CN105652152A - 一种复线直供系统接触网的故障定位方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复线直供系统接触网的故障定位方法，包括以下步骤：确定分段并获取接触网单位电抗和地回流回路单位电抗；采集故障发生时的电压电流信息，计算短路电抗；确定故障侧；计算故障位于各网点处时的短路电抗；进行故障定位。本发明还公开了一种复线直供系统接触网的故障定位系统。利用本发明的方法可消除现有技术在末端并联复线直供系统接触网的故障定位计算中的非故障侧电流造成的总短路电抗偏大的误差，提高故障定位的准确度，在铁路接触网出现故障时，准确指导抢修，减少铁路停运时间。

Description

一种复线直供系统接触网的故障定位方法和系统

技术领域

本发明涉及电力系统保护领域，尤其是一种复线直供系统接触网的故障定位方法和系统。

背景技术

电气化铁道有着运营成本低，能合理、综合利用能源等优点。由于动车组结构、速度、动力特性需要，全部为电力驱动。在铁路电气化区段牵引供电系统已和信号系统、工务系统一同成为不可或缺的重要组成部分。接触网是牵引供电系统中的重要组成部分，由于其设置的特殊性(机电合一，露天设置，动态工作，没有备用)，所以一旦发生故障将会直接影响牵引供电系统的正常运行，严重时还会中断电气化铁路的行车功能。准确的故障定位可以有效提高输电线路运行的可靠性，减少因停电造成的重大综合损失，减轻人工巡线的劳动强度。牵引供电系统根据不同供电方式，接触网故障测距原理不同，主要有电抗型和电流型。

当采用单线直接供电方式时，故障点的测距一般采用分段线性电抗逼近法测距原理。该原理是通过测量牵引变电所至故障点的短路电抗值的方法来计算故障点距离。由于测量数值只反映线路电抗值，不受过渡电阻变化影响，相对误差较小。由于沿线接触网结构的变化，各分段牵引网阻抗就具有不同的单位电抗特性。因此，故障点测距装置通常是将电抗-距离特性根据实际供电臂情况做分段线性化处理(如图1所示)，以消除测量误差。该处理方法主要是依据线路线径、材料、架构方式等不同来进行分段。整定时输入线路各分段点对应的公里数及该分段内的单位电抗值，故障发生时测量短路电抗并计算故障点位置，各综合自动化设备厂家微机馈线保护装置即可实现该功能。

当采用复线直接供电方式时，现有技术是通过使用保护装置来依照分段线性电抗逼近法测距原理进行测距。例如，上行发生故障，上行断路器的微机保护装置在跳闸后采集上行的电压电流，得到跳闸时的短路电抗，依照电抗逼近法计算出故障点。这种测量是以线路末端已断开为基础，如图2所示，线路故障短路电抗为X_网+X_地，按照分段线性电抗逼近法测距原理，将短路电抗带入图1中，依照其对应关系就可推算出故障点距离。但是，当线路末端并联时，非故障侧会通过末端并联产生故障电流，该电流会大大影响故障点阻抗，从而造成较大的测距误差。如图3所示，受I₂影响，装置得到的短路电抗大小为对比非并联情况短路电抗增加了如果依然按照上述方法测定故障点，会产生较大的测距误差。

现有技术中还公开了上下行电流比法测距方法。该方法仅可适用于上下行供电线对称时、末端并联的情形，不能满足实际工业中的测量。

因此，需要一种新的复线直供系统接触网的故障定位方法和系统，能消除现有复线直供系统故障定位的误差，可适用于各种情形的上下行供电线。

发明内容

本发明的第一个目的在于提供一种新的复线直供系统接触网的故障定位方法。

本发明的第二个目的在于提供一种新的复线直供系统接触网的故障定位系统。

为实现上述第一个目的，本发明采用以下内容：

一种复线直供系统接触网的故障定位方法，包括以下步骤：

1)确定分段并获取接触网单位电抗和地回流回路单位电抗：

供电线线路分成n段，包括n+1个点，为起点、……、供电线上第n-1网点和供电线上第n网点；n为大于等于1的正整数，起点是馈电线断路器出口，供电线上第n网点是接触网线路末端；

