基于相量测量在高铁供电故障分析中的应用

刘昊

摘 要：高速铁路牵引供电的数据采集与监视控制系统是基于同步相量测量技术的应用，在高铁牵引供电设备发生故障时，供电调度能通过scada系统上传到调度端的报文数据，快速分析判断故障性质，利用远动设备切除故障设备，保证高铁运输安全可靠。本文就相量测量数据在高铁供电故障的分析判断中的应用做了简单介绍。

关键词：相量测量;高速铁路;供电调度;故障分析

中图分类号：U238 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）20-0152-02

0 引言

随着我国高速铁路网络大面积投入运行，国家中长期铁路“八纵八横”格局建设的陆续完成，中国的轨道交通事业翻开了崭新的一页，当下乘坐高铁出行不仅成为国人的家常便饭，更是我国闪耀世界的一张金名片。涉及高速铁路的新装备、新技术也如排山倒海般地不断投入到实际运用中。

高速铁路牵引网采用牵引变电所、分区所和AT所全并联供电方式。各牵引变电所上行、下行馈线出口处分别设置电动隔离开关，配备有电力及牵引供电远动系统，电力及牵引供电设施纳入供电调度远动监控。

1 同步相量测量

牵引供电系统的电压水平受电力机车低功率因数、牵引负荷的不对称性、冲击性以及电力系统的运行方式和短路容量等因素影响，造成对牵引网的电压损失计算复杂，且变化幅度大的特点。

牵引网的电压变化（电压降△U）为首端电压U与末端电压U′的相量差。

如图1所示：j为功率因数角，θ为供电线路首端与末端的电压相量角。

实际运算中θ=arctan数值很小（大约在3°-5°之间），在工程计算中可以忽略不计，因此电压降（电压损失）的值约为△U=RIcosj+XIsinj。

在上述表达式中j为电流I和电压U′的功率因素角，当电流I超前电压U′时即为容性，j<0（即取负值）;当电流I滞后电压U′时为感性，j>0（即取正值）。

在对牵引网参数进行建立模型计算时，往往根据实际情况如线路的长短和电压等级等进行综合考虑，即用短线路还是中长线路进行参考建模。对于中长线路（一般线路长度大于80km小于250km时，线路中的充电电流不能忽略，必须考虑分布电容，也就是将一半的集中电容分布在线路两端进行建模）。

而对于目前高速铁路采用的双边供电模式，其牵引供电网络的供电臂（两相邻牵引变电所、变电所与分区所之间的距离）绝大多數均小于80km，且牵引网的标称电压为25KV，我们可以参考用短线路进行建模，也就是说可以忽略掉线路电容对计算的影响，将单位长度的线路阻抗与线路长度相乘而获得线路模型。如图2所示。

即X（t）=Xsin（ωt+j）

上述表达式中X是幅值，j为相位角度。相量测量就是同时测量幅值和相位，幅值用电压表和电流表测量，不同的时间参考点所读取的相位值不同，所以，相量测量必须选择统一的时间参考。基于GPS秒脉冲（统一时间参考）的相量测量能够完成实时监测功能，实时记录功能。正常的电路负载中r（电阻）是大于x（电抗）的，总阻抗主要由负载决定，有功分量大于无功分量，纯电阻电路中阻抗角为零。当发生短路故障时总阻抗则取决于线路阻抗（线路阻抗中电抗（x）大于电阻（r），阻抗特性成感性，电压超前电流）阻抗角增大，介于0°-90°之间。供电调度能通过相量测量上传至调度端的实时监测电压电流数据和阻抗角度大小值进行故障的快速分析判断。

2 相量测量数据的分析判断

高速铁路接触网故障停电时，供电调度员会立即对故障报文相关数据进行分析、判断，优先采用远动设备快速切除供电线、F线等不影响接触网送电的故障设备;做好高铁负荷特性跳闸、变电所故障越区供电等应急处置流程的应用;正确采取接触网最小单元停电、降弓通过等措施，最大限度地缩小停电范围，压缩停电时间、畅通运输秩序、满足滞留列车供电条件。

2.1 T线瞬时金属性接地故障的应用

2月5日19：44，某变电所上下行211、214馈线断路器跳闸，重合成功、动作类型为电流速断阻抗I段，上行TR故障，U=4.718kv，I=4807.983A，阻抗角度∠60.281°，故测距离0.505km。

根据相量测量数据，供电调度分析故障为金属性短路接地，根据故测距离得到对应公里数K1003+085，动车组不需降弓，上下行首列动车组在K1001+085至K1005+085限速80km/h，司机注意观察运行。后经过安排供电人员巡视检查发现在该供电区段10号杆有金属丝状物搭接随后处理完毕恢复正常。

13时42分，某牵引变电所上下行211、214馈线断路器跳闸，重合不成功，电流速断，上行TR故障，U=4788.332V，I=7169.190A，阻抗角∠56.10°，故测距离1.638km。

