CN101404409B - 电气化铁路自耦变压器供电接触网断线接地故障识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电气化铁路AT供电接触网断线接地故障识别方法，包括：判别识别元件是否达到启动条件；根据母线电压及馈线电流计算实时功率因数；根据馈线电流的1、2、3、5、7次谐波计算自适应控制量、二次谐波含量；判别经过自适应控制量调整的功率因数及自适应控制量是否在动作范围内，二次谐波含量是否小于整定值，如在整定延时内均能满足以上条件，则发告警信号或跳闸，上传故障数据信息；否则退出并初始化识别元件。本发明能识别出断线接地形成的高阻抗故障、保证各类电力机车负荷运行时及激磁涌流等暂态及重负荷工况下微机馈线保护装置识别元件不误动，同时也解决了AT(自耦变压器)解列后常规保护可能拒动的问题。

Description

电气化铁路自耦变压器供电接触网断线接地故障识别方法

技术领域

本发明属电工技术领域，更准确地说本发明涉及一种电气化铁路AT供电接触网断线接地故障的识别方法。

背景技术

目前，中国的铁路建设又进入一个新的高峰时期，今后的高速铁路、重载铁路或者客运专线都将采样新型先进的AT(自耦变压器)供电模式，此供电模式下，当发生接头拉脱、异物刮碰等机械故障造成供电线路断线时，通常形成单侧接地，另一侧悬空故障，此种故障可能具有较高阻抗值，牵引变电所安装的馈线保护装置感受到的故障电流和负荷电流相近，以致常规保护元件不能有所反应，断路器不能跳闸并有可能引起变压器后备保护越级跳闸，实际上，短路点的故障电流可能比较大，如果长时间不能发现故障并处理，持续的大电流将可能烧坏相关设备。例如，万吨重载的大秦铁路自开通运行以来，发生过若干次正馈线断线接地故障，曾经烧断了某区段全部通信、信号及电力电缆，多次烧坏回流线、自耦变压器(AT)、铁路信号机及钢轨，给铁路运输造成重大影响。

目前，运行或即将运行在AT牵引供电系统内的牵引机车有交-直-交型动车组和交-直型电力机车两种，对于动车组，其运行功率因数很高，阻抗角一般大于0.97，而交-直型电力机车的功率因数一般介于0.707～0.9之间，由于不能保证负荷的功率因数一定大于0.707，所以仅仅依靠功率因数判据将可能误判。

针对该型故障，本领域目前还没有给出实用的解决方法。文献一《AT供电 牵引网断线接地故障及其馈线保护动作行为分析》(铁道学报1996年6月第18卷第2期第87页)对AT供电牵引网断线故障进行了理论分析，结合具体算例，给出各种断线地故障的阻抗—距离特性曲线，通过与其它短路故障比较，从理论上论证了AT牵引网发生断线故障时常规保护拒动的可能性，作者没有提出实际的解决方案，文章最后指出有必要针对这种故障研究新型的保护原理，这也是作者所希望看到的结果。

文献二《全并联AT供电牵引网断线接地阻抗计算与分析》(继电器2008年1月16日第36卷第2期第7页)针对客运专线全并联AT供电牵引网发生断线接地故障时馈线保护装置拒动这一现象，利用电路基本原理，采用数学方法对全并联AT供电牵引网断线接地的阻抗进行了理论上的推导计算，将其与短路故障的阻抗进行比较分析，得出断线接地故障是一种高阻接地故障，远远大于短路时的阻抗，超出了馈线保护阻抗的整定值。并利用Matlab/Simulink软件建立牵引网故障模型并进行了仿真验证，证明了其理论推导的正确性，从而找到了发生断线接地故障时馈线保护装置拒动的原因，但作者仍然没有给出针对性的解决办法。查找国内外公开文献，未发现该类型故障的识别方法。

发明内容：

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电气化铁路AT供电接触网断线接地故障识别方法，能使牵引变电所安装的微机馈线保护装置识别出断线接地形成的高阻抗故障(有别于高过渡电阻接地故障)、保证各类电力机车负荷运行时及激磁涌流等暂态及重负荷工况下微机馈线保护装置识别元件不误动。

为了实现上述目的，本发明是采取以下的技术方案来实现的：

一种电气化铁路AT供电接触网断线接地故障识别方法，其特征在于包括下 列步骤：

(1)、判别识别元件是否达到启动条件，如保护电流大于启动电流，则启动识别元件，进行下列步骤；

(2)、根据母线电压及馈线电流计算实时功率因数；

(3)、根据馈线电流的1、2、3、5、7次谐波计算自适应控制量、二次谐波含量；

(4)、判别经过自适应控制量调整的功率因数是否在动作范围内、自适应控制量是否在动作范围内、二次谐波含量是否小于整定值，如在整定延时内均能满足以上条件，则发告警信号或跳闸，上传故障数据信息；否则退出并初始化识别元件。

