CN108398612A - 一种城市轨道交通直流供电系统短路故障定位方法 - Google Patents

Abstract

一种城市轨道交通直流供电系统短路故障定位方法，包括步骤：S1，做出城市轨道交通直流供电系统接触网对钢轨的等效电路图；S2，计算短路故障点离m端的距离：本发明能够通过定义的方法和设定值、测量值实现城市轨道交通直流供电系统故障定位功能，减少故障发生后，寻找故障点的时间。

Description

一种城市轨道交通直流供电系统短路故障定位方法

技术领域

本发明涉及一种城市轨道交通直流供电系统短路故障定位方法。

背景技术

现有技术中，还没有一种装置能给城市轨道交通牵引直流供电系统短路故障定位。在理论上，各个研究机构已经做了相应的研究，比如：对小阻抗故障和大阻抗故障分别采用电压分布法和阻抗法、采用轨电位的微分方程的双端法基于搜索法的参数自适应法、采用基于向量的阻抗法推导测距公式、采用基于SCADA的故障定位方法(先确定故障区段，再进行段内故障定位)。其中，实施方便、测量简单、精确度高的方法是阻抗法，即利用在不同地点发生的故障，电路中的电流、电压不同的现象而设计的。该技术所要求的测量量只有的4个，减小了因计算本身所带来的误差，并且这些测量量均可通过现有装置(如直流变送器)直接测量得到。该方法对所采集的数据的要求是同步的，现有乒乓法采样技术能够满足数据同步性的要求。且该方法的实现对现有装置的硬件改动没有要求，只需在软件上实现该方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种城市轨道交通直流供电系统短路故障定位方法，以填补国内/外在该项技术上的空白。

解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：

一种城市轨道交通直流供电系统短路故障定位方法，其特征是包括以下步骤：

S1，做出城市轨道交通直流供电系统接触网对钢轨的等效电路图；

将供电区间m端与n端之间的上下行接触网等效为两条并联的接触网等效线路，长度为D，两端为a节点和b节点，Rc、Lc分别为供电区间接触网等效线路的电阻、电感；

同样，将供电区间m端与n端之间的钢轨等效为一钢轨等效线路，长度为D，两端为m端与n端，Rr、Lr分别为钢轨等效线路的电阻、电感；

m端供电系统为依次串联的Ueqm、Reqm和Leqm，Leqm端和Ueqm端分别连接接触网等效线路的a节点和钢轨等效线路的m端；

n端供电系统为依次串联的Ueqn、Reqn和Leqn，Leqn端和Ueqn端分别连接接触网等效线路的b节点和钢轨等效线路的n端；

其中：Ueqm、Reqm和Leqm为m端供电系统的电源、内电阻和内电感；Ueqn、Reqn和Leqn为n端供电系统的电源、内电阻和内电感；

S2，计算短路故障点离m端和n端的距离；

设：在上行或下行接触网等效线路与钢轨等效线路之间，发生短路故障，接触网等效线路故障点为c、钢轨等效线路故障点为d；且c点和d点之间的过渡电阻为Rf；

x为故障点c点(或d)距离a节点距离与故障区间长度的比值，则：a节点至c点的接触网等效线路电阻、电感分别为x Rc、xLc；c点距离b节点的接触网等效线路电阻、电感分别为(1-x)Rc、(1-x)Lc；a节点至c点的钢轨等效线路电阻、电感分别为x Rr、xLr；c点距离b节点的钢轨等效线路电阻、电感分别为(1-x)Rr、(1-x)Lr；

故障时，上行接触网没有机车经过，即i_ab＝-i_ba；对等效电路图中的两条并联的接触网等效线路回路(图1的1回路)，根据基尔霍夫第二定律可得：

整理方程(1)可得：

方程(2)为短路故障点离供电系统m端的距离与故障区间长度的比值；

故障点离供电系统m端的距离为：

D_mf＝x_m*D………………(3)

将方程(2)代入方程(3)可得：

将方程(2)中的x_m换成1-x_n，且i_ab＝-i_ba’可得：

方程(5)为故障点离供电系统n端的距离与故障区间长度的比值；

故障点离供电系统n端的距离为：

D_nf＝x_n*D………….…(6)

将方程(5)代入方程(6)可得，故障点离供电系统n端的距离为：

上述方程中：x_m、x_n为故障点离供电系统m端、n端的距离与故障区间长度的比值；D_mf、D_nf为故障点离供电系统m端、n端的距离；D为故障区间长度；通过设定值、测量值之间的关系，即可计算出所需的测量结果。