根据实测数据和相量角度，供电调度分析：短路相位角在50～75度左右，电压低于10000V，极有可能为金属性接地短路故障，经过查看列车运行图，发现有机车停在青X至乐X站之间，后经过司机检查和供电人员巡视发现机车受电弓被异物短接造成短路跳闸故障。

2.2 F线带过渡电阻的接地短路故障的应用

3月29日12：15，某变电所213馈线断路器下行跳闸，重合闸失败。动作类型：阻抗II段动作，F-R故障，跳闸数据：U=12600V、It=966A、If=959A，阻抗角34.5°、故测18.47km，对应供电单元为区间23#杆。

根据实测数据，短路相位角在10～50度，短路电流、电压在金属性和高阻接地之间，供电调度迅速判断疑似带过渡电阻的接地短路。迅速通知供电检修人员登乘动车组巡视、外围巡视，轨道车出动准备抢修。12：21列调反馈司机、车站未发现异常，12：23试送213断路器成功（该供电臂供电线隔离开关无法分断，无法直接切除F线）。12：34列调反馈该上行臂后续列车限速通过未发现异常。12：37列调反馈下行臂后续列车限速通过未发现异常，恢复常速。12：58供电工区检修人员添乘动车巡查供电设备可视部分无异常，13：30外围巡查完毕，供电设备可视部分无异常。30日0：17-2：41，供电工区申请故障检修，对跳闸供电臂进行上网检查，检查发现编织袋短接该供电单元55#杆AF线悬式绝缘子，悬式绝缘子有烧伤痕迹，随后当场更换。

2.3 F线短时接地、绝缘部件瞬时闪络（电击小动物）故障的应用

某日9：35祁某变电所211、`212馈线断路器跳闸重合成功，阻抗Ⅰ段保护动作，211母线电压11.88KV、电流It：813A、If：711A，阻抗22.97Ω、阻抗角71.9°。212母线电压10.95KV、馈线电流It：826A、If：2798A、阻抗14.55Ω、阻抗角69.5°。9：37祁某变电所211馈线断路器第二次跳闸重合成功，212馈线断路器重合失败。阻抗Ⅰ段保护动作，211母线电压11.63KV、电流It：825A、If：721A，阻抗22.72Ω、阻抗角72°。212母线电压10.69KV、馈线电流It：836A、If：2836A、阻抗19.89Ω姆、阻抗角74.1°。故标类型：212，F型故障，故标测距与第一次跳闸相同。

供電调度根据跳闸参数综合分析判断为212馈线F线短时接地故障，结合两次跳闸参数故障电压在10KV左右，角度小于75°且第一次重合成功，故障可能是短时接地故障或飞鸟撞线。供电调度立刻告知列车调度上述情况且太谷某站（含）至祁某东站（含）间上行线路接触网跳闸无电，命令该区段的动车组降弓后试送电，下行线路首列按故标指示位置前后两公里限速80km注意运行。9：40供电调度果断远动断开上行线F线隔离开关后试送电成功并通知接触网已恢复供电，且上行首列按故标前后两公里限速80km注意运行。随后供电调度通知祁某东牵引变电所及网电工区人员迅速巡视检查设备，2小时后网电工区人员巡视发现祁某东至太某西间上行线335km+600m处F线下锚绝缘子有放电痕迹，支柱根部有只被电击死的鸟。设备检查完毕后未发现其余设备异常，F线随后投入运行，祁某东变电所212馈线恢复AT供电方式。

2.4 高铁负荷特性跳闸的应用

2018年12月10日14时13分，某牵引变电所212馈线断路器跳闸，过电流动作，14时15分手动合闸成功（因下行供电臂有停电配合作业，自动重合闸取消，询问现场无异常后送电成功），电压26581V，电流1123A，电阻10欧，阻抗角9度，故判距离10.17km，对应该供电单元54号杆。

供电调度通过数据分析，阻抗角在0-20°，电流在2500A以下，电压20KV以上，判断为负荷特性跳闸，处置要点为不降弓不限速不巡视检查不影响正常动车运行。16时00分，供电车间巡检人员反馈未发现异常。原因，当时该牵引变电所212供电臂内共有3列电力机车运行，电流值为：1123A，超过过电流保护定值（1100A），多列机车瞬间同时加速取流，电流叠加，超出最大负荷能力，是造成212馈线保护装置动作跳闸的主要原因。

3 结语

综上所述，针对目前高速铁路牵引变电所断路器跳闸，重合闸和强送电均不成功，接触网或供电线、加强线断线接地，绝缘子击穿，隔离开关处于分闸接地状态下的分段绝缘器击穿，机车故障（如机车瓷瓶击穿），等较严重的弓网故障，以及断路器跳闸后重合成功（试送电成功）的绝缘部件瞬间闪络，电击人或动物等短时（瞬时）接地故障，基于相量测量的数据报文均能准确的反馈到调度端，辅助调度员做出正确的应急处置措施。确保高速铁路供电可靠，最大限度压缩停电时间，畅通运输秩序。

参考文献

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