接触网故障测距实现方案分析

常宝波，隋佳斌，程咏斌

（1.广州市扬新技术研究有限责任公司，广州 510540；2.佛山市铁路投资集团运营事业总部，广东 佛山 528000；3.广州市世科高新技术有限公司，广州 510540）

0 引言

地铁对于改善城市公共交通压力效果明显，目前我国很多大城市都在大力兴建地铁。实际运行中的地铁绝大多数故障是接触网故障［1］，其主要有两种短路故障类型，即接触网对钢轨（正极对负极故障），接触网对地（正极对地故障）［2］。接触网供电系统是地铁运行的重要组成部分，也是最薄弱的部分，因此接触网是地铁运行稳定性、安全性的关键所在。如何确保地铁直流牵引网的安全和稳定运行，在故障后地铁维修人员能够迅速查找故障点，进而恢复正常供电，减小停运带来的损失，就显得十分重要。但到目前为止，我国还没有实际运行的用于地铁故障定位的装置［3］，基本都是停留在仿真验证阶段［4－5］。虽然通过仿真验证了所提方法较之于实际中的故障测距精度更高，但仿真中都没有考虑大小双边切换供电方式的测距问题，并且大多都不是实时计算出故障距离的，应用起来困难、复杂、成本高。为改善目前故障测距方法的不足，本文结合地铁大小双边供电方式以及现有继电保护测控装置的特点，提出了利用直流馈线保护装置来实现两种适应大小双边切换供电方式的接触网短路故障测距方案。提出该方案的目的在于探讨接触网短路故障测距，为接触网短路故障测距的具体实施做好技术准备。

1 地铁直流供电系统特点

地铁直流供电系统的特点是大小双边切换的供电方式。地铁直流牵引供电系统一般是24脉波直流供电，电压为±1 500 V或±750 V左右［6］。在国内，DC1 500 V电流经馈线，通过接触网向电客车供电，并将上下行钢轨全并联作为回流导体，不另外假设回流线。这样的供电方式导致供电电压低，通过将上下行接触网并联双边供电的方式向电客车供电。现阶段，地铁通常采用大小双边切换供电方式供电。其特点是分为两种供电方式，即直流牵引供电系统正常运行的供电方式和牵引变电所因故障退出运行时的供电方式。

双边供电原理如图1所示，是直流牵引供电系统正常运行的供电方式，即小双边供电。虚框内的隔离开关全部断开，其余的断路器、隔离开关均闭合，机车获取的电流大部分来自相邻两侧的牵引变电所。

图1 双边供电原理

牵引变电所因故障退出运行时，则实行大双边供电。故障变电所的纵向开关均断开，横向隔离开关均闭合，其余变电所的纵向开关均闭合，横向隔离开关均断开。机车接受故障变电所相邻两侧变电所的供电电流。大双边供电原理如图2所示。

图2 大双边供电原理

2 接触网短路故障分析

城市轨道交通直流供电系统的电流经过馈线开关、馈线电缆、上网隔离开关到达接触网上，再通过机车上的受电弓到达列车，经过钢轨、回流线回到负极。由于供电电压高，供电电流形成的回路复杂，涉及的设备多，因此，接触网短路故障的原因多种多样，总体上可以分为以下两种类型。

（1）接触网对钢轨短路故障

这种类型的故障也可以称为正极对负极短路故障。当发生接触网断线掉落到钢轨上、机车顶部对接触网放电、接触网错误挂接地线等情况时，接触网便对钢轨发生短路故障。短路电流非常大，可达几万A，这会使直流开关大电流脱扣保护瞬间动作，DDL—Delta—I也会启动。造成城市轨道交通因接触网短路故障导致没有供电电流而停止运行。

（2）接触网对大地短路故障

接触网对大地短路故障也可以称为正极对大地短路故障。产生此种故障的原因有很多，主要有接触网直接接地；绝缘子击穿、折断；接触网对架空地线放电。

接触网对大地短路故障不会引起相应保护设备动作。故障时，电流持续性地流入大地，如果不及时清除，很容易将故障扩大，故障电流通过综合接地装置、钢轨与地之间的泄漏电阻到负极的短路故障，将会对直流设备造成严重烧损，甚至更大的破坏性。

3 接触网检测故障现状技术分析

到目前为止，市面上还没有成熟的接触网短路故障测距装置。当接触网短路故障发生时，需要先手动重合闸，以判断出故障的类型，再进行人工沿钢轨路径寻找短路故障点，或者直接进行人工沿钢轨寻找短路故障点。

手动重合闸成功时，表明故障是由接触网短时闪络或接触网断开直接接地造成的。此时，可以判定是接触网对钢轨短路故障。

手动重合闸不成功时，表明故障是由接触网对地短路而造成的。

这样检测故障的确定在于，手动进行重合闸时，虽然时间短，在合闸的时候，短路处照样会产生大电流，会对连接设备造成严重的损坏，甚至威胁到正在线上检测接触网人员的生命安全。从地铁公司的角度来看，这种方法显然不适合接触网短路故障的检测。

