基于暂态残压计算的接触网故障性质智能辨识

刘　铁，杨　维，赵浩江

(北京交通大学 电子信息工程学院，北京　100044)

接触网故障按其性质分为2类：永久性故障，瞬时性故障(或称临时故障)。永久性故障(如设备绝缘击穿)，是需要人工修复后才能排除的故障；瞬时性故障(如树枝碰到接触网又随风摆离或电弧烧断)，是可以自动修复的故障。实践表明接触网故障大多数是瞬时性故障。接触网无论是发生永久性故障还是瞬时性故障，都会造成变电所上、下行馈线上的断路器跳闸，接触网失电，影响行车。为了减少跳闸对行车的影响，变电所配置了自动重合闸装置，使断路器跳闸后延迟1～2 s再重新自动合闸，快速恢复接触网供电。但是，断路器和自动重合闸装置本身不能够识别是永久性故障还是瞬时性故障，只要故障电流超过保护整定值就会跳闸。对于永久性故障，断路器重合闸后由于故障一直存在，断路器和有关电气设备都会再次遭受短路电流冲击，结果是断路器再次跳闸，并造成设备一定程度损伤。显然，对于永久性故障而言，断路器重合闸不但是多余的，而且加大了断路器操作机构的磨损，增加了维护成本；一旦断路器跳闸时机构出现卡滞，不能够切断短路电流，还可能发生爆炸。

如果能够辨识接触网的故障性质，就可以实现人工智能控制断路器,对永久性故障不再重合闸，这将具有理论和工程应用价值。文献[1]比较全面地介绍了输电线路永久性故障的判别方法；文献[2]针对输电线故障研究了单相自动重合闸的算法；文献[3]提出了220 kV三相输电线中单相重合闸时判别瞬时与永久故障的方法，并进行了试验；文献[4]对500 kV输电线路在微机保护故障选相的基础上进行了重合闸过程仿真；文献[5]针对500 kV以上的超高压三相输电线，采用小波方法分析单相故障的特征和性质。这些文献均是对电力系统输电线路的故障性质及重合闸进行研究。文献[6]针对铁路复线接触网，假设当一条接触网带电正常供电、另一条接触网发生故障失电的条件下，分析了瞬时故障与永久性故障的电气特征，并采用算例进行说明。但复线接触网实际发生故障时，因断路器同时跳闸，不存在以上假设条件，故该研究很难应用于工程实际。

本文根据接触网故障时电压、电流变化的物理过程，分析故障性质的辨识机理。按接触网故障时变电所上下行馈线断路器均跳闸的实际情况，不人为设置假设条件，建立等值电路，对接触网故障跳闸的暂态过程中残压(简称暂态残压)进行计算推导。基于暂态残压变化规律和信息特征分析，提出接触网故障性质的综合判据。为了检验算法的正确性，采用人工接地方法模拟接触网发生永久性和瞬时性故障，在一条专用接触网上进行了试验。

1　接触网故障跳闸及故障性质辨识机理

1.1　接触网故障跳闸

为了建立接触网故障跳闸后的等值电路，首先需要按照接触网故障跳闸的实际工况，分析跳闸后复线接触网是否存在电压、电流，是否存在电力机车，上下行接触网之间是否存在电磁感应，以及它们对变电所重合闸的影响。

无论是普速铁路的接触网，还是高速铁路的接触网，电源均取自变电所的同相母线，上下行馈线分别设置断路器；为减少接触网阻抗，提高牵引能力，接触网末端采用断路器并联。当接触网发生故障时，短路电流导致上下行馈线断路器、末端并联断路器同时跳闸。同时，变电所的自动重合闸启动，延迟1～2 s后上下行馈线的断路器分别重合闸。对无故障的接触网重合闸成功，对永久性故障的接触网重合闸失败，对瞬时性故障的接触网重合闸也成功。检测末端并联断路器两侧(上下行接触网)的电压，若其两侧都有电，自动重合闸，恢复上下行接触网的并联运行，若单侧有电或两侧都无电，不合闸。