获取起点到供电线上第1网点、……、起点到供电线上第n-1网点和起点到供电线上第n网点的线路的长度，为L₁、……、L_n-1和L_n，单位km；

获取起点到供电线上第1网点、……、供电线上第n-2网点到供电线上第n-1网点和供电线上第n-1网点到供电线上第n网点的线路的接触网单位电抗，为X₁、……、X_n-1和X_n，单位Ω；

获取起点到供电线上第1网点、……、供电线上第n-2网点到供电线上第n-1网点和供电线上第n-1网点到供电线上第n网点的线路的地回流回路单位电抗，为X’₁、……、X’_n-1和X’_n，单位Ω；

2)同步采集故障发生时上下行断路器的电压电流信息，计算短路电抗：

根据电压电流信息，分别计算得到故障发生时上下行的短路电抗；

3)比较步骤2)得到的两侧电流，确定故障侧：

电流较大的一侧确定为故障侧，记为故障侧电流I₁；另一侧为非故障侧，记为非故障侧电流I₂；故障侧的短路电抗记为X_测量；

4)计算故障位于各网点处时的短路电抗：

根据公式分别计算故障点处于供电线上第1网点处、……、第n-1网点处、供电线上第n网点处时的短路电抗，X_L1、……、X_Ln-1、X_Ln，单位Ω：

X_L1＝L₁×[(X₁+X'₁)+(I₂/I₁)×X'₁]

X_L2＝X_L1+(L₂-L₁)×[(X₂+X'₂)+(I₂/I₁)×X'₂]

……

X_Ln-1＝X_Ln-2+(L_n-1-L_n-2)×[(X_n-1+X'_n-1)+(I₂/I₁)×X'_n-1]

X_Ln＝X_Ln-1+(L_n-L_n-1)×[(X_n+X'_n)+(I₂/I₁)×X'_n]；

5)进行故障定位：

将X_测量与X_L1、……、X_Ln-1、X_Ln进行比较；

根据以下公式确定故障距离：

当X_测量<X_L1时，

当X_L1<X_测量<X_L2时，

……

当X_Ln-1<X_测量<X_Ln时，

即完成对复线直供系统接触网的故障定位。

步骤1)中，依据接触网和地回流回路的线径、材料、架构方式，确定分段并获取接触网单位电抗和地回流回路单位电抗，为本领域的常规技术。可参考现有文献或书籍等得到各分段和各值，例如《电力工程电气设计手册-电气一次部分》第一册第189页的架空线路每公里的电抗、电阻标幺值来获得。

进一步地，步骤1)中，获取的接触网单位电抗和地回流回路单位电抗为理论计算值，可通过进行短路试验跳闸或用专业测量单位电抗的仪器来进行修正来消除误差。例如，在接触网的距离馈电线断路器出口M长度的某位置，用金属将线路与大地短接，然后送电，保护跳闸，记录跳闸时的电压电流信息，多次试验后计算得到接触网短路电抗Y和地回流短路电抗W，Y/M即为实际接触网单位电抗，W/M即为实际地回流单位电抗。

进一步地，步骤2)中，采集故障发生时的电压电流信息，计算短路电抗X_测量，是对故障发生后至断路器切除故障跳闸前持续20毫秒的时间段内均匀采集电压电流瞬时值若干，得到一个交流周波，对波形进行分析得到短路电抗X_测量。

进一步地，采用同一装置采集故障发生后至断路器切除故障跳闸前时间段内，同一持续20毫秒时间段内的线路上行和下行电压电流信息。

进一步地，采用两个装置分别采集线路上行和下行故障发生后至断路器切除故障跳闸前时间段内，同一持续20毫秒时间段内的电压电流信息，且所述两个装置之间利用通讯传递电压电流信息并保证采集的持续20毫秒时间段同步。