设定值(图1中：R_c、L_c，上式中D)是不变的，可在装置上或通过维护软件进行修改，测量值(图1中：i_ac、i_bc、i_ab、i_ba)是实时变化、经过实时测量而得。

公式中：

x_mf、x_nf为故障点离m、n两端的距离与故障区间长度的比值；

Um、Un为m、n两端接触网对钢轨的电压；

iac为节点a到节点c的电流；

ibc为节点b到节点c的电流；

iab为节点a到节点b的电流；

iba为节点b到节点a的电流。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明能够通过定义的方法和设定值、测量值实现城市轨道交通直流供电系统故障定位功能，减少故障发生后，寻找故障点的时间。

综上所述，本发明设计的一种城市轨道交通直流供电系统短路故障定位方法，其目的在于避免在故障发生后，地铁维修人员不能在短时间内找出故障点，以致不能及时清除故障，导致因故障而带来的严重后果。

附图说明

图1为本发明设计的地铁直流牵引等效原理图；

图2为本发明设计的地铁直流牵引仿真电路图；

图3为电路仿真电流、电压结果变化图；

图4为理论故障为1.75Km时的仿真结果图；

图5为图4的局部放大图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

一种城市轨道交通直流供电系统短路故障定位方法，其特征是包括以下步骤：

S1，做出城市轨道交通直流供电系统接触网对钢轨的等效电路图；

将供电区间m端与n端之间的上下行接触网等效为两条并联的接触网等效线路，长度为D，两端为a节点和b节点，Rc、Lc分别为供电区间接触网等效线路的电阻、电感；

同样，将供电区间m端与n端之间的钢轨等效为一钢轨等效线路，长度为D，两端为m端与n端，Rr、Lr分别为钢轨等效线路的电阻、电感；

m端供电系统为依次串联的Ueqm、Reqm和Leqm，Leqm端和Ueqm端分别连接接触网等效线路的a节点和钢轨等效线路的m端；

n端供电系统为依次串联的Ueqn、Reqn和Leqn，Leqn端和Ueqn端分别连接接触网等效线路的b节点和钢轨等效线路的n端；

其中：Ueqm、Reqm和Leqm为m端供电系统的电源、内电阻和内电感；Ueqn、Reqn和Leqn为n端供电系统的电源、内电阻和内电感；

S2，计算短路故障点离m端和n端的距离；

设：在上行或下行接触网等效线路与钢轨等效线路之间，发生短路故障，接触网等效线路故障点为c、钢轨等效线路故障点为d；且c点和d点之间的过渡电阻为Rf；

x为故障点c点(或d)距离a节点距离与故障区间长度的比值，则：a节点至c点的接触网等效线路电阻、电感分别为x Rc、xLc；c点距离b节点的接触网等效线路电阻、电感分别为(1-x)Rc、(1-x)Lc；a节点至c点的钢轨等效线路电阻、电感分别为x Rr、xLr；c点距离b节点的钢轨等效线路电阻、电感分别为(1-x)Rr、(1-x)Lr；

故障时，上行接触网没有机车经过，即i_ab＝-i_ba；对等效电路图中的两条并联的接触网等效线路回路(图1的1回路)，根据基尔霍夫第二定律可得：

整理方程(1)可得：

方程(2)为短路故障点离供电系统m端的距离与故障区间长度的比值；

故障点离供电系统m端的距离为：

D_mf＝x_m*D………………(3)

将方程(3)代入方程(2)可得：

将方程(2)中的x_m换成1-x_n，且i_ab＝-i_ba’可得：

方程(5)为故障点离供电系统n端的距离与故障区间长度的比值；

故障点离供电系统n端的距离为：

D_nf＝x_n*D………….…(6)

将方程(5)代入方程(6)可得，故障点离供电系统n端的距离为：

上述方程中：x_m、x_n为故障点离供电系统m端、n端的距离与故障区间长度的比值；D_mf、D_nf为故障点离供电系统m端、n端的距离；D为故障区间长度；通过设定值、测量值之间的关系，即可计算出所需的测量结果。

验算本发明：在matlab.simulink中进行如图2所示电路图的仿真。通过“DC1500V牵引供电系统故障测距研究——张勋”这一论文中的得出的接触网的电阻、电感的参数，进行仿真，得出的结果如图3和图4所示。可以看出在1s短路故障时，上行接触网的电流降低，下行接触网本侧端的电流增大，对侧端的电流降低。过渡电阻的电流增大。

