CN109188209A - At供电方式接触网接地故障识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种AT供电方式接触网接地故障识别方法，根据检测牵引网负荷电力中的谐波分量和/或馈线AF功率因数的变化范围来识别接触网接地故障。本发明的有益效果为：其可有效判断接触网是否发生接地故障。

Description

AT供电方式接触网接地故障识别方法

技术领域

本发明涉及接触网技术领域，具体涉及一种AT供电方式接触网接地故障识别方法。

背景技术

当前，中国的铁路建设进入一个新的高峰时期，在铁路供电方式方面先进新型的自耦变压器（AT）供电模式已经在重载铁路、高速铁路或客运专线得到广泛应用。在该供电方式下，当接触网或AF线发生机械故障造成的供电线路断线接地短路故障时，当断线时一般形成一侧悬空单一侧接地的故障，此种接地故障有较高阻抗值，常规保护装置反应可能不够灵敏，造成断路器不能跳闸，而且有可能引起变压器后备保护越级跳闸，如果长时间不能发现故障并加以处理，持续的电流将可能烧坏相关设备。已有一些研究针对此种类型故障进行了理论分析，理论分析接触网发生断线接地故障时常规保护装置可能发生拒动的情况，但没有给出具体可实际应用的解决方案。也有一些研究中针对客运专线高速铁路全并联 AT供电接触网发生断线接地短路故障时AF线保护装置拒动这一现象，研究得出接地短路故障具有高高阻抗的特性，而且进行了仿真验证，研究得到了发生断线接地短路故障时保护装置拒动的原因，是但也没有给出具体的解决方式。目前高过渡电阻接地故障的识别主要应用在电气化铁路中的常规高阻保护，其中测量阻抗中的电阻分量较电抗分量要大很多，而AT供电方式中的供电断线接地时形成的高阻抗故障电阻分量与电抗分量都比较大，此种现象造成普通的阻抗保护、电流保护及普通高阻保护难以动作，将会发生保护拒动现象。另一方面，由于动车组功率因数很高，普通常规保护装置已经不适用于高速铁路的应用，为防止接地短路故障时的误动现象，在交/直型电力机车运营线路上应用常规高阻保护装置。针对常规保护装置的以上缺点，本发明方法基于谐波分量的评估以及馈线（AF）功率因数的变化范围的断线接地故障识别，方法原理简单易懂，思路清晰，实现过程容易、可靠性高，在机车过电分相形成励磁涌流、车辆启动制动以及重负荷工况等暂态情况下保证保护装置不误动。

发明内容

本发明的目的在于提供一种AT供电方式接触网接地故障识别方法，其可有效判断接触网是否发生接地故障。

为实现上述目的，本发明的技术方案是

一种AT供电方式接触网接地故障识别方法，

根据检测牵引网负荷电力中的谐波分量和/或馈线AF功率因数的变化范围来识别接触网接地故障。

优选地，

计算谐波分量；

谐波分量为检测牵引网负荷电力中的谐波分量；

谐波分量的计算方式为

其中 I₁，I₂，I₃，I₅，I₇，分别为线路中的基波、2次谐波、3次谐波、5次谐波和7次谐波，

根据λ值判断接触网是否发生接地故障；

其中 I₁，I₂，I₃，I₅，I₇，的计算方法包括如下步骤：

step101:采集接触网或AF网中的电流信号；

step102:对采集得到的信号进行傅里叶变换；

step103:求取各个频段信号的幅值。

优选地，

还包括馈线AF功率因数的变化计算步骤：

其中，R _C ,X _C 为牵引网线路中的电阻分量与电抗分量；

根据判断公式进行接地故障判断

K ₁ ,K ₂为分别为当接触网发生断线接地故障后功率因数的上下限值。

优选地，

还包括辅助判断步骤：先根据如下公式进行判断

；

再引入２次谐波分量γ作为附加判断依据，其γ值为2次谐波与一次谐波的比值；２次谐波分量γ；

再根据如下判断公式进行判断：

式中：γ_zd为2次谐波分量归一值。

本发明的工作原理为：

根据谐波分量的评估以及馈线（AF）功率因数的变化范围作为主要判据，馈线（AF）保护装置根据该方法计算所得的信息快速精确的识别出馈线（AF）断线接地形成的高阻抗故障状态，引入其他附加判据保证馈线（AF）保护装置在励磁涌流等暂态情况下以及重负荷工况下保证保护元件不发生误动，解决AT解列后保护装置可能存在的拒动等不足。