电力机车运用的有关技术规范要求，当接触网电压(简称网压)低于21 kV时,牵引自动控制装置使机车处于功率封锁状态；当网压低于17.5 kV时,车顶主断路器自动跳闸，但不降弓，机车处于惰行状态；当网压接近0时,机车司机主动降弓。接触网发生故障时，变电所跳闸造成接触网失电，机车主断路器也立即跳闸。如果变电所自动重合闸成功，那么接触网恢复供电，机车司机就合闸主断路器，继续行车；如果变电所自动重合闸不成功，车上网压指示为0，则机车司机降弓，等待接触网供电。

根据上述分析可以看到：①复线接触网故障使变电所上、下行馈线断路器均跳闸，造成上、下行接触网全部停电，没有牵引电流，它们之间不存在电磁感应，只存在等效电容导致的静电感应。②接触网因故障跳闸停电后，线路上运行的电力机车主断路器也随之跳闸，电力机车的电气特性与接触网无关，不影响变电所馈线断路器的自动重合闸。

1.2　故障性质辨识机理

为了辨识接触网的故障性质，首先需要通过分析故障时刻接触网的电压和电流的关系，找到它们之间的特征。

接触网的唯一负荷是电力机车，属于感性负荷，若接触网电压为u(t)=Umcos(ωt)(其中Um为接触网工作电压幅值；ω为接触网电源角频率；t为时间)，接触网电流为i(t)=Imcos(ωt-θ)(其中Im为接触网电流幅值；θ为电压与电流的相位角)，两者的相位关系如图1所示。接触网因故障而短路，在断路器跳闸时触头分开的瞬间，由于电场强度极大，产生电弧。电弧实质上是导电的高温等离子体，它使断路器在触头分离的过程中电流仍然维持；理论上电弧电流到达零值时，即t0时刻，电弧才会熄灭，实际上在t0时刻附近的Δt区域内电流已经很小，电弧温度也下降到了较低数值，加上断路器触头快速分离和触头间真空介质的灭弧效应，迫使电弧电流提前在t时刻熄灭。

图1　接触网电压、电流的相位关系

从图1可以看到：在某时刻断路器触头两侧存在电压uc，对断路器的电源侧来说，电压uc与50 Hz电源同步变化，对断路器的线路侧来说，uc以电荷形式储存在接触网对地电容上，形成残余电压。如果接触网故障是永久性的，例如：接触网绝缘子被击穿，接地通道一直保持，待到断路器触头彻底分开(电弧熄灭)，接地通道迅速将残压电荷释放完，接触网对地电压降到0。如果故障是瞬时性的，例如：被大风刮起的轻小湿润线索碰到接触网时引起放电，而导致变电所跳闸；同时，电弧将线索烧断，使接触网故障自动消失。待到断路器触头彻底分开后，接触网上残压电荷没有通道能够释放，理论上uc值将一直保持。现场实测表明：uc值在一定时间内会逐渐衰减，这是由于接触网绝缘子表面泄露电阻所致。显然，在接触网故障跳闸从供电状态变化到非供电状态的暂态过程中，uc值与断路器分闸时刻、触头分离速度、介质灭弧能力、气象条件对接触网绝缘子表面状态的影响、故障性质和位置等有关。

由于牵引供电系统的电源容量足够大，可以忽略电源内阻抗，当接触网发生短路故障时，电源所带负载阻抗就是从故障点至电源的接触网阻抗。尽管每一次因故障点的位置不同而导致短路阻抗不同，但是，对具体的接触网而言，由于总长度和电气参数是固定的，因此，接触网首端或末端故障时残压uc、电流ic与相位角θ也是相对固定值；而在接触网其他任何点故障时产生的残压uc、电流ic与相位角θ介于接触网首、末端故障时这2种情况之间。

从上述分析可知接触网故障具有以下特征。

(1)每次接触网发生故障时，由于故障性质和故障位置不同，接触网暂态残压uc的大小和持续时间也不同。对永久性故障，接触网不存在残压；对瞬时性故障，接触网存在一定幅值和一定时间的暂态残压uc。

(2)假设接触网首端、末端分别故障时，对应的残压分别为u首和u末，电流分别为i首和i末，相位角分别为θ首和θ末，那么在接触网上任一点发生故障时，一定有如下关系：残压uc介于u首和u末之间，电流ic介于i首和i末之间，相位角θ介于θ首和θ末之间。