实例：利用直流牵引保护测控装置实现故障测距。

第一，确定接触网的电阻、电感

根据接触网的材质来计算，即可以通过“DC1500V牵引供电系统故障测距研究——张顺”中的计算公式，方程(8)是接触线和汇流排的内阻抗的表达式：

式中：r为导体截面半径，ω为角频率，μ₀为真空磁导率，μ为导体相对磁导率，σ为导体电导率。接触线、汇流排的r、ω、μ₀、μ、σ可通过查表得到。

接触线和汇流排并联，其并联值即为接触网阻抗。

导体外阻抗的计算公式是：

上式中d₁₂与d₁₃分别是两钢轨与接触网的距离，r₁为接触线的半径，μ₀为真空磁导率。d₁₂、d₁₃可直接测量得到，r₁和μ₀可查表得到。

通过方程(9)可得到接触网的外电感。

将接触网的内外电阻、电感求和后，可得到接触网的单位长电阻、单位长电感。

第二，确定测量区间长度

测量两变电站之间的接触网电线的总长，由于电线几乎为水平放置，故而其总长近似等于测量区间长度；

第三，获取电路中的实时电流值

直流变送器通过分流器可以直接采集电流值；

第四，计算故障点离供电系统的距离

通过图1所示的电路等效原理图和方程(4)、(7)计算得出故障点距离测量m、n两端的距离。

直流牵引保护测控装置所需的设定值、测量值、计算输出值如表1所示。

表1.直流牵引保护测控装置所需的设定值、测量值、计算输出值

Claims (1)

1.一种城市轨道交通直流供电系统短路故障定位方法，其特征是包括以下步骤：

S1，做出城市轨道交通直流供电系统接触网对钢轨的等效电路图；

将供电区间m端与n端之间的上下行接触网等效为两条并联的接触网等效线路，长度为D，两端为a节点和b节点，Rc、Lc分别为供电区间接触网等效线路的电阻、电感；

同样，将供电区间m端与n端之间的钢轨等效为一钢轨等效线路，长度为D，两端为m端与n端，Rr、Lr分别为钢轨等效线路的电阻、电感；

m端供电系统为依次串联的Ueqm、Reqm和Leqm，Leqm端和Ueqm端分别连接接触网等效线路的a节点和钢轨等效线路的m端；

n端供电系统为依次串联的Ueqn、Reqn和Leqn，Leqn端和Ueqn端分别连接接触网等效线路的b节点和钢轨等效线路的n端；

其中：Ueqm、Reqm和Leqm为m端供电系统的电源、内电阻和内电感；Ueqn、Reqn和Leqn为n端供电系统的电源、内电阻和内电感；

S2，计算短路故障点离m端和n端的距离；

设：在上行或下行接触网等效线路与钢轨等效线路之间，发生短路故障，接触网等效线路故障点为c、钢轨等效线路故障点为d；且c点和d点之间的过渡电阻为Rf；

x为故障点c点距离a节点距离与故障区间长度的比值，则：a节点至c点的接触网等效线路电阻、电感分别为x Rc、xLc；c点距离b节点的接触网等效线路电阻、电感分别为(1-x)Rc、(1-x)Lc；a节点至c点的钢轨等效线路电阻、电感分别为x Rr、xLr；c点距离b节点的钢轨等效线路电阻、电感分别为(1-x)Rr、(1-x)Lr；

故障时，上行接触网没有机车经过，即i_ab＝-i_ba；对等效电路图中的两条并联的接触网等效线路回路，根据基尔霍夫第二定律可得：

整理方程(1)可得：

方程(2)为短路故障点离供电系统m端的距离与故障区间长度的比值；

故障点离供电系统m端的距离为：

D_mf＝x_m*D………………(3)

将方程(3)代入方程(2)可得：

将方程(2)中的x_m换成1-x_n，且i_ab＝-i_ba’可得：

方程(5)为故障点离供电系统n端的距离与故障区间长度的比值；

故障点离供电系统n端的距离为：

D_nf＝x_n*D………….…(6)

将方程(5)代入方程(6)可得，故障点离供电系统n端的距离为：

上述方程中：x_m、x_n为故障点离供电系统m端、n端的距离与故障区间长度的比值；D_mf、D_nf为故障点离供电系统m端、n端的距离；D为故障区间长度；通过设定值、测量值之间的关系，即可计算出所需的测量结果。