一种高速铁路贯通地线断线故障定位方法

潘怡林，陈丽华，黄 文，何正友，王 科

（西南交通大学 电气工程学院，四川 成都 610031）

0 引言

为了降低钢轨电位，保障人身、设备安全，我国高速铁路广泛采用综合接地系统。贯通地线是综合接地系统的重要组成部分，它将沿线的电力供电设备、信号设备、建筑物、站台、桥梁和隧道钢筋等连成一体［1］，一旦出现故障将带来严重后果，如沿线设备缺少等电位接地体，不同设备参考地电位存在偏差从而引起保护误动作；牵引回流系统缺少一条重要的回流通路，造成电流分配不均、钢轨电位过高［2-3］。由于贯通地线常年埋在地下并贯穿整条线路，因此，如何在不开挖的前提下精确定位贯通线断线故障点，缩短故障检修时间，对保障牵引供电系统的安全稳定可靠运行具有重要的意义。

在电力系统中，很多学者针对不同导体断线的识别方法展开了深入研究。应用较多的有脉冲反射法［4］、节点电压测试法［5］、支路电阻测量法［6］以及电桥法与放音法相结合［7］等。这些方法在实际中已得到良好的应用。在牵引供电系统中，针对贯通地线断线的诊断方法少有文献报道，文献［8］提出在贯通地线上设置监测点，通过观察电流变化来确定是否断线，该方法原理简单且直观，但考虑到实际贯通地线每隔500 m左右会和保护线连接一次［1］，采用该方法需要沿线设置大量的监测点，且只能进行区段定位，不能实现精确定位。由于贯通地线是埋地的铜绞线，又沿着线路全线铺设进行单相交流回流，电力系统中的许多方法均不适用于贯通地线故障定位研究。

本文针对以上问题，结合上述方法和牵引供电系统的特点，提出了一种贯通地线断线故障精确定位的方法。首先，理论分析应用信号电缆护层电流进行区段定位的可行性；接着，分析贯通地线地表电位分布，根据地表电位分布规律对贯通地线的断点进行精确定位；最后，通过CDEGS仿真平台对本文所提出的方法进行仿真校验。

1 牵引供电综合接地系统

高速铁路牵引供电系统普遍采用全并联自耦变变压器（AT）供电方式，主要包括牵引变电所、牵引网和综合接地系统三部分，其系统结构如图1所示。

图1 AT供电系统结构示意图Fig.1 Schematic diagram of AT-fed system of high-speed railway

图中，AT1和AT2为2个AT，两AT所之间的距离一般在10～15 km［14］。牵引网为动车组提供电能，并通过钢轨和综合接地系统进行回流。综合接地系统包括贯通地线、保护线和线路上的各个横向连接线，同时沿线强弱电设备、桥梁隧道钢筋结构、各类电缆护层接地全部接入贯通地线。线路中的横向连接大部分是通过2根轨道之间的扼流变压器来实现的，同时沿线信号电缆也通过扼流变压器的中性点与贯通地线形成连接，从而形成电缆护层的双端接地。相邻扼流变压器的间距在1.5 km左右［1］，根据扼流变压器的间距，一条长线路可划分为若干小区间。相邻扼流变压器之间的连接关系如图2所示。

图2 相邻扼流变压器连接示意图Fig.2 Schematic diagram of connection between two adjacent impedance transformers

2 贯通地线断线分析

2.1 信号电缆护层电流分析

信号电缆护层可等效为阻抗模型，通常保护线和贯通地线每隔500 m连接一次［1］，2个扼流变压器之间线路可等效为如图3所示的电路模型。

图3 扼流变压器之间线路等效电路Fig.3 Equivalent circuit between impedance transformers

图中，I为钢轨流入扼流变压器的电流有效值，Z1和Z2分别为长500 m的保护线和贯通地线等效阻抗，Z3为电缆护层阻抗。由基尔霍夫电压定律知，流过信号电缆护层的电流有效值I0为：

若中间段的贯通地线发生断裂，其等效电路如图4所示。

图4 贯通地线断裂时的等效电路Fig.4 Equivalent circuit with broken integrated grounding line

此时，信号电缆护层电流I′0可表示为：

对比式（1）、（2）可知，I′0＞I0，即当贯通地线发生断裂后，流过电缆护层的电流增大。同理可验证贯通地线任何一段发生断裂后，离断点最近的2个扼流变压器之间连接的信号电缆护层电流会增大，由此可判断贯通地线断裂所在区段。

2.2 贯通地线地表电位分析

在获取贯通地线断线区段后，向故障区段钢轨的首端注入直流电流，此电流通过线路横向连接流入贯通地线，通过检测贯通线上方电位的变化情况，实现对贯通地线的断点进行精确定位。常用地表电位计算法主要有矩量法、有限元法、镜像法等［11］。下面结合有限元法和镜像法来计算贯通地线的地表电位。贯通地线可按一定的长度划分为多个有限元，如图5所示。

图5 镜像法求地表电位示意图Fig.5 Schematic diagram of image method to measure surface potentials

图中，微元1在空间任意一点产生的电位为［11］：

其中，ρ为土壤电阻率；r为微元中点到场点p的距离；r0为微元镜像点到场点p的距离；Ileak1为微元1处的泄漏电流。

当场点p位于土壤与地表的分界面时，有r=r0，则地面上任意一点的电位为：

根据叠加定理，贯通地线产生的地表电位Ud的通用计算公式可表示为：

图5中p点地表电位可表示为：

当图5中所示贯通地线存在断线时，注入的电流可通过保护线传输到断线的另一端，如图6所示。

由于断点处泄漏到大地中的电流为0，则p点电位为：

图6 镜像法求断线时的地表电位Fig.6 Schematic diagram of image method to measure surface potentials for broken integrated grounding line