其中谐波分量的评估方法为检测牵引网负荷电力中的谐波分量，当牵引网中车辆运行时，由于电力电机变换装置的存在负荷电流除基波外其余主要以奇次谐波为主，当接触网或AF线发生短路等接地故障后，由于线路对地阻抗基本为一稳定值，所以故障电流稳态时谐波电流非常小，因此引入谐波分量评估的方法判断谐波电流的含量，判断线路是否发生故障。为了避免车辆启动、制动等瞬时过程引起的暂态问题，进一步在奇次谐波的基础之上引入二次谐波。谐波分量评估的计算方式如下所示。

其中 I₁，I₂，I₃，I₅，I₇，分别为线路中的基波，2次谐波，3次谐波，5次谐波，7次谐波，当线路正常时，由于机车的用行，线路中含有较多的奇次谐波，λ值相对较大，当接触网发生断线故障时，稳态时线路中只有基波，λ值相对较小，因此以λ值作为线路是否发生断线故障的评判依据因子之一。

其其中谐波分量的评估方法具体步骤为：

step101:采集接触网或AF网中的电流信号。

step102:对采集得到的信号进行傅里叶变换。

step103:求取各个频段信号的幅值。

step104：根据谐波分量评估的计算方法式计算λ。

馈线（AF）功率因数的变化计算通过如下计算。

其中，R _C ,X _C 为牵引网线路中的电阻分量与电抗分量，当线路正常时，由于机车负荷的作用，牵引网线路中的电压电流波形发生畸变并且线路呈现感性特性，而且经过调解装置的调节后车辆功率因数将变大，当车辆或牵引变电所配有功率因数补偿装置时，功率因数将进一步的增加，因功率因数cosφ还会增大，而当牵引网中断线接地故障发生时，由于对地容抗的存在功率因数cosφ为负值，而且会在故障消除前一直持续存在，所以在线路正常时谐波分量评估的计算值γ与cosφ乘积γcosφ将大于发生故障后的γcosφ。

单独将功率因数作为接触网或AF线断线接地引起的高阻抗故障识别方法的主要因子之一可写为，

K ₁ ,K ₂为分别为当接触网发生断线接地故障后功率因数的上下限值，当功率因数在此范围内时可以认为发生了断线接地故障。为了方便计算过程，实际使用时不用求解求取功率因数时所含有的平方根，将功率因数以及K ₁ ,K ₂平方再比较则行，其方法具体步骤如下所示。

step201:采集接触网或AF网中的电压、电流信号。

step202:根据采集得到的电压、电流信号求解系统电路阻抗值。

step203:根据前面计算所得γ求取γcosφ，储存作为后面判断的因子。

附带判断方法为防止车辆在过电分相时产生励磁涌流以及车辆启动，制动等暂态工况及重负荷工况下识别元件误判，将自适应控制量λ单独作为判断是否发生断线故障的条件：

为了进一步保障判断的可靠性，附带引入２次谐波分量γ作为附加判断依据，其γ值为2次谐波与一次谐波的比值。当牵引网没有发生断线接地故障问题或若接地断线接地故障稳态时线路中的2次谐波含量是比较小的，而在车辆在过电分相时产生励磁涌流以及车辆启动、制动等暂态工况及重负荷工况下线路中的2次谐波含量将明显升高，因此引入２次谐波分量γ如下面所示，γ小于γ_zd，则可以考虑做为投入保护装置的判断依据，若γ大于γ_zd，说明线路系统处于暂态过程，保护装置不予执行保护动作。

式中：γ_zd为2次谐波分量归一值，

若若上面各式都成立及各个条件都满足时可认为接触网或AF网已发生断线接地短路故障，可在一定的延时后保护装置选择跳闸以保护线路。

除采用谐波分量评估方法外，为保证保护装置的可靠与安全运行，还可以增加辅助判断依据。牵引网发生接地短路故障后，牵引网中的功率因数变化通常比较小，而且其值通常会稳定一段时间。而在正常情况下，由于车辆负荷工况的加入，功率因数的波动范围相对较大，因此可以根据功率因数的变化范围作为保护动作的判断依据。一般为了区分于牵引网的常规短路故障增强可靠动作，其延时通常大于常规保护的最大延时。

在实际的线路运用时，可根据本发明方法中的判断方法在AF线中设立单独的断线接地保护装置，由于在复线电气化铁路中，上行下线路在线路AT所或分区所并联，当某一处接地短路发生后，则需要判断保护的发生位置，再进一步选择应该动作的保护装置。如果所有的保护装置的保护延时都设置一致，那么当牵引变电所某个供电臂的上下行线路的某一调发生断线接地故障时，上下行线路断路器及AT所或分区所并联断路器保护装置可能会同时启动，本法明方法中为了较小停电范围，应首先分AT所或开分区所并联断路器，再由上下行线路断路器切断故障，所以牵引所中上下行线路的保护装置的延时可以相同，但其延时要比AT所或分区所的断路器延时适当大一些。

