牽引網(wǎng)故障測距

1、牽引網(wǎng)故障測距曾振華（華東交通大學(xué)，電氣與電子工程學(xué)院，江西南昌330013）摘要：我國電氣化鐵道采用工頻單相交流牽引制式，根據(jù)牽引網(wǎng)不同供電方式的要求及牽引 變電所為抑制單相牽引負(fù)荷造成電力系統(tǒng)的不對稱影響，常采用不同接線方式與結(jié)構(gòu)的主變 壓器，在高壓輸電線中利用故障電流分量消除過渡電阻影響的阻抗測距原理及將其用于牽引 網(wǎng)饋線故障測距的計算，采用該方法可以極大提高牽引網(wǎng)故障測距的測量精度。最后，提出 根據(jù)AT變壓器投入情況進(jìn)行整定值切換的方法，以保證距離保護(hù)的可靠性。關(guān)鍵字：牽引網(wǎng)；故障測距；阻抗法；故障分量法；AT供電系統(tǒng)；饋線保護(hù)策略中圖分類號：U223.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A目前，電氣化鐵道

2、存在多種供電方式，主要有直接供電方式、帶回流線的直接供電方式、 BT供電方式、AT供電方式等，應(yīng)用于電氣化鐵道的故障測距裝置大多數(shù)是基于阻抗測距原 理的單端測距裝置。在雙邊供電方式下這種測距方法在原理上受過渡電阻的影響較大，因此 要保證良好而穩(wěn)定的測距精度將是十分困難的。上述不同的牽引變電所形式、不同的牽引網(wǎng) 供電方式及針對單復(fù)線電氣化區(qū)段，對故障測距均有不同的要求。因此，有必要研究針對不 同類型牽引網(wǎng)的故障測距算法。電力牽引負(fù)荷的特點：從故障測距涉及的因素來考查電力牽引負(fù)荷的特點，會發(fā) 現(xiàn)它有以下一些特點值得關(guān)注。（1）一段牽引網(wǎng)一般只由1臺變壓器從單端供電，形成明顯的線路首端和末端，并 且

3、沒有分支；在線路的首端，可將變壓器看成它的電源；（2）單臺機(jī)車功率相對于變電所容量較大，因此，機(jī)車的各種工況導(dǎo)致的負(fù)荷電流 波動較大；電流的變化以突變（階躍）居多；（3）負(fù)荷峰、谷值相差懸殊；（4）滑動取流的機(jī)車受電弓由于離線產(chǎn)生電弧及機(jī)車的頻繁調(diào)級、投切（變壓器空載），導(dǎo)致在系統(tǒng)中產(chǎn)生豐富的諧波（高次及分次）；（5）系統(tǒng)的回流（經(jīng)回流軌、地或回流線）雜亂。各種測距方法在牽引網(wǎng)中應(yīng)用的比較，按照故障測距原理，輸電線故障測距可分為阻抗 法、故障分析法，行波法和AT距離保護(hù)法。1阻抗法的故障測距原理阻抗法的故障測距原理是假定輸電線為均勻線，在不同故障類型條件下計算出的故障回路 阻抗或電抗與測量點到

4、故障點的距離成正比，從而通過計算故障時測量點的阻抗或電抗值除 以線路的單位阻抗或電抗值得到測量點到故障點的距離。在已有的輸電線故障測距裝置中， 由于阻抗法測距簡單可靠，雖存在測距精度問題，但可利用線路一端電流的故障分量以克服 過渡電阻的影響12所以被廣泛采用。測距的精度在牽引網(wǎng)故障測距中有著極其重要的意 義，它直接影響到線路故障的查找和排除故障時間的長短。測距精度高可以縮短搶修時間， 快速恢復(fù)行車，減少經(jīng)濟(jì)損失。目前在牽引網(wǎng)故障測距中普遍根據(jù)阻抗法的電抗測距原理， 以消除故障時過渡電阻的影響，但是這種測距方法只在單邊供電方式且無機(jī)車負(fù)荷條件下測 距較準(zhǔn)確，而在雙邊供電方式下將產(chǎn)生較大誤差，為此

5、有必要研究在雙邊供電方式下及有機(jī) 車負(fù)荷時故障測距的方法。1.1在測距中消除過渡電阻影響的計算在阻抗法測距中消除過渡電阻對測距影響的計算如圖1所示，設(shè)M端為測量端，則測 量阻抗1為Z = U ii = Z -1 + （I I I ） R 式中：Z為線路單位長度的阻抗；1MF為M端到故障點F的距離；lj為M端測量到的對地 電壓；iM為m端測量到的電流；rf為故障點的過渡電阻；if為故障點的短路電流。只有在Rf=0時，即發(fā)生金屬性短路，測量結(jié)果準(zhǔn)確。在RF尹0時，即發(fā)生通過過渡電 阻短路，測量結(jié)果有誤差，對這種情況應(yīng)加以消除，以滿足測量精度的要求。以下是兩種供 電方式下減小過渡電阻影響的方法。1.