基于上述接触网故障时电压、电流发展的物理过程，在变电所馈线断路器的跳闸至重合闸期间，采集故障信息，分析暂态残压uc的变化规律，就能辨识故障的性质属于永久性或者瞬时性，从而实现人工智能控制断路器的自动重合闸。

2　等值电路及暂态残压计算

2.1　接触网等值电路的建立

无论铁路线路上有无电力机车，当接触网发生故障跳闸后，接触网上没有电流。对此建立的复线接触网故障(例如：下行接触网故障)跳闸等值电路如图2所示。图中：D1，D2为变电所馈线断路器，D3为接触网末端断路器，且D1，D2，D3都处于分闸状态；C1，R1分别为上行接触网的对地电容和导线(包括承力索)的电阻；C2，R2分别为下行接触网的对地电容和导线(包括承力索)的电阻；Cm为上、下行接触网的互电容；uc1，uc2分别为上、下行接触网的暂态残压；k为故障点；Rk为故障通道的等值电阻。

图2　复线接触网故障跳闸等值电路

在变电所馈线断路器跳闸前，上下行接触网电压的数值大小相等、相位相同，互电容Cm上没有电压差，也不储存电荷，只有上下行接触网对地电容储存的电荷，并在接触网跳闸后形成暂态残压uc1和uc2。由于上下行接触网的结构相同，故uc1=uc2=u0，其中u0为跳闸时刻接触网的残压初始值。如果接触网发生永久性故障，故障通道的等值电阻近似为0，使得变电所馈线断路器跳闸后故障接触网储存的电荷瞬时释放，接触网的残压为0。

如果接触网发生瞬时性故障，变电所馈线断路器跳闸后，如图2所示的故障接触网储存的电荷经过Rk有所释放；同时，相邻的无故障接触网(上行)储存的电荷对故障接触网(下行)产生静电感应，为故障接触网提供部分静电电荷。根据电路叠加定理，两者共同作用，使故障接触网能够通过故障通道释放的总电荷Q为

(1)

对故障接触网(下行)首端的暂态残压进行计算或测量时，考虑故障点分别发生在靠近接触网首端的前半段、中间和靠近末端的后半段时，对应的等值电路如图3所示。图中：R0为检测装置入口电阻；R21和R22为接触网前半段的电阻，且R21+R22=0.5R2，2个电阻值的分配取决于故障点在前半段中的位置；R23为接触网后半段的电阻，阻值取决于故障点在后半段中的位置；tk为瞬时故障消失时刻。

2.2　接触网瞬时性故障时暂态残压的计算

复线接触网发生瞬时性故障时，按照图3所示的等值电路推导出接触网的暂态残压为

图3　接触网不同部位故障时的等值电路

(2)

式中：K为系数；τ为时间常数，均需要根据故障位置确定。

将式(1)代入式(2)中，可得复线接触网故障跳闸后的暂态残压一般表达式为

(3)

当复线接触网故障点k发生在前半段时，如图3(a)所示，系数K和时间常数τ分别为

(4)

(5)

当复线接触网故障点k发生在中间时，如图3(b)所示，系数K和时间常数τ分别为

(6)

(7)

当复线接触网故障点k发生在后半段时，如图3(c)所示，系数K和时间常数τ分别为

(8)

(9)

3　故障性质综合判断方法

分析式(3)可以看到：复线接触网的暂态残压随时间呈指数衰减；故障消失时刻前后，时间常数分别为2个数值，必然会导致暂态残压衰减曲线出现拐点。依据接触网暂态残压变化规律，提出以下故障性质的综合判断方法。

3.1　永久性故障判断

因为永久性故障通道的等值电阻近似为0，造成接触网“死”接地，接触网储存的电荷瞬间释放完，暂态残压趋近于0。所以，检测时根据接触网暂态残压uc(t)≈0，就可以判断为永久性故障。

3.2　瞬时性故障判断

瞬时性故障的产生和消失过程复杂，特别是故障消失时刻tk的随机性很大，它受故障性质、气象条件等多种外界因素影响，需要充分利用故障的信息特征进行综合判断。基于暂态残压计算和分析，提出如下综合判据。