由于车辆过电分相时励磁涌流现象可能会发生，而且车辆在处于突然受流、再生制动或重负荷过程中会使AF线的阻抗特性发生改变，到制保护装置可能会进入阻抗保护，引起保护装置勿动。为了降低误动的可能性，保护装置的动作值要选取在合适的范围之内，保护装置动作值的选取通常先根据常规接地故障的计算，然后对数据进一步整定。但是由于保护装置的动作值的限制，当发生断线接地故障时阻抗保护装置可能拒动引起故障的进一步扩大，因此其值的选取要根据具体的调试选取。

本发明的有益效果为：其可有效判断接触网是否发生接地故障。

附图说明

图1为AT供电方式当接触网接地短路时的示意图。

图2为当正馈线断线非电源侧接地故障时的示意图。

图3为当正馈线发生AT解列后的接触网短路故障时的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

本发明具体实施的技术方案是：

如图1所示，AT供电方式接触网接地短路时，线路中阻抗计算方法如下式所示。

式中，

Z为AF线阻抗。

Z₁, Z₂, Z₃为牵引网接地的特征阻抗。，

Z_T为接触线单位自阻抗。

Z_R为铁轨的单位自阻抗。

Z_F为正馈线（AF线）单位自阻抗。

Us为AF线母线电压。，

I_t-I_f为AF线电流。

L₁为变电所到第n个AT所之间的距离。

L₂为变电所到第n+1个AT所之间的距离。

L₃为变电所到第n+2个AT所之间的距离，

x为n个AT所相对故障点距离。

如图2所示，AT供电方式中当正馈线断线非电源侧接地故障时，线路中阻抗计算方法如下所示。

式中，Z₀, Z₄, Z₅, Z₆为牵引网接地的特征阻抗。

如图3所示，发生AT解列后的接触网短路故障。

当AT供电网没有发生解列时阻抗可由下式计算，

当AT供电网没有发生解列后，靠近变电所的供电区间内阻抗值的

计算方法如下式所示，

当AT供电网没有发生解列后，末端AT的供电区间内阻抗值的

计算入下式所示

由以上计算阻抗各式可以计算断线短路时各部分的阻抗值，在判

断接触网或AF线是否发生断线接地故障时可以作为参考。

根据谐波分量的评估以及馈线（AF）功率因数的变化范围作为主要判据，馈线（AF）保护装置根据该方法计算所得的信息快速精确的识别出馈线（AF）断线接地形成的高阻抗故障状态，引入其他附加判据保证馈线（AF）保护装置在励磁涌流等暂态情况下以及重负荷工况下保证保护元件不发生误动，解决AT解列后保护装置可能存在的拒动等不足。

其中谐波分量的评估方法为检测牵引网负荷电力中的谐波分量，当牵引网中车辆运行时，由于电力电机变换装置的存在负荷电流除基波外其余主要以奇次谐波为主，当接触网或AF线发生短路等接地故障后，由于线路对地阻抗基本为一稳定值，所以故障电流稳态时谐波电流非常小，因此引入谐波分量评估的方法判断谐波电流的含量，判断线路是否发生故障。为了避免车辆启动、制动等瞬时过程引起的暂态问题，进一步在奇次谐波的基础之上引入二次谐波。谐波分量评估的计算方式如下所示。

其中 I₁，I₂，I₃，I₅，I₇，分别为线路中的基波，2次谐波，3次谐波，5次谐波，7次谐波，当线路正常时，由于机车的用行，线路中含有较多的奇次谐波，λ值相对较大，当接触网发生断线故障时，稳态时线路中只有基波，λ值相对较小，因此以λ值作为线路是否发生断线故障的评判依据因子之一。

其其中谐波分量的评估方法具体步骤为：

step101:采集接触网或AF网中的电流信号。

step102:对采集得到的信号进行傅里叶变换。

step103:求取各个频段信号的幅值。

step104：根据谐波分量评估的计算方法式计算λ。

馈线（AF）功率因数的变化计算通过如下计算。

其中，R _C ,X _C 为牵引网线路中的电阻分量与电抗分量，当线路正常时，由于机车负荷的作用，牵引网线路中的电压电流波形发生畸变并且线路呈现感性特性，而且经过调解装置的调节后车辆功率因数将变大，当车辆或牵引变电所配有功率因数补偿装置时，功率因数将进一步的增加，因功率因数cosφ还会增大，而当牵引网中断线接地故障发生时，由于对地容抗的存在功率因数cosφ为负值，而且会在故障消除前一直持续存在，所以在线路正常时谐波分量评估的计算值γ与cosφ乘积γcosφ将大于发生故障后的γcosφ。

