高速铁路接触网分布式故障诊断技术研究

章来胜

(中国铁路上海局集团有限公司 供电部, 上海 200071)

《输电线路分布式故障诊断系统》(GB/T 35721—2017)由国家质量监督检验检疫总局和国家标准化委员会于2017年12月29日发布，2018年7月1日实施的标准。分布式故障诊断系统在电力行业逐步推行。铁路供电系统目前没有成熟运用经验，还未建立相关标准和体系。

目前，铁路牵引供电系统故障诊断系统采用继电保护方式，采取电抗法、上下行电流比法、吸上电流比法等进行故障测距，一般要求故障测距误差500 m范围内，左右共计1 000 m，抢修人员查找故障点困难，耗费天窗时间和人力较多，延误故障查找和应急处置。根据《铁路技术规程》(高速铁路)接触网跳闸重合闸成功后，后续首趟高铁列车在故标指示前后2 km范围内限速80 km/h运行，司机注意观察接触网情况，如果故标误差大于2 km，超过限速范围，对高速运行通过故障点的动车组带来巨大安全风险。

研究分布式故障诊断技术，精准故障定位，精确故障性质，提高故障诊断针对性，指导安全生产，具有现实需求。

1 分布式故障诊断

高速铁路接触网分布式故障诊断是由分布安装在牵引变电所、AT所、AT分区所等供电线上的监测终端，不间断监测接触网工频电流、电压，当接触网故障引起牵引变电所断路器跳闸时，监测终端进行故障行波录波，通过技术计算，精准定位接触网故障点，精确辨识故障原因。

2 诊断技术分析

(1)监测终端

监测终端(如图1所示)外形成圆柱状，直径150 mm，长度300 mm，总质量6.3 kg，由上下两个半圆柱体合并而成，工作电源采取耦合取电方式，耦合取电正常工作电流范围为30～2 000 A。监测终端具有接触网故障行波信号的检测与采集、数据处理、数据通信、自检和自恢复、软件升级功能蔽等功能。设备为独立电位安装，无高低电位的连接问题，也无其他较长引线，不会出现连接高低电位的隐患，免维护，预计寿命15年以上。

图1 监测终端设备

(2)定位原理

高速铁路接触网线路发生故障产生的行波电流在故障点向两边传播，基于接触网线路两端同步采集的行波信号(见图2)，利用双端行波定位原理，当行波电流到达监测A、B端时，对应时刻分别为t1和t2，则传播时间差为δt=∣t1-t2∣，因此故障点到A监测端的距离L1为：

图2 行波定位原理

其中L为两监测终端线路总长，v为行波电流在接触网线路中的传播速度。

(3)故障判断

分布式诊断系统判断高速铁路接触网发生故障且继电保护启动动作的依据：电压降低，并最终降为0 V；产生短路电流，并在分闸时降为0 A。

图3 故障电流、电压波形示例

(4)行别与相别判断

根据故障行波电流方向(见图4)，可知：故障发生在牵引变电所、AT所、AT分区所的行波电流流向相同行别；同理，故障发生在牵引变电所、AT所、AT分区所的行波电流流向相同相别(T/T相)。

图4 电流流向

例如，当故障发生在上行T相时，牵引变电所、AT所、AT分区所的上行T相行波电流流向相同，下行或F相行波电流流向相反。

(5)校验波速与初定位

使用默认波速(290 m/us)通过变电所与分区所的波形初步计算故障点位置，再使用非故障区段两端波形反算出线路实际波速(见图5)。

图5 初定位示意图

(6)精确定位

分别使用变电所、AT所、分区所监测到的行波进行精确定位，选取两端波形时间差最小的诊断结果作为最终定位结果(见图6)。

图6 精确定位示意图

(7)故障原因辨识

先用小波变换原理将监测到的故障波形分解为不同频率波段的波形，再用FFT(Fast Fourier Transformation快速傅氏变换)对故障波形进行加工分解，获取不同频率波段信号的中心频率与最大幅值，将历史波形案例在不同频率段的最大幅值学习形成故障原因集合需要通过试验或实际故障建立集合，根据故障波形的中心频率与最大幅值，映射到故障原因集合，对应映射点落入置信区间为故障原因。

3 试验验证

2018年10月新建杭州至黄山铁路联调联试期间，在接触网短路试验项目同步开展了高速铁路接触网分布式故障诊断系统试验验证。在杭黄铁路建德东牵引变电所、廷章AT所、文昌西AT分区所T/F相供电线上安装监测终端(见图7和图8)。

图7 杭黄铁路建德东—文昌西接触网分布式诊断示意图

图8 供电线上安装的监测终端实物图

短路试验采用金属性接地试验、非金属性接地试验(树枝和小动物)类型，在供电臂第1 AT段和第2 AT段共计进行7次短路试验。根据现场设备采集波形计算故障点位置，与实际故障点对比，见表1所示。