判据①：变电所馈线断路器跳闸后，能够在接触网首端检测到某一阈值的暂态残压，就可能是瞬时性故障。这个阈值可以根据仿真或经验预先设置，然后通过现场试验进行修正。显然，阈值越大越准确，现场实测显示大约为1～10 kV。

判据②：变电所馈线断路器跳闸后，能够检测到接触网的暂态残压呈指数衰减(暂态过程中还可能叠加有谐波和振荡),且衰减曲线出现拐点(存在2个时间常数)，就可能是瞬时性故障。

判据③：采用人工接地方式分别测出接触网首端和末端故障时相位角θ首和θ末，如果接触网故障跳闸时相位角介于θ首与θ末之间，那么就可能是瞬时性故障。

判据④：同时满足判据①—判据③时，就可以确认是瞬时性故障。

4　应用试验

专用铁路的接触网从干线接触网T接引出，为了保护专用铁路的接触网，在专用铁路的接触网首端设置了有断路器保护的开关站[7-8]。专用铁路接触网发生故障时，开关站跳闸后专用接触网的暂态残压也只取决于等效电容储存的电荷，其物理过程与复线接触网故障跳闸后的情况相似。因此将本文研究的故障性质辨识方法应用到西北1条专用铁路的接触网开关站，采用人工接地方式分别模拟接触网发生永久性故障和瞬时性故障进行试验。

西北某铁路专用线长约12 km，从一小站引出，不存在平行走向的相邻铁路，试验中人工接地点设在专用线中间。考虑到断路器本身的机械动作时间大约为30～100 ms，将开关站断路器的自动重合闸时间设置为1.6 s，变电所馈线断路器的自动重合闸时间设为1 s。为实现人工智能控制开关站的断路器重合闸，首先要在自动重合闸之前，完成故障信息的采集、重组和分析判断。奈奎斯特采样定理指出：采样频率至少是信号频率的2倍，采样间隔足够密，采样频率足够高，才能够用采样的数字信号完全重建被检测的模拟信号。试验中检测暂态残压的信号采样器的采样率为50 MHz，1 ms可采集5万个样本，足够还原信号。根据运行经验，暂态残压的阈值设为1 kV。

4.1　瞬时性故障试验

模拟瞬时性故障的试验方案：采用2根普通接地线(含绝缘杆)，先将第1杆的接地导线从挂钩上拆开，在挂钩和接地导线之间串接1根长1 m的5 A保险丝；再拆除第2杆的接地导线，仅剩绝缘杆，把两根绝缘杆可靠连接，以加长绝缘杆的有效长度。在保障操作人员安全的前提下，将这个加长绝缘杆的接地线挂到带电接触网上，短路电流必然熔断保险丝，自动断开接地，如同发生瞬时性故障。

试验结果显示：在接地线挂到带电专用线接触网的瞬间，保险丝立即熔化并产生火球，开关站断路器跳闸；同时，变电所馈线断路器也跳闸，经过1 s变电所馈线断路器自动重合闸成功，将电送到开关站；开关站经过1.6 s自动重合闸成功，恢复专用线接触网供电，表明开关站已经识别出是瞬时性故障。试验中采用高压分压器对专用线接触网的电压进行测量，测量电压波形如图4(a)所示，可以看到：开关站从跳闸时刻t0到自动重合闸时刻tc，接触网暂态残压在tk时刻前衰减很快，tk后衰减较慢，衰减曲线存在拐点，衰减过程出现2个时间常数，验证了本文研究得到的暂态残压变化规律。

4.2　永久性故障试验

模拟永久性故障的试验方案：采用2根普通接地线(含绝缘杆)，先将第2杆的接地导线从挂钩上拆开，并将这根接地导线与第1杆的接地导线并联，以加强其承受短路电流的能力；再将拆除了接地导线的第2绝缘杆与第1绝缘杆可靠连接，以加长绝缘杆的有效长度。在保障操作人员安全的前提下，将这个加长绝缘杆的接地线挂到带电专用线接触网上，就会形成永久性接地故障。