前述的电气化铁路AT供电接触网断线接地故障识别方法，其特征在于所述的整定延时大于除过负荷以外的常规保护的最大延时。

前述的电气化铁路AT供电接触网断线接地故障识别方法，其特征在于将所述的自适应控制量定义为γ，  $\mathrm{\γ}=\sqrt{\frac{{I_1}^2+{I_2}^2+{I_3}^2+{I_5}^2+{I_7}^2}{{I_1}^2}},$ $\mathrm{\γ}=\sqrt{\frac{{I_1}^2+{I_2}^2+{I_3}^2+{I_5}^2+{I_7}^2}{{I_1}^2}}\≤{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{zd}}$ 为保护动作的必要条件之一；其中I₁为馈线电流基波有效值、I₂为馈线电流2次谐波有效值、I₃为馈线电流3次谐波有效值、I₅为馈线电流5次谐波有效值、I₇为馈线电流7次谐波有效值、γ_zd为自适应控制量整定值。

前述的电气化铁路AT供电接触网断线接地故障识别方法，其特征在于将所述的自适应控制量定义为γ，  $\mathrm{\γ}=\sqrt{\frac{{I_1}^2+{I_2}^2+{I_3}^2+{I_5}^2+{I_7}^2}{{I_1}^2}};$ 功率因数通过测量阻抗求出：  $\cos \mathrm{\θ}=\sqrt{\frac{{\mathrm{real}}^2\left(\mathrm{Zc}\right)}{{\mathrm{real}}^2\left(\mathrm{Zc}\right)+{\mathrm{imag}}^2\left(\mathrm{Zc}\right)}};$ 式中

$\mathrm{Zc}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_1}{{\stackrel{\·}{I}}_1}=\frac{\mathrm{real}\left({\stackrel{\·}{U}}_1\right)+j\left(\mathrm{iamg}\left({\stackrel{\·}{U}}_1\right)\right)}{\mathrm{real}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)+j\left(\mathrm{iamg}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)\right)}$

$=\frac{\mathrm{real}\left({\stackrel{\·}{U}}_1\right)\mathrm{real}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)+\mathrm{iamg}\left({\stackrel{\·}{U}}_1\right)\mathrm{iamg}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)}{\mathrm{real}{\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)}^2+\mathrm{iamg}{\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)}^2}+j\frac{\mathrm{iamg}\left({\stackrel{\·}{U}}_1\right)\mathrm{real}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)-\mathrm{real}\left({\stackrel{\·}{U}}_1\right)\mathrm{iamg}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)}{\mathrm{real}{\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)}^2+\mathrm{iamg}{\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)}^2}$

$=\mathrm{real}\left(\mathrm{Zc}\right)+j\left(\mathrm{iamg}\left(\mathrm{Zc}\right)\right);$

将功率因数和自适应控制量相乘再平方，经过自适应控制量调整的功率因数(γcosθ)²满足：  $K_{\mathrm{dz}1}^2\≤\frac{{I_1}^2+{I_2}^2+{I_3}^2+{I_5}^2+{I_7}^2}{{I_1}^2}\·\frac{{\mathrm{real}}^2\left(\mathrm{Zc}\right)}{{\mathrm{real}}^2\left(\mathrm{Zc}\right)+{\mathrm{imag}}^2\left(\mathrm{Zc}\right)}\≤K_{\mathrm{dz}2}^2$ 为保护动作的必要条件之一；其中K_dz1与K_dz2分别为接触网断线接地故障功率因数的下限定值和上限定值，Z_C为测量阻抗，

为馈线电压基波矢量、为馈线电流基波矢量、real()代表矢量的实部，imag()代表矢量的虚部，j是虚数单位。

前述的电气化铁路AT供电接触网断线接地故障识别方法，其特征在于将所述的二次谐波含量定义为λ，  $\mathrm{\λ}=\frac{I_2}{I_1}\×100\%\≤{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{zd}}$ 为保护动作的另一必要条件；式中λ_zd为二次谐波含量整定值，I₁为馈线电流基波有效值、I₂为馈线电流2次谐波有效值。

本发明的有益效果是：采用本发明的方法，能使牵引变电所安装的微机馈线保护装置识别出断线接地形成的高阻抗故障(有别于高过渡电阻接地故障)、保证各类电力机车负荷运行时及激磁涌流等暂态及重负荷工况下微机馈线保护装置识别元件不误动，解决了电气化铁路AT供电接触网断线接地故障难以识别的问题，同时也解决了AT解列后常规保护可能拒动的问题。