本发明的方法可适用与末端并联和末端非并联的情形。可以理解，当测得的非故障侧电流I₂为0时，线路实质是末端非并联的情况，采用本发明与现有的分段线性电抗逼近法测距原理等同。

为实现上述第二个目的，本发明采用以下内容：

一种复线直供系统接触网的故障定位系统，包括：

第一分段和数据采集单元，用来确定供电线的分段并获取接触网单位电抗和地回流回路单位电抗信息并向第三数据处理单元发送结果；其中，起点到供电线上第1网点、……、起点到供电线上第n-1网点和起点到供电线上第n网点的线路的长度记为L₁、……、L_n-1和L_n；起点到供电线上第1网点、……、供电线上第n-2网点到供电线上第n-1网点和供电线上第n-1网点到供电线上第n网点的线路的接触网单位电抗记为X₁、……、X_n-1和X_n；起点到供电线上第1网点、……、供电线上第n-1网点到供电线上第n网点和供电线上第n-1网点到供电线上第n网点的线路的地回流回路单位电抗记为X’₁、……、X’_n-1和X’_n；

第二采集和数据处理单元，用来采集故障发生时的电压电流信息，计算短路电抗，并向比较单元发送结果；

比较单元，用来接收第二采集和数据处理单元的结果并比较第二采集和数据处理单元采集的电流信息，电流较大的一侧确定为故障侧，记为故障侧电流I₁；另一侧为非故障侧，记为非故障侧电流I₂，故障侧的短路电抗记为X_测量，并向第三数据处理单元和第四数据处理单元发送结果；

第三数据处理单元，用来接收第一分段和数据采集单元和比较单元发出的信息，依照公式计算得到故障点处于供电线上第1网点处、……、第n-1网点处、供电线上第n网点处时的短路电抗，X_L1、……、X_Ln-1、X_Ln，并向第四数据处理单元发送结果：

公式为：

X_L1＝L₁×[(X₁+X'₁)+(I₂/I₁)×X'₁]

X_L2＝X_L1+(L₂-L₁)×[(X₂+X'₂)+(I₂/I₁)×X'₂]

……

X_Ln-1＝X_Ln-2+(L_n-1-L_n-2)×[(X_n-1+X'_n-1)+(I₂/I₁)×X'_n-1]

X_Ln＝X_Ln-1+(L_n-L_n-1)×[(X_n+X'_n)+(I₂/I₁)×X'_n]；

第四数据处理单元，用来接收比较单元和第三数据处理单元发出的结果，并将X_测量与X_L1、……、X_Ln-1、X_Ln进行比较，之后根据公式确定故障距离L_故障距离：

公式为：

当X_测量<X_L1时，

当X_L1<X_测量<X_L2时，

……

当X_Ln-1<X_测量<X_Ln时，

即完成对复线直供系统接触网的故障定位。

地回流的路径一般由大地、埋在地里面的贯通地线(铜质)、挂着空中的架空地线(钢芯铝绞线)、轨道等并联而成。本发明中，“地回流回路单位电抗”指整体的地回流回路单位电抗。

本发明中，对电压电流信号等的采集、对数据的处理等可采用本领域公知的采集装置和处理装置来进行，在此不再赘述。前述的信息采集单元和数据处理单元可以是可进行不同采集和数据处理指令的同一采集和数据处理装置，也可以是不同的处理装置。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。

本发明具有以下优点：

利用本发明的方法可消除现有技术在末端并联复线直供系统接触网的故障定位计算中的非故障侧电流造成的总短路电抗偏大的误差，提高故障定位的准确度，在铁路接触网出现故障时，准确指导抢修，减少铁路停运时间。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为直供方式短路电抗-距离曲线图。