试验结果显示：开关站断路器立即跳闸并闭锁；同时，变电所的馈线断路器也跳闸，经过1 s后变电所自动重合闸成功，将电送到开关站，但开关站不再重合，说明开关站已经识别出是永久性故障。试验中专用线接触网侧的电压波形如图4(b)所示，可以看到：开关站在t0时刻跳闸后接触网的暂态残压迅速降到0；尽管1 s后开关站入口已经恢复电压，但又经过了1 min也没有再自动重合闸，验证了故障辨识机理分析的正确性。

图4　人工模拟故障试验的电压波形

4.3　计算值与试验值的对比分析

1)瞬时性故障试验

如图4(a)所示，在发生瞬时性故障的跳闸时刻t0前，专用线接触网侧的电压为22 V，根据测量分压器的分压比1 700∶1进行换算，得到换算后接触网电压的有效值为26.4 kV；在t0时刻跳闸的瞬间保险丝熔断，根据保险丝技术特性估计熔断时间为100 ns, 暂态残压快速衰减到约(负)9 000 V,从拐点tk时刻又经过大约1.4 s，缓慢衰减至(负)3 500 V；开关站跳闸1.6 s后自动重合闸成功。

试验的专用线接触网采用单链型悬挂，接触线为GLCA-100/215型，承力索为GL-70型，结构高度为1 300 mm，单位长度电阻为0.231 Ω·km-1，对地电容为0.124×10-7F·km-1，12 km长接触网导线电阻R2=2.772 Ω，电容C2=1.49×10-7F；单线路互电容Cm=0；分压器的电阻R0=27.5 MΩ。在人工模拟瞬时性接地的过程中，保险丝未熔断前故障通道的等值电阻Rk≈0.5 Ω，保险丝熔断后Rk为无穷大。由于跳闸时刻接触网残压的初始值u0取决于断路器分闸时刻，是一个随机量，为了与试验结果比较，从图4(a)中查得分闸时刻的相位角大约为-66°,则残压初始值u0=-34 kV。故障发生在线路中间，按照式(6)和式(7)计算系数K和时间常数τ，按照式(3)分别计算暂态残压uc在拐点tk和重合闸tc时刻的大小，有关数值列于表1中。表1中还列出了tk和tc时刻的试验值，以及计算值与试验值的相对误差。

表1　tk和tc时刻的暂态残压计算值与试验值比对

从表1可以看到：接触网的暂态残压在拐点时刻tk的计算值与试验值非常接近，相对误差为1.5%；在重合闸时刻tc的计算值与试验值相差较大，原因是在图3所示的等值电路与计算中没有计入接触网绝缘子的表面泄漏电阻，若在tk时刻后计入接触网绝缘子的表面泄漏电阻(如取为20 MΩ)，则重合闸tc时刻的暂态残压为3 713 V，与试验值的相对误差仅为6%。

应该指出：接触网故障性质的判断需要应用综合判据；比如，在图4(a)已经看到暂态残压变化在tk有拐点，也超过了阈值1 kV，据此就可以判断故障的性质了，不再追求重合闸tc时刻的计算精度，从而较大地简化了计算，提高了故障辨识的速度，对工程应用十分有益。

2)永久性故障试验

因永久性故障导致跳闸后的专用线接触网电压如图4(b)所示，接触网暂态残压的试验值为0；若取永久性故障通道的等值电阻Rk=0，则暂态残压的计算值也是0，两者结果完全一致。

5　结　论

(1)永久性故障导致接触网暂态残压快速趋于零值。瞬时性故障使接触网具有一定数值的暂态残压，且呈指数衰减，故障消失前后的时间常数有所不同，衰减曲线出现拐点。对接触网的瞬时性故障性质进行判断，需要应用综合判据。现场试验表明，基于暂态残压的综合判断方法，能够辨识永久性与瞬时性故障；暂态残压在拐点时刻的试验值与计算值的相对误差为1.5%。由于本文方法在等值电路建立和计算推导过程没有人为假设条件，辨识方法具有一定的普遍意义，能够满足工程应用。

(2)在保障接地操作人员安全的前提下，用普通接地线进行人工接地，可以模拟接触网发生的永久性故障；在接地导线中串联保险丝、并采用2倍加长的绝缘杆人工接地方式，可以模拟接触网发生的瞬时性故障。试验结果表明：本文方法可以有效辨识接触网的故障性质。

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