附图说明

图1为断线接地故障短路示意图；

图2为某运行线路的断线接地高阻故障的阻抗计算结果示意图；

图3为某客运专线的接触网悬挂结构图；

图4为某运行线路的断线接地高阻故障的功率因数计算结果示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作具体的介绍。

为识别电气化铁路AT供电接触网断线接地故障，本发明提供的电气化铁路AT供电接触网断线接地故障识别方法，包括下列步骤：

(1)判别识别元件是否达到启动条件；

(2)根据母线电压及馈线电流计算实时功率因数；

(3)根据馈线电流的1、2、3、5、7次谐波计算自适应控制量、二次谐波含量；

(4)判别经过自适应控制量调整的功率因数是否在动作范围内，自适应控制量是否在动作范围内，二次谐波含量是否小于整定值，如在整定延时内均能满足以上条件，则发告警信号或跳闸，上传故障数据等信息。

在本发明中，披露了识别AT供电接触网断线接地故障的重要特征量：馈出线短路功率因数，给出了该类型故障时功率因数变化规律。在所有的断线接地故障类型中，复线比单线复杂，非电源侧接地故障的阻抗最大值较电源侧接地故障的要大，以此为典型的断线接地故障电路见图1。按照电路基本定律并适当变换可求得：

$Z=\frac{U}{I}=Z_0{L}_1+4Z_1{L}_3+8Z_2{L}_3-4Z_{2}x+(Z_0{L}_1+Z_0{L}_2+4Z_1{L}_3+4Z_2{L}_3)\frac{(4Z_2+2Z_3)(L_3-x)}{2Z_2(L_3-x)+Z_0{L}_2/2}$

(式1)

式1中：Z为牵引变电所测量得到的基波阻抗；

Z₀、Z₁、Z₂、及Z₃为断线接地故障的特征阻抗；

Z₀＝Z_T+Z_F-2Z_TF；

Z₁＝Z_T-Z_TF；

Z₂＝Z_R-Z_TR-Z_FR+Z_TF；

Z₃＝Z_F-Z_FR-Z_TF+Z_TR；

Z_T：接触线单位自阻抗；

Z_R：钢轨单位自阻抗；

Z_F：正馈线单位自阻抗；

Z_TR：接触线与钢轨单位互阻抗；

Z_TF：接触线与正馈线单位互阻抗；

Z_FR：正馈线与钢轨单位互阻抗；

U为馈线基波电压，I为馈线基波电流，L₁为第n个AT(自耦变压器)与变电所之间的距离，L2为第n+1个AT与分区所之间的距离加上分区所到变电所的距离，L3为故障所在AT段的长度。X为故障点相对第n个AT的距离。

由式1可以看出，当某个AT段发生断线接地(一侧接地、另一侧悬空)故障时，该型故障的短路阻抗可能具有较高的阻抗值，图2是某运行线路的断线接地高阻故障的阻抗计算结果，其值基本上都超过或远远超过阻抗保护的整定值，过流类保护元件也无法动作。

图3是某客运专线的接触网悬挂结构图，通常，AT牵引供电系统的悬挂结构尺寸与图3所示相去无几。根据中华人民共和国铁道行业标准TB/T2809-2005

(电气化铁道用铜及铜合金接触线)的规定，经计算，断线接地故障的特征阻抗的阻抗角都在50°以上，由特征阻抗得出牵引变电所处测得的断线接地故障的功率因数均小于0.65，而正常负荷时的功率因数通常不会小于0.707，此规律是识别断线接地故障的重要依据。图4是某实际运行线路的断线接地高阻故障 的功率因数计算结果。

值得一提的是，断线接地引起的高阻抗故障不同于俗称的高阻故障(即高过渡电阻故障)，后者的短路功率因数较高，阻抗中的电抗分量相对电阻分量要小的多；而前者的电抗分量与电阻分量都比较大，电流保护、阻抗保护及普通高阻保护都不能正常动作。

在本发明中，披露了采用谐波调整功率因数大小来区分牵引负荷与断线接地故障。目前，运行或即将运行在AT牵引供电系统内的牵引机车有交—直—交型动车组和交一直型电力机车两种，对于动车组，其运行功率因数很高，阻抗角一般大于0.97，而交—直型电力机车的功率因数一般介于0.707～0.9之间，由于不能保证负荷的功率因数一定大于0.707，所以仅仅依靠功率因数判据将可能误判。

