1、铁路自闭/贯通线路行波故障测距技术科汇电气 铁路自闭 /贯通线路行波故障测距技术I前 言本文简要介绍了铁路自闭/贯通线路的结构特点、故障特征以及传统的故障检测方法。分析了电力线路故障行波的产生和传输特征，介绍了基于行波理论的 4 种测距方法及其在输电线路的应用。针对自闭/ 贯通线路结构的特殊性，提出了应用行波测距的基本模式：利用两相线路之间的故障电压行波信号、基于双端原理测量故障距离，对实用中面临的关键技术进行了详细分析。最后介绍了科汇电气公司生产的 TXC2000 型行波测距系统，给出了现场人工试验和试运行结果。本文是科汇电气有限公司内部培训教材，也可供其他从事铁路自闭/贯通线路运行的技术人
2、员和管理人员参考使用。参加本文编写的有科汇电气有限公司薛永端博士、徐丙垠博士、李京、陈羽、陈平博士，山东大学季涛博士、刘洪军等。济南铁路局机务处张忠权高工对全文进行了审阅。本文书写过程中，还得到科汇电气有限公司颜廷纯、田江涛、韩建军、李胜祥、熊立新等同仁的帮助，在此一并表示感谢。鉴于编写者水平所限，准备的比较仓促，文中难免有错误或不足之处，欢迎读者提出宝贵的意见、建议并予谅解。本文版权归科汇电气有限公司所有，未经同意，请勿自行复制。编者 2005 年 3 月科汇电气 铁路自闭 /贯通线路行波故障测距技术II目 录第 1 章 概述 .11.1 自闭/贯通线路故障测距的作用及意义 .11.2 对故
3、障测距装置的基本要求 .2第 2 章 自闭/贯通线路故障特征及传统测距方法 .32.1 自闭/贯通线路结构特点 .32.2 自闭/贯通线路故障特征 .42.3 传统故障测距及定位方法 .52.4 传统故障定位或测距方法性能评价 .6第 3 章 行波测距基本原理 .73.1 行波的基本概念 .73.2 行波故障测距原理 .83.3 行波测距在输电线路的成功应用 .10第 4 章 自闭/贯通线路行波测距模式 .124.1 利用双端法测距 .124.2 利用电压行波作为测量信号 .134.3 选择线模分量实现测距 .144.4 自闭/贯通线路行波测距模式 .17第 5 章 关键技术问题及解决 .18
4、5.1 行波信号的获取及信号利用方式 .185.2 超高速数据采集 .195.3 时间同步及故障行波脉冲到达时间检测 .195.4 混合线路对检测可靠性的影响分析 .205.5 过渡电阻、故障初相角对检测可靠性的影响分析 .215.6 通信问题的解决 .22第 6 章 行波测距装置及系统 .236.1 系统构成 .236.2 系统工作原理 .246.3 行波分析功能描述 .256.4 主要技术特点 .26第 7 章 现场试验及实际运行结果 .287.1 试验线路示意图 .287.2 人工试验及结果 .28第 8 章 结束语 .33科汇电气 铁路自闭 /贯通线路行波故障测距技术第 1 页 第 1
5、 章 概述铁路电力系统工作于电网末端，属于供配电环节，但由于涉及到行车安全等因素对供电可靠性要求极高。同时，其线路结构、运行方式与地方电网相比有较大差别。因此，在包括故障测距在内的铁路电力系统自动化过程中除了要借鉴地方电网已有的成熟经验外，还需要探索一些专用方法。1.1 自闭 /贯通线路故障测距的作用及意义自闭/贯通线路是铁路电力系统的重要组成部分，肩负着为铁路信号设备可靠供电的艰巨任务。在密如蛛网的铁道线上，高速飞驰的客货列车都是由信号设备指挥的，信号设备的正常运转是确保列车正常准点、安全运行的重要保证，随着铁路信号技术的发展和应用，铁路信号已成为提高运输效率，实现运输管理自动化和列车运行自