6、2單邊供電方式在單邊供電方式（單端電源供電方式）下iM=iF，因此測量阻抗為Zm=Z1mf+Rf，（2）對式（2）取虛部有Im zm=Ioz1Mf+Rf，于是測量電抗 乂乂匕 ,1MF=XM/X，式中：X為線路單位長度的電抗。從而消除了過渡電阻rf對測距的影響。1.3雙邊供電方式由于在正常狀態(tài)下不存在故障分量的電壓、電流，故障分量只有在故障狀態(tài)下才出現(xiàn)， 所以可以利用故障分量電流來消除過渡電阻影響。根據(jù)疊加原理，可將圖1分解為正常狀態(tài) 和故障附加狀態(tài)的疊加。iMq、/Nq分別為M端和N端的故障前（正常狀態(tài)）電流。圖2正常狀態(tài)圖再根據(jù)疊加原理解iMq=iM-iMf可推得m端電流的故障分量與故障點

7、電流之間存在以下 關(guān)系eqiMf= iM -iMq = CMiF，（5）(6)式中：iMq、iM為m端故障前和故障后電流；iMf為m端的故障分量電流；cm為m端的電 流分布系數(shù)，i(6)C = Z R + Z 1 MN Z 1 MF，M Z + Z + Z -1電流分布系數(shù)CM 一般為復(fù)數(shù)，令CM = CM e jM2全并聯(lián)AT供電方式饋線保護(hù)策略全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)（如圖1）發(fā)生故障時，上下行需要同時跳閘，才能切除故障，但是這 樣會擴(kuò)大停電范圍，使故障線路和非故障線路同時停電。饋線保護(hù)策略應(yīng)該盡量縮小發(fā)生故 障時的停電范圍，并要求故障線路及時退出運行，非故障線路快速恢復(fù)供電。圖1全并聯(lián)AT供電

8、系統(tǒng)供電臂示意圖由圖1可見，由于牽引變電所主變壓器采用V/X接線，所以在出口處不需要單獨設(shè)AT 變壓器。在正常運行時AT所和分區(qū)所自耦變壓器1臺運行，1臺備用，所有饋線斷路器和 隔離開關(guān)都閉合。當(dāng)發(fā)生故障時（如K1處短路），斷路器動作順序如下：1QF和2QF同 時跳閘，使上下行全部停電。AT所和分區(qū)所檢測到線路失壓，使其斷路器（3QF、4QF、 5QF和6QF）跳閘。經(jīng)過上面的操作，全并聯(lián)AT供電系統(tǒng)變成上下行相互獨立的直接供電 系統(tǒng)，同時使故障線路和非故障線路分隔開。饋線斷路器（1QF和2QF）重合閘，若K1 處故障是永久性故障，則上行重合閘失敗，下行重合閘成功，否則上下行重合閘都成功。 當(dāng)

9、AT所和分區(qū)所檢測到線路有壓后，相應(yīng)斷路器進(jìn)行重合閘。由于所有AT變壓器同時投 入，會使線路產(chǎn)生較大的勵磁涌流，為了避免較大的勵磁涌流對斷路器等設(shè)備產(chǎn)生影響和引 起保護(hù)誤動，AT變壓器按距離牽引變電所的近遠(yuǎn)，通過一定時限配合依次重合閘，同時系 統(tǒng)由直接供電方式逐漸變成AT供電方式（如3QF和4QF檢測到線路有壓后，通過一定時 間延遲進(jìn)行重合閘，而5QF和6QF重合閘的時間延遲較3QF和4QF長）。通過上面的保護(hù)策略，若線路為永久性故障，可以使非故障線路快速恢復(fù)正常供電，故 障線路退出運行；若為瞬時性故障，上下行可以快速恢復(fù)成全并聯(lián)AT供電方式。3行波法的故障測距原理行波法是根據(jù)行波傳輸理論實現(xiàn)