图2为线路末端非并联时故障电流分布。

图3为线路末端并联时故障电流分布。

图4为本发明的系统的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例

以某一线路为例。

1、将供电线线路分成3段；

起点到供电线上第1、2、3网点的线路的长度分别为L₁＝1km，L₂＝11km，L₃＝21km；

起点到供电线上第1、2、3网点的线路的接触网单位电抗分别为X₁＝0.55Ω，X₂＝0.35Ω，X₃＝0.45Ω；

起点到供电线上第1、2、3网点的线路的地回流回路单位电抗分别为X’₁＝0.1Ω，X’₂＝0.1Ω，X’₃＝0.1Ω。

2、在16km米处人工设置一个短路点，造成跳闸。

3、采用同一装置在故障发生后至断路器切除故障跳闸前时间段内同一持续20毫秒时间段内采集32个点的电压电流信息，得到一个交流周波，对波形进行分析，得到线路短路电抗X_测量。

X_测量＝8.7Ω。

故障侧电流I₁＝5000A；非故障侧电流I₂＝2500A。

4、根据公式分别计算故障点处于供电线上第1、2、3网点处时的短路电抗，X_L1＝0.7Ω，X_L2＝5.7Ω，X_L3＝11.7Ω。

5、进行故障定位

X_测量＝8.7Ω，X_L2<X_测量<X_L3，

为16km。

如果不用该方法，采用现有的方法进行测距，即不考虑非故障电流对短路电抗影响的话，则测距为17.455km，会有1.455km的误差。

依照铁路巡线每分钟50米来计算，发生故障停电后，寻找故障时间将增加近30分钟。也就是说通过该区段的火车将多晚点30分钟，因此故障测距准确社会效益不可低估。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (6)

1.一种复线直供系统接触网的故障定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定分段并获取接触网单位电抗和地回流回路单位电抗：

供电线线路分成n段，包括n+1个点，为起点、……、供电线上第n-1网点和供电线上第n网点；n为大于等于1的正整数；起点是馈电线断路器出口，供电线上第n网点是接触网线路末端；

获取起点到供电线上第1网点、……、起点到供电线上第n-1网点和起点到供电线上第n网点的线路的长度，为L₁、……、L_n-1和L_n，单位km；

获取起点到供电线上第1网点、……、供电线上第n-2网点到供电线上第n-1网点和供电线上第n-1网点到供电线上第n网点的线路的接触网单位电抗，为X₁、……、X_n-1和X_n，单位Ω；

获取起点到供电线上第1网点、……、供电线上第n-2网点到供电线上第n-1网点和供电线上第n-1网点到供电线上第n网点的线路的地回流回路单位电抗，为X’₁、……、X’_n-1和X’_n，单位Ω；

2)同步采集故障发生时上下行断路器的电压电流信息，计算短路电抗：

根据电压电流信息，分别计算得到故障发生时上下行的短路电抗；

3)比较步骤2)得到的两侧电流，确定故障侧：

电流较大的一侧确定为故障侧，记为故障侧电流I₁；另一侧为非故障侧，记为非故障侧电流I₂；故障侧的短路电抗记为X_测量；

4)计算故障位于各网点处时的短路电抗：

根据公式分别计算故障点处于供电线上第1网点处、……、第n-1网点处、供电线上第n网点处时的短路电抗，X_L1、……、X_Ln-1、X_Ln，单位Ω：

X_L1＝L₁×[(X₁+X'₁)+(I₂/I₁)×X'₁]

X_L2＝X_L1+(L₂-L₁)×[(X₂+X'₂)+(I₂/I₁)×X'₂]

……

X_Ln-1＝X_Ln-2+(L_n-1-L_n-2)×[(X_n-1+X'_n-1)+(I₂/I₁)×X'_n-1]