6、动控制以及改善铁路员工的劳动条件的重要技术手段。因此对自闭/贯通线路的可靠供电就显得尤为重要。自闭/贯通线路沿铁路线狭长分布，沿线地质和气象条件复杂。线路长期暴露在自然中，经受着风、雨、雷、电、污、雾的侵害，是铁路供电系统的最薄弱环节，也是故障发生最频繁的地方。同时铁路线路难免要穿越山区、沙漠等偏僻地带，且故障往往发生在狂风、暴雨等恶劣天气中，这给故障的查找、维修带来极大的不便。由此可见，对于供电可靠性要求非常高的铁路自闭/贯通线路，在线路极易发生故障，且故障的查找、维修十分不便的情况下，对故障点的及时、准确定位就显得尤为重要。其重要性可表现为以下几个方面：（1）准确的测量出故障点，可以节省人
7、工寻找故障点位置所消耗的大量人力、物力、财力。（2）可以缩短故障修复时间，提高供电的可靠性，减少停电损失。为铁路安全运行提供了保证。（3）分析故障发生的原因，并采取适当的预防措施。对于占绝大多数的瞬时性故障，可以区分是雷电过电压造成的故障还是线路绝缘子老化造成的故障以及其他原因造成的故障，并采取有效措施，清除存在的隐患，避免事故的再一次发生，可以大大节省检修时间和费用。科汇电气 铁路自闭 /贯通线路行波故障测距技术第 2 页 1.2 对故障测距装置的基本要求根据故障测距的目的和作用，测距装置应该在可靠性、准确性、经济性、方便性等方面满足一定的要求。（1）可靠性可靠性包含两方面的内容：其一为不拒
8、动，是指装置在故障发生后能可靠的测量出故障点的位置，不应由于任何原因而拒动；其二为不误动，是指装置在受到各种干扰时不能错误地发出测距的指示或信号。（2）准确性准确性是对故障测距装置最重要的要求，没有足够的准确性就意味着装置失效。准确性一般用测距误差来衡量，包括绝对误差和相对误差，绝对误差以长度表示，相对误差用相对于线路全长的百分比来表示。由于技术和经济等因素的限制，测距误差不可能做到太小。故障测距只要能够定位到绝对误差不超过 300 m 就非常理想。从实用的角度来看，只要绝对测距误差不超过 1 km 就可以较好地满足现场要求。故障测距的准确性与可靠性是有关联的，可靠性是准确性的前提条件，离开可
9、靠性来谈论准确性是没有意义的。另一方面，如果测距误差太大，比如超过线路全长的 20%，则可以说测距结果是不可靠的。（3）经济性测距装置应具有较高的性能价格比，且其运行维护费用要低。（4）方便性测距装置应便于调试和使用，故障后能自动给出测距结果。科汇电气 铁路自闭 /贯通线路行波故障测距技术第 3 页 第 2 章 自闭/贯通线路故障特征及传统测距方法铁路自闭/贯通线路由单独母线供电，中性点一般为不接地系统。对于频繁发生的单相接地故障（俗称小电流接地故障） ，故障电流较小，易于故障电弧熄灭形成瞬时性故障，且系统可带故障运行，保证了供电的可靠性。但同时受各种条件限制，传统的故障定位方法效果均不理想。
10、2.1 自闭 /贯通线路结构特点铁路电力系统（自闭/贯通线路）是地方电力系统的延伸，具有电力系统的一般特点，但又有其特殊性。铁路自动闭塞行车制度是通过信号机将站间区间分为若干闭塞区间，每个闭塞区间同时只允许有一列车通行以保障行车安全。采用自动闭塞后，可以大大缩短列车运行的时间间隔，提高行车速度和通行密度。由于涉及到行车安全，对信号电源供电的可靠性要求非常高。信号电源的高压线路一般为中性点不接地的 10kV 系统，主要包括自闭（自动闭塞）和贯通（电力贯通）两种线路。自闭/ 贯通线路长度一般条件下为40-60km，特殊情况下（没有合适电源或者跨所供电）可达上百公里。自闭线专为铁路沿线信号设备提供电