比较式（6）和（7）可知，U′p＜Up。 即当贯通地线存在断线时，断点附近的地表电位会减小。基于此可判断贯通地线是否断线，并对断点进行精确定位。

综上分析，贯通地线断点定位的方法流程如图7所示。

图7 确定贯通地线断线位置流程图Fig.7 Flowchart of break point determination

在实际运营过程中，每段信号电缆护层的电流具有很强的随机性，考虑到牵引供电系统具有一定的周期性，周期一般为24 h，因此可利用95%概率求出一天每个区段护层电流监测值的95%概率极大值作为评判标准，以减小线路可能出现的瞬时故障对电流的影响。

另外，电流增大也可能是保护线发生断线造成的。因此，应先确定区段内的保护线是否完好，进而确定是否为贯通地线故障。

3 实例分析

3.1 牵引供电系统仿真模型及信号电缆护层电流仿真

某高速铁路牵引供电系统采用AT全并联供电方式，钢轨和保护线以及贯通地线每隔1.5 km连接一次；上下行钢轨、保护线和贯通地线每隔1.5 km连接一次；保护线和贯通地线每隔500 m横连。其中一个AT段长度为12 km，信号电缆型号SPTYWPL-2344A［3］，铝护套外径为 31.2 mm，厚度为 1.2 mm，护层直流电阻为0.8 Ω。贯通地线埋地深度为0.7 m，土壤电阻率为100 Ω·km，其他导体型号及参数如表1所示。基于CDEGS仿真平台，搭建某高铁牵引供电系统仿真模型。

表1 相关导体型号Table 1 Type of related conductors

当机车在不同位置时，每一段贯通地线正常和断线故障2种情况下，流过每一段信号电缆护层的电流分布如图8所示。

图8 信号电缆护层电流分布仿真图Fig.8 Simulative current distributions of signal cable sheath

从图8中可知，当列车运行到某个区段附近时，该区段的信号电缆护层电流会达到最大值；当各个区段的贯通地线发生断线后，对应区段的信号电缆电流变化的最大值会显著增大。由此，可根据正常和故障时电缆护层电流的大小判断故障所在区段。

3.2 贯通地线地表电位仿真

3.2.1 正常情况下贯通地线地表电位分布

向扼流变压器区段一端的钢轨注入50 A直流电流，贯通地线正常时，其正上方纵向1500 m范围内地表电位分布如图9所示。

从图9可知，从电流注入点首端到线路末端，地表电位呈现整体下降的趋势，这是由于外加注入的电流在沿着线路传输时泄漏到土壤中的电流越来越小，使地表电位也不断降低。

图9 贯通地线地表电位分布图Fig.9 Simulative earth surface potential distribution of integrated grounding line

3.2.2 断线故障后贯通地线地表电位分布

在一个区段中分别在贯通地线700 m、900 m、1100m处设置断裂点，向扼流变压器区段的钢轨一端注入50 A直流电流，其地表电位分布如图10所示。

图10 贯通地线断线时地表电位分布图Fig.10 Simulative earth surface potential distributions of broken integrated grounding line

由图10可知，当断点分别在距离贯通地线首端700 m、900 m、1100 m处时，对应的地表电位出现了显著的突变，说明能从地表电位的分布来较精确地判断贯通地线断线的位置。其中1100 m位置断点处的突变下降幅度很大，是因为在1000 m处存在保护线和贯通地线的横连线，1100 m处断线后大部分电流会通过横连线进入保护线，导致后方贯通地线的泄漏电流极大降低，使地表电位急剧减小。

需要注意设置的断点和仿真结果的电位突变点之间存在一定的误差。并且，电位突变点都在断点前方几米。为了查看误差的大小，不断改变贯通地线断开的位置，每隔100 m进行一次仿真，记录地表电位突变点的位置和误差。仿真结果如图11所示。

图11 断点绝对误差仿真Fig.11 Simulative absolute error of break point

通过仿真发现，地表电位突变点都会在断裂点前方几米处。在进行现场修正的时候，可以适当判断故障点在电位突变点后方几米。通过分析，其绝对误差的平均值为4.85m，说明本文所采用方法误差较小，能够对故障断点进行较精确定位。

3.2.3 多点断线贯通地线地表电位分布

同时在700 m和1200 m处设置断点，向扼流变压器区段的钢轨一端注入50 A直流电流，贯通地线地表电位的分布如图12所示。

图12 贯通地线两断点时地表电位分布图Fig.12 Simulative earth surface potential distribution of integrated grounding line with two break points

由图12可知，2个断点所在处的地表电位均发生了突变，说明本文所采用方法能对多点故障进行诊断。但是，如果2个故障点都在1 000 m之后，此方法只能定位前面那个故障。要解决这个问题，可以在首端注入电流完成定位后，将首端末端颠倒，再从区段末端注入电流，测量地表电位来进行定位。若2次地表电位突变点不是同一点，说明出现了2个断点均在1000m后的情况。

4 结论

本文提出了一种高速铁路埋地贯通地线断线定位的方法，通过理论分析和CDEGS仿真分析得到如下结论：

a.利用信号电缆护层电流能对牵引供电系统贯通地线的故障区段进行精确定位；

b.根据地表电位分布情况可对故障区段的断点进行精确定位，绝对误差在5 m左右，可用于现场修正；

c.该方法不受故障区段断点数目的影响，能诊断出该区间内的多个断点。

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