对于交—直型电力机车，其牵引网负荷电流中总是或多或少地存在谐波分量，通常为奇次谐波，且以3、5、7次为主，因此，可以引入一个自适应控制量γ，由其反应负荷电流中的综合谐波含量，同时为了躲避暂态，控制量中引入二次谐波，并且为了可靠区分机车负荷与断线接地引起的高阻抗故障，引入了有1、2、3、5、7次谐波来计算得到自适应控制量。于是定义  $\mathrm{\γ}=\sqrt{\frac{{I_1}^2+{I_2}^2+{I_3}^2+{I_5}^2+{I_7}^2}{{I_1}^2}},$ 其中I₁为馈线电流基波有效值、I₂为馈线电流2次谐波有效值、I₃为馈线电流3次谐波有效值、I₅为馈线电流5次谐波有效值、I₇为馈线电流7次谐波有效值。功率因数的计算通过测量阻抗求出：  $\cos \mathrm{\θ}=\sqrt{\frac{{\mathrm{real}}^2\left(\mathrm{Zc}\right)}{{\mathrm{real}}^2\left(\mathrm{Zc}\right)+{\mathrm{imag}}^2\left(\mathrm{Zc}\right)}}$ (其中Z_C为测量阻抗)。在正常负荷时，考虑交—直电力机车负荷和线路的感性，以及负荷波形的畸变，经过自适应控制量调整的功率因数γcosθ将变大，如果机车或变电所装有功率因数补偿装置，γcosθ还会增大，而断线接地故障发生后，γcosθ会在 故障消失前一直持续在较低值上。

综上所述，断线接地引起的高阻抗故障识别方法的主要判据之一：

$K_{\mathrm{dz}1}^2\≤\frac{{I_1}^2+{I_2}^2+{I_3}^2+{I_5}^2+{I_7}^2}{{I_1}^2}\·\frac{{\mathrm{real}}^2\left(\mathrm{Zc}\right)}{{\mathrm{real}}^2\left(\mathrm{Zc}\right)+{\mathrm{imag}}^2\left(\mathrm{Zc}\right)}\≤K_{\mathrm{dz}2}^2---\left(2\right)$

式(2)中，K_dz1与K_dz2为接触网断线接地故障功率因数的下限定值和上限定值。为了方便计算，无需求解平方根，将整定值平方后比较即可。

为防止激磁涌流等暂态及重负荷工况下识别元件误判，考虑到断线接地故障电流的畸变较小，将自适应控制量γ单独作为另一判据：

$\mathrm{\γ}=\sqrt{\frac{{I_1}^2+{I_2}^2+{I_3}^2+{I_5}^2+{I_7}^2}{{I_1}^2}}\≤{\mathrm{\γ}}_{\mathrm{zd}}---\left(3\right)$

其中：γ_zd为自适应控制量整定值。

同时，引入二次谐波含量λ作为闭锁判据：

$\mathrm{\λ}=\frac{I_2}{I_1}\×100\%\≤{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{zd}}---\left(4\right)$

式(4)中λ_zd为二次谐波含量整定值，I₁为馈线电流基波有效值、I₂为馈线电流2次谐波有效值。

在以上式(2)、式(3)、式(4)判据均成立并持续整定时间后，装置发出告警信号或跳闸(可选择)。通过馈出线短路功率因数来区分机车负荷与断线接地引起的高阻抗故障，并且为了区分于常规短路故障，整定延时应大于除过负荷以外的常规保护的最大延时。

通过单片机计算自适应控制量γ与功率因数cosθ时，需要克服衰减的非周期分量的影响，为此，可以采用带差分的全周傅立叶算法。

根据傅立叶算法，测量阻抗Z_C的计算如下：

$\mathrm{Zc}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_1}{{\stackrel{\·}{I}}_1}=\frac{\mathrm{real}\left({\stackrel{\·}{U}}_1\right)+j\left(\mathrm{iamg}\left({\stackrel{\·}{U}}_1\right)\right)}{\mathrm{real}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)+j\left(\mathrm{iamg}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)\right)}$

$=\frac{\mathrm{real}\left({\stackrel{\·}{U}}_1\right)\mathrm{real}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)+\mathrm{iamg}\left({\stackrel{\·}{U}}_1\right)\mathrm{iamg}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)}{\mathrm{real}{\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)}^2+\mathrm{iamg}{\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)}^2}+j\frac{\mathrm{iamg}\left({\stackrel{\·}{U}}_1\right)\mathrm{real}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)-\mathrm{real}\left({\stackrel{\·}{U}}_1\right)\mathrm{iamg}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)}{\mathrm{real}{\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)}^2+\mathrm{iamg}{\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)}^2}$