11、源，当其发生故障时由贯通线备投。贯通线还兼为沿线小型车站的工作和生活供电。自闭线和贯通线自身又均为双端电源，正常工作时为单电源供电，当线路失压时由对端电源备投。自闭/贯通线路结构如图 2-1 所示。 CBCB上 行 线下 行 线 贯 通 线CB 控 制 箱 控 制 箱CB配电所甲 配电所乙自 闭 母 线贯 通 母 线 贯 通 母 线自 闭 母 线CBCB CBCB自 闭 线CB1CB8 为出线断路器： 分位 合位科汇电气 铁路自闭 /贯通线路行波故障测距技术第 4 页 图 2-1 铁路自闭/贯通线路结构示意图由于信号设备负荷较小，自闭/贯通线路对地分布电容电流所占比重较大，尤其是在电缆较长的情
12、况下甚至超过负荷电流。有些地方为了消除分布电容引起的线路过电压，在线路中加有三相对地电抗负荷以平衡电容电流。自闭/贯通线路由自闭/贯通母线单独供电，其经过了调压变压器与常规母线隔离。通常，自闭/贯通母线只为一侧自闭/贯通线路供电。只在特殊情况下，才可能为两侧自闭/贯通线路同时供电，而此时可将两侧的自闭 /贯通线路在逻辑上看作一条线路。即任何时刻，自闭/贯通线路均可认为是单出线、长距离系统。线路两端的配（变）电所电源取自地方电力系统，进线电压等级一般为110kV、35kV、10kV，其中 10kV 应用最为广泛，为双电源供电互为备用。2.2 自闭 /贯通线路故障特征自闭/贯通线路发生短路或小电流
13、接地故障时，产生的工频故障电压电流特征与地方配电网基本相同。2.2.1 短路故障两相或三相短路故障时，短路相电压显著降低，同时产生较大的短路电流。由于调压变压器的隔离作用，同等条件下短路电流将比地方电网的要小。且短路点到配（变）电所的距离越长，短路电流越小。其中，出口故障时短路电流约在 300A 左右，而线路末端故障时短路电流约在 50A 左右甚至更低。由于故障电流较大，需要及时切除故障线路以免损坏其它电力设备。2.2.2 小电流接地故障特征对于中性点不接地系统，发生单相接地（金属性）故障时，故障相对地电压降低为零，两个健全相对地电压升高 倍（等于各自对故障相间的线电压） ，3同时三相电压的相
14、位也发生变化，使三相之间的线电压仍然保持不变。同时，系统出现零序电压，零序电压等于故障前故障相电压的反相电压。伴随零序电压，系统将出现零序电流，其幅值等于故障点故障电流的三分之一，而故障电流等于自闭/贯通线路对地分布电容电流。对于架空线路构成的自闭/ 贯通线路，接地故障电流一般在 5A 以内。随着线路中电缆的增加，接地电流也有所增加。当接地点存在一定过渡电阻时，故障相电压不再为零，其幅值随过渡电阻科汇电气 铁路自闭 /贯通线路行波故障测距技术第 5 页 增加而增加。相应的，健全相电压的变化量以及系统零序电压、零序电流则随之减小。但三相线路之间电压关系、零序电压与零序电流间的关系仍保持不变。由于
15、接地故障后三相线路之间仍然保持电压平衡，且故障电流微弱，系统可带故障继续运行 12 小时，增加了供电的可靠性，也为故障查找、维修提供了宝贵的时间。发生单相接地故障时，由于调压器的隔离作用，其两侧互不影响，使故障范围仅局限于本线路内而不会扩大。2.3 传统故障测距及定位方法由于线路结构不同，自闭/贯通线路的故障处理要求也有所不同。如发生单相接地故障时，不同于地方电网传统要求的选择故障线路，而要求能够实现故障快速定位、隔离，并恢复健全区段的供电。对于自闭/贯通线路故障定位或测距问题，曾有专家尝试过阻抗原理测距技术，近年随着线路自动化的推广出现了利用 FTU 进行故障定位的方法。2.3.1 阻抗测距
