，但随着输电线行波传输理论研究的深入及电子技术、计算机技术的发展和相关技术的引入，现代行波法将更胜一筹，其应用前景将更加广泛。现代行波法已在信号的传变、提取、识别、处理等技术方面取得了长足进步。本文提出将行波法应用于电气化铁道牵引网故障测距也是结合现有技术水平和以上比较而得出的。