通过高速铁路接触网分布式故障诊断系统定位的故障点位置与实际试验设置的故障点位置吻合，平均定位误差在100 m(2两个接触网跨距)以内；系统对于不同接地方式的故障具有良好的适应性，其定位精度不受接地方式的影响；故障原因辨识基本能够有效区分接触网上发生的故障类型，更精细的故障原因辨识方法尚需数据积累。

第1次试验诊断分析(117#支柱(K156+39)F相金属性接地)

(1)故障判断

2018-10某时间段，杭黄铁路5113供电单元变电所、AT所、分区所均监测到故障电流、电压波形(如图9所示)。故障电压波形出现降低，并最终分闸到0 V；故障电流波形出现明显的短路电流，并在分闸时归0 A。

图9 建德东牵引变电所监测终端监测的电流、电压波形

表1 计算和实际故障点位置对比

(2)相别与行别判断

根据监测到的建德东牵引变电所、廷章AT所、文昌西AT分区所T/F相电流波形(见图10)，T线变电所与AT所、分区所电流方向相反；F线变电所与AT所、分区所电流方向相同，所以故障发生在F线上。

图10 T线变电所与AT所、分区所电流及F线变电所与AT所、分区所电流

(3)精确定位过程

使用默认波速，牵引变电所与分区所行波初步定位在分区所附近；使用牵引所与AT所校验得到实际波速为296 m/us。使用时间差最小的两个波形(AT所与分区所)进行精确定位得到故障点位置为距离文昌分区所上网点的117#支柱约25 m(误差25 m)，见图11。

图11 精确定位计算

(4)故障原因辨识

选取故障点最近的故障行波波形(分区所)，通过小波变换原理、FFT变化将监测到的故障波形分解为0～62.5～125～187.5～250 kHz 4个频率波段的波形，同时获取不同频率波段信号的中心频率与最大幅值(如图12所示)，映射到故障原因集合，对应映射点落入金属95%置信区间(如图13所示)，其故障性质为金属性接地。

图12 不同频率波段信号的中心频率与最大幅值

4 故障诊断实例

2018年4月在沪宁城际铁路无锡东牵引变电所供电臂上应用了分布式诊断系统，在牵引变电所、AT所、AT分区所供电线上分别安装了行波监测装置。2019年4月30日某时刻，分布式诊断系统监测到沪宁城际609供电单元故障行波，判断接触网发生故障跳闸，经过系统计算，故障公里标为K113.11808，故障具体位置为无锡新区站37#支柱。接触网设备运营维护单位上海高铁维修段常州综合工区天窗点巡查故障点，实际故障点为37#～39#跨中，因无锡新区3道雨棚铝质封边条从固定处脱落后短接3道承力索，造成接触网跳闸，重合闸成功。分布式故障诊断定位误差接近0。无锡东牵引变电所故障测距装置通过吸上电流比法计算给出的故标指示位置为K111+456(区间)，故标误差1 660 m。

图13 故障原因集合

(1)故障相别分析

由无锡东609供电单元变电所、AT所、分区所位置设备监测的合并工频电流主波极性相同，可判定本次故障为T线故障，见图14。

(2)故障点位置分析

线路发生跳闸，故障点电流行波从故障点传到AT所与故障点传到无锡东变电所差为ΔT为99.5 μs，因此可判断故障点距离牵引所设备安装点为7.21 km，由于牵引所安装设备距上网点(K106.605)距离为0.69 km，所以故障点距离上网点为6.52 km，对应公里标为K113.118，对应支柱为无锡新区站37#，见图15。

图14 无锡东609供电单元牵引所、AT所、分区所故障工频电流

图15 行波电流

新区站位置=(L-v×ΔT)/2=7 210(m)

L为无锡东牵引所到AT所距离

v=290 m/us

(3)故障类型分析

由于雷电流能量很大、衰减较快，所以雷电流幅值较大、主波脉宽较窄。本次故障主波脉宽≥20 us、电流行波幅值≤200 A，因此本次故障可判定为非雷击故障，波形见图16。

5 结束语

分布式诊断技术完全不依赖传统继电保护，彻底与之分离。分布式诊断终端安装在供电线上，避开接触网接触线或承力索，不属于高铁轨旁设备范畴，简单易行，安全可靠。通过试验和运行实践，分布式故障诊断技术定位误差在100 m范围内(左右2个跨距)，不但提高查找故障精准度、针对性，而且基本消除故标误差大引起的高铁列车安全风险，对高速铁路接触网运行安全和故障诊断技术发展具有重要意义。