16、法对于单端电源供电的线路来说，由故障时母线处测量的电压 、电流 计mVI算得到的等效电抗 XL或者等效电阻 RL与母线到故障点线路长度 L 成正比。用XL或 RL除以单位长度上电抗值 X0或电阻值 L0，即可得到故障距离，其关系可以表示为：（2-1）00/jIVLm2.3.2 基于 FTU 的故障分段定位法线路自动化中，自闭/贯通线路沿线装设有 FTU 监视线路的工作状况。故障时，FTU 将检测到的故障信息送至主站系统，主站根据相应的算法就可以实现故障的分段定位。在 图 2-2 所示线路中，当 F 点发生短路故障时，故障点上游的 FTU1 和FTU2 可检测到过流故障信息，而故障点下游的 FT
17、U3 和 FTUn 检测不到过流信息，从而将故障定位在 FTU2 和 FTU3 之间。而当 F 点发生小电流接地故障时，靠近故障点的 FTU1、FTU3 检测的零序科汇电气 铁路自闭 /贯通线路行波故障测距技术第 6 页 电流幅值大于离故障点较远的其它 FTU。同时故障点上游的 FTU1、FTU2 与其下游的 FTU3、FTUn 检测的零序功率相反。根据这些特征均可确定故障位置。FTU1 FTU2 FTU3通 讯 网 络SCAD系 统 FTUn信 号变 1 信 号变 2信 号变 n电 源 末 端图 2-2 基于 FTUs 的故障分段定位示意图2.4 传统故障定位或测距方法性能评价阻抗测距原理简
18、单，同时可以作为电力系统中广泛使用的微机保护及滤波装置附加功能，具有投资少的优点。但由于其受故障点过渡电阻、线路分布电容、线路负荷、电源参数以及 TA、TV 测量精度的影响较大，测距误差大、适应能力差。特别对于小电流接地故障，由于故障电流微弱，测距精度根本无法保证。利用 FTU 实现故障定位的方法在现场已有相当多的应用，对于短路故障其检测可靠性非常理想。但受现场获取信号手段的限制（不能获得零序电压信号） ，对于小电流接地故障其检测效果不够理想。同时，该方法只能给出故障区段，而不能给出准确的故障距离。科汇电气 铁路自闭 /贯通线路行波故障测距技术第 7 页 第 3 章 行波测距基本原理3.1 行
19、波的基本概念根据叠加原理，在故障瞬间，相当于在故障点突然附加一个与故障前电压大小相等、方向相反的虚拟电源，虚拟电源会产生向线路两端运动的电压、电流行波，如 图 3-1 所示，行波传播的速度接近电磁波的速度，其具体速度取决于线路分布参数。 M Nfefe图 3-1 故障初始行波传播示意图电力线路上的行波现象可以用建立在分布参数线路模型基础上的电报方程来描述。以单相线路为例，通过求解电报方程所得到沿线各点的电压和电流均包含正向和反向两部分行波分量，其频域形式可以表示为：(3-1),(),(),(xIIxIUU式中： 和 分别表示向 正方向传播的电压和电流行波， 和 分别表示 UI向 反方向传播的电压和电流行波。x可见，从频域来看，三相线路上某一点的电压和电流均为经过该点的正向和反向行波分量相互叠加的结果。电压行波分量和电流行波分量之间存在以下约束关系：(3-2)(,),(),(,ccZxUxI