本文提出的接触网短路故障检测技术是在短路器断开之前就能检测到故障点，这样就避免了因检测故障进行重合闸而带来的经济损失以及人身安全威胁等等。

4 接触网短路故障测距方案

接触网对钢轨短路故障的测距等效原理如图3所示。图中，Reqm、Leqm和Reqn、Leqn分别为m、n两端整流机组等效内电阻和等效内电感；Ueqm、Ueqn分别为m、n两端供电电源；Rc、Lc和Rr、Lr分别为供电区间接触网和钢轨等效电阻、电感。

图3 接触网对钢轨短路故障测距等效原理

短路故障测距公式为：

接触网对地短路故障的测距等效原理如图4所示。图中，Reqm、Leqm和Reqn、Leqn分别为m、n两端整流机组等效内电阻和等效内电感；Ueqm、Ueqn分别为m、n两端供电电源；Rc、Lc分别为供电区间接触网等效电阻、电感。

图4 接触网对地短路故障测距等效原理

短路故障测距公式为：

针对上述的两种短路故障及其测量原理，对测距方案的要求主要有以下两点。

（1）采集数据的同步性。根据两个故障测距原理，可知所需采集量必须是同步数据。所需数据多，式（1）为6个，式（2）为4个，且分布在测量区间两端，对于DCR150的数据收集是非常困难的。

（2）采集数据的实时性。接触网短路故障发生后，在60 ms内，供电系统的断路器要断开，故而，对于方案的时间要求非常高。

可以设计出两种同时满足两种短路测距原理的故障测距方案。一种是电气量是基于电缆传输的，如图5所示；一种是电气量基于光纤传输的，如图6所示。

图5 基于电缆传输接触网短路故障测距方案

图6 基于光纤传输接触网短路故障测距方案

本文所提出的短路故障测距方案包括以下3种设备：

（1）双边联跳装置（以下简称：FMT100），用于实现地铁供电系统大小双边切换时，两个站之间电气量、开关量的传递；

（2）直流变送器装置（以下简称：DCS100），用于采集线路的电气量，并通过光纤或电缆将电气量信息传递给其他装置；

（3）直流继电保护测试仪（以下简称：DCR150），用于计算故障点的装置。

两种方案均需要6台双边联跳装置，8台直流变送器装置，8台直流继电保护测控装置，具体配置如图5～6所示。

基于电缆传输接触网短路故障测距方案，如图5所示，DCS100采集完间隔中的电流、电压，将电气量信号通过电缆传输给DCR150，DCR150与FMT100之间，以及FMT100之间通过光纤传递电气量数字信息。

这种方案要求DCR150处理的采集信号必须是同步的，可以在DCR150中需要添加数据信号的同步处理算法，如乒乓法，其原理如图7所示。将直流变送器选择为时间基准终端并设置为主站。与之直接连接的另一接触网上的直流牵引保护测控装置设置为子站。主子站是为了采样时间同步的方便而设置。时间同步利用一个数据帧接收时间执行。为了执行子站的时间同步，主站将时间信号发到子站并且子站的采样时间与子站接收时间同步。

图7 乒乓算法原理

基于光纤传输接触网短路故障测距方案，如图6所示，DCS100采集完间隔中的电流、电压，将电气量信号通过光纤传输给DCR150，DCR150与FMT100之间，以及FMT100之间通过光纤传递电气量数字信息。

这种方案要求DCR150处理的采集信号也必须是同步处理的，可以在直流变送器中添加GPR对时器，在DCR150中添加相应的数据解析算法。

上述两种故障测距方案对采集数据的实时性要求高，电缆和光纤的信息传输速度能满足DCR150对数据处理的要求。

上述两种接触网短路故障测距方案均能满足接触网短路故障测距要求。方案有如下优点：

（1）具有实时性、同步性的特点；

（2）本方案所使用的装置是已在地铁运行多年而未出错的装置，故其测量稳定性、准确性是可以保障的；

（3）所使用的装置是在原有的装置上进行改造的，故本方案实现简单；

（4）使用的装置是现有的装置，故而花费少。

5 结束语

本文针对地铁供电系统大小双边切换供电的特点，分析了接触网对钢轨、对地故障、接触网中电流情况，提出了能够同时解决大小双边供电方式时接触网对钢轨、地短路两种故障类型的两种故障测距方案，即电气量信息基于电缆传输与电气量信息基于光纤传输。经分析得出，该方案具有实时性强，在故障发生时即可计算出故障距离，可大大缩小地铁维修人员排查故障的时间；该方案通过直流馈线保护装置来实现，实现起来具有简单可靠、成本低等优点。