X_Ln＝X_Ln-1+(L_n-L_n-1)×[(X_n+X'_n)+(I₂/I₁)×X'_n]；

5)进行故障定位：

将X_测量与X_L1、……、X_Ln-1、X_Ln进行比较；

根据以下公式确定故障距离：

当X_测量<X_L1时，

当X_L1<X_测量<X_L2时，

……

当X_Ln-1<X_测量<X_Ln时，

即完成对复线直供系统接触网的故障定位。

2.根据权利要求1所述的复线直供系统接触网的故障定位方法，其特征在于，步骤2)中，采集故障发生时的电压电流信息，计算短路电抗X_测量，是对故障发生后至断路器切除故障跳闸前持续20毫秒的时间段内均匀采集电压电流瞬时值若干，得到一个交流周波，对波形进行分析得到线路短路电抗X_测量。

3.根据权利要求2所述的复线直供系统接触网的故障定位方法，其特征在于，采用同一装置采集故障发生后至断路器切除故障跳闸前时间段内，同一持续20毫秒时间段内的线路上行和下行电压电流信息。

4.根据权利要求2所述的复线直供系统接触网的故障定位方法，其特征在于，采用两个装置分别采集线路上行和下行故障发生后至断路器切除故障跳闸前时间段内，同一持续20毫秒时间段内的电压电流信息，且所述两个装置之间利用通讯传递电压电流信息并保证采集的持续20毫秒时间段同步。

5.根据权利要求1所述的复线直供系统接触网的故障定位方法，其特征在于，步骤1)中，获取的接触网单位电抗和地回流回路单位电抗为理论计算值，可通过短路试验或用专业测量单位电抗的仪器来进行修正消除误差。

6.一种复线直供系统接触网的故障定位系统，其特征在于，包括：

第一分段和数据采集单元，用来确定供电线的分段并获取接触网单位电抗和地回流回路单位电抗信息并向第三数据处理单元发送结果；其中，起点到供电线上第1网点、……、起点到供电线上第n-1网点和起点到供电线上第n网点的线路的长度记为L₁、……、L_n-1和L_n；起点到供电线上第1网点、……、供电线上第n-2网点到供电线上第n-1网点和供电线上第n-1网点到供电线上第n网点的线路的接触网单位电抗记为X₁、……、X_n-1和X_n；起点到供电线上第1网点、……、供电线上第n-2网点到供电线上第n-1网点和供电线上第n-1网点到供电线上第n网点的线路的地回流回路单位电抗记为X’₁、……、X’_n-1和X’_n；

第二采集和数据处理单元，用来采集故障发生时的电压电流信息，计算短路电抗，并向比较单元发送结果；

比较单元，用来接收第二采集和数据处理单元的结果并比较第二采集和数据处理单元采集的电流信息，电流较大的一侧确定为故障侧，记为故障侧电流I₁；另一侧为非故障侧，记为非故障侧电流I₂，故障侧的短路电抗记为X_测量，并向第三数据处理单元和第四数据处理单元发送结果；

第三数据处理单元，用来接收第一分段和数据采集单元和比较单元发出的信息，依照公式计算得到故障点处于供电线上第1网点处、……、第n-1网点处、供电线上第n网点处时的短路电抗，X_L1、……、X_Ln-1、X_Ln，并向第四数据处理单元发送结果：

公式为：

X_L1＝L₁×[(X₁+X'₁)+(I₂/I₁)×X'₁]

X_L2＝X_L1+(L₂-L₁)×[(X₂+X'₂)+(I₂/I₁)×X'₂]

……

X_Ln-1＝X_Ln-2+(L_n-1-L_n-2)×[(X_n-1+X'_n-1)+(I₂/I₁)×X'_n-1]

X_Ln＝X_Ln-1+(L_n-L_n-1)×[(X_n+X'_n)+(I₂/I₁)×X'_n]；

第四数据处理单元，用来接收比较单元和第三数据处理单元发出的结果，并将X_测量与X_L1、……、X_Ln-1、X_Ln进行比较，之后根据公式确定故障距离L_故障距离：

公式为：

当X_测量<X_L1时，

当X_L1<X_测量<X_L2时，

……

当X_Ln-1<X_测量<X_Ln时，

即完成对复线直供系统接触网的故障定位。