10、對輸電線故障測距的方法。由于行波在線路中有比較穩(wěn) 定的傳播速度，且測量到的時間差不受線路類型、故障電阻及系統(tǒng)運行參數(shù)等影響，因而， 行波法故障測距有較好的精度和穩(wěn)定性。早期利用行波的測距裝置可分為A、B、C型3種。A型裝置利用故障點產(chǎn)生的行波在測 量點到故障點間來回往返的時間與行波波速之積來確定故障位置；B型裝置利用故障點產(chǎn)生 的行波到達(dá)兩端的時間差與波速之積來確定故障位置；C型裝置是在故障發(fā)生時于線路的一 端施加高壓高頻或直流脈沖信號，根據(jù)脈沖往返時間來確定故障位置。這3種方法中，A型、C型為單端測距；B型為雙端測距，需要有兩端通信。A型和B 型裝置對輸電線路的瞬時性和永久性故障均有較好的適

11、應(yīng)性，C型裝置則可在線路斷開的條 件下檢測出故障，因此多用于永久性故障定位?，F(xiàn)代行波法中，基于全球定位系統(tǒng)（GlobalPosi tioning System，GPS）精確對時的 雙端行波法的D型裝置（原理同B型）使得行波故障測距的實現(xiàn)既簡單又精確穩(wěn)定，并且有 良好的適應(yīng)性。由B型裝置的測距算法可看到，由GPS精確獲得tT、tQ、tC是可能的，而行 波速度v 一般是穩(wěn)定的，因此由D型裝置獲得的Df也將是精確而穩(wěn)定的；將行波法應(yīng)用于電氣化鐵道牽引網(wǎng)的故障測距，行波信號可直接通過電壓互感器、電流 互感器獲取，其測距精度和穩(wěn)定性不受過渡電阻及上述牽引負(fù)荷特點(2)(3)(4)等造 成的影響。這將有可

12、能消除牽引網(wǎng)測距中的多種偶然誤差，真正得到牽引網(wǎng)故障定位穩(wěn)定而 精確的結(jié)論。4結(jié)語比較阻抗法、故障分析法及行波法在電氣化鐵道牽引網(wǎng)中故障測距的適應(yīng)性，筆者發(fā)現(xiàn) 前兩種方法固然有它的優(yōu)點，但隨著輸電線行波傳輸理論研究的深入及電子技術(shù)、計算機(jī)技 術(shù)的發(fā)展和相關(guān)技術(shù)的引入，現(xiàn)代行波法將更勝一籌，其應(yīng)用前景將更加廣泛。然而根據(jù)全 并聯(lián)AT正常供電時，分區(qū)所和AT所只有1臺AT變壓器投入的特點，提出的饋線保護(hù)策 略能夠消除線路瞬時故障，縮小停電范圍，滿足高速鐵路的要求。分析了上行發(fā)生永久性故 障后下行恢復(fù)供電的變化過程，并且對各種變化過程的線路進(jìn)行了短路阻抗仿真。最后通過 比較分析，提出根據(jù)AT變壓器的

13、投入情況切換不同的整定值，從而保障供電的可靠性。5參考文獻(xiàn)賀威俊，簡克良.電氣化鐵道供變電工程M.北京：中國鐵道出版社.董新洲，葛耀中，徐丙垠，等.新型輸電線路故障測距裝置的研制J.電網(wǎng)技術(shù)，1998， 22 (1)： 17 21.熊列彬.全并聯(lián)AT供電方式下供電臂保護(hù)控制方案J.電力系統(tǒng)自動化，2006, (22):73-76.王繼芳，高仕斌.全并聯(lián)AT供電牽引網(wǎng)短路故障分析J.電氣化鐵道,2005,(04):20-23.葛耀中.新型繼電保護(hù)與故障測距原理與技術(shù)】M.西安：西安交通大學(xué)出版社， 1996. 6Milland.A,Taylor.I.A, Weller.G.C,AC electr

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16、action substation to curb the single-phase tractions load caused power system of asymmetry affect, often using different connection mode and structure of the main transformer,the principle of the distance measuring via impedance in high voltage power， transmission line with fault current component to eliminate the impact of transient resistance and its computation applied in fault location of feeders in traction power network, which will dramatically improve the accuracy for fault location.Finally, put forward a protection scheme, which a