$=\mathrm{real}\left(\mathrm{Zc}\right)+j\left(\mathrm{iamg}\left(\mathrm{Zc}\right)\right);$

本实施例中，K_dz1与整定为0.17，K_dz2整定为0.5，λ_zd整定为0.2，γzd整定为1.02，AT接触网断线接地保护延时整定为2s，注意，这几个参数的整定在不同的电气化铁路上可能需要稍微的调整。进入识别元件后首先看保护电流是否大于启动电流，如是，则计算自适应控制量  ${\mathrm{\γ}}^2=\frac{{I_1}^2+{I_2}^2+{I_3}^2+{I_5}^2+{I_7}^2}{{I_1}^2}$ 与功率因数  ${\cos }^2\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{real}}^2\left(\mathrm{Zc}\right)}{{\mathrm{real}}^2\left(\mathrm{Zc}\right)+{\mathrm{imag}}^2\left(\mathrm{Zc}\right)},$ 判别(γcosθ)²是否在动作范围内，γ²、λ是否满足条件，如在整定延时内均满足以上条件，则发告警信号或跳闸，上传故障数据等信息，否则退出并初始化识别元件。

本发明可有效发现接触网断线接地故障，正确发挥作用，有力的保障电气化铁路的正常高速运行。

本发明为国内外首创，不仅能够可靠解决电气化铁路AT供电接触网断线接地故障识问题，还有另外一个附加功能：运行中某AT解列后，该区段内发生常规故障，此时牵引变电所的测量阻抗也可能较高，常规保护有可能不动作，但本发明可以兼顾解决此问题。

本发明按照实施实例进行了说明，应当理解，但上述实施例不以任何形式限定本发明，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.电气化铁路自耦变压器供电接触网断线接地故障识别方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)、判别识别元件是否达到启动条件，当保护电流大于启动电流时，则启动识别元件，进行下列步骤；

(2)、根据母线电压及馈线电流计算实时功率因数；功率因数通过测量阻抗求出：

式中

$\mathrm{Zc}=\frac{{\stackrel{\·}{U}}_1}{{\stackrel{\·}{I}}_1}=\frac{\mathrm{real}\left({\stackrel{\·}{U}}_1\right)+j\left(\mathrm{iamg}\left({\stackrel{\·}{U}}_1\right)\right)}{\mathrm{real}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)+j\left(\mathrm{iamg}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)\right)}$

$=\frac{\mathrm{real}\left({\stackrel{\·}{U}}_1\right)\mathrm{real}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)+\mathrm{iamg}\left({\stackrel{\·}{U}}_1\right)\mathrm{iamg}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)}{\mathrm{real}{\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)}^2+\mathrm{iamg}{\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)}^2}+j\frac{\mathrm{iamg}\left({\stackrel{\·}{U}}_1\right)\mathrm{real}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)-\mathrm{real}\left({\stackrel{\·}{U}}_1\right)\mathrm{iamg}\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)}{\mathrm{real}{\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)}^2+\mathrm{iamg}{\left({\stackrel{\·}{I}}_1\right)}^2}$

$=\mathrm{real}\left(\mathrm{Zc}\right)+j\left(\mathrm{jamg}\left(\mathrm{Zc}\right)\right);$

式中：Z_C为测量阻抗，为馈线电压基波矢量、为馈线电流基波矢量、real()代表矢量的实部，imag()代表矢量的虚部，j是虚数单位；

(3)、根据馈线电流的1、2、3、5、7次谐波计算自适应控制量、二次谐波含量；将所述的自适应控制量定义为γ，

其中I₁为馈线电流基波有效值、I₂为馈线电流2次谐波有效值、I₃为馈线电流3次谐波有效值、I₅为馈线电流5次谐波有效值、I₇为馈线电流7次谐波有效值；将所述的二次谐波含量定义为λ，

其中I₁为馈线电流基波有效值、I₂为馈线电流2次谐波有效值；

(4)、判别将功率因数和自适应控制量相乘再平方而得到的经过自适应控制量调整的功率因数(γcosθ)²是否满足：

自适应控制量γ是否满足γ≤γzd、二次谐波含量λ，是否满足λ≤λ_zd，其中k_dz1与K_dz2分别为接触网断线接地故障功率因数的下限定值和上限定值，γzd为自适应控制量整定值，λ_zd为二次谐波含量整定值，当在整定延时内均能满足以上条件时，则发告警信号或跳闸，上传故障数据信息；否则退出并初始化识别元件。

2.根据权利要求1所述的电气化铁路自耦变压器供电接触网断线接地故障识别方法，其特征在于所述的整定延时大于除过负荷以外的保护的最大延时。

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