单独将功率因数作为接触网或AF线断线接地引起的高阻抗故障识别方法的主要因子之一可写为，

K ₁ ,K ₂为分别为当接触网发生断线接地故障后功率因数的上下限值，当功率因数在此范围内时可以认为发生了断线接地故障。为了方便计算过程，实际使用时不用求解求取功率因数时所含有的平方根，将功率因数以及K ₁ ,K ₂平方再比较则行，其方法具体步骤如下所示。

step201:采集接触网或AF网中的电压、电流信号。

step202:根据采集得到的电压、电流信号求解系统电路阻抗值。

step203:根据前面计算所得γ求取γcosφ，储存作为后面判断的因子。

附带判断方法为防止车辆在过电分相时产生励磁涌流以及车辆启动，制动等暂态工况及重负荷工况下识别元件误判，将自适应控制量λ单独作为判断是否发生断线故障的条件：

为了进一步保障判断的可靠性，附带引入２次谐波分量γ作为附加判断依据，其γ值为2次谐波与一次谐波的比值。当牵引网没有发生断线接地故障问题或若接地断线接地故障稳态时线路中的2次谐波含量是比较小的，而在车辆在过电分相时产生励磁涌流以及车辆启动、制动等暂态工况及重负荷工况下线路中的2次谐波含量将明显升高，因此引入２次谐波分量γ如下面所示，γ小于γ_zd，则可以考虑做为投入保护装置的判断依据，若γ大于γ_zd，说明线路系统处于暂态过程，保护装置不予执行保护动作。

式中：γ_zd为2次谐波分量归一值，

若上面各式都成立及各个条件都满足时可认为接触网或AF网已发生断线接地短路故障，可在一定的延时后保护装置选择跳闸以保护线路。

除采用谐波分量评估方法外，为保证保护装置的可靠与安全运行，还可以增加辅助判断依据。牵引网发生接地短路故障后，牵引网中的功率因数变化通常比较小，而且其值通常会稳定一段时间。而在正常情况下，由于车辆负荷工况的加入，功率因数的波动范围相对较大，因此可以根据功率因数的变化范围作为保护动作的判断依据。一般为了区分于牵引网的常规短路故障增强可靠动作，其延时通常大于常规保护的最大延时。

在实际的线路运用时，可根据本发明方法中的判断方法在AF线中设立单独的断线接地保护装置，由于在复线电气化铁路中，上行下线路在线路AT所或分区所并联，当某一处接地短路发生后，则需要判断保护的发生位置，再进一步选择应该动作的保护装置。如果所有的保护装置的保护延时都设置一致，那么当牵引变电所某个供电臂的上下行线路的某一调发生断线接地故障时，上下行线路断路器及AT所或分区所并联断路器保护装置可能会同时启动，本法明方法中为了较小停电范围，应首先分AT所或开分区所并联断路器，再由上下行线路断路器切断故障，所以牵引所中上下行线路的保护装置的延时可以相同，但其延时要比AT所或分区所的断路器延时适当大一些。

由于车辆过电分相时励磁涌流现象可能会发生，而且车辆在处于突然受流、再生制动或重负荷过程中会使AF线的阻抗特性发生改变，到制保护装置可能会进入阻抗保护，引起保护装置勿动。为了降低误动的可能性，保护装置的动作值要选取在合适的范围之内，保护装置动作值的选取通常先根据常规接地故障的计算，然后对数据进一步整定。但是由于保护装置的动作值的限制，当发生断线接地故障时阻抗保护装置可能拒动引起故障的进一步扩大，因此其值的选取要根据具体的调试选取。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种AT供电方式接触网接地故障识别方法，其特征在于，

根据检测牵引网负荷电力中的谐波分量和/或馈线AF功率因数的变化范围来识别接触网接地故障。

2.根据权利要求1所述的AT供电方式接触网接地故障识别方法，其特征在于，

计算谐波分量；

谐波分量为检测牵引网负荷电力中的谐波分量；

谐波分量的计算方式为

其中 I₁，I₂，I₃，I₅，I₇，分别为线路中的基波、2次谐波、3次谐波、5次谐波和7次谐波，

根据λ值判断接触网是否发生接地故障；

其中 I₁，I₂，I₃，I₅，I₇，的计算方法包括如下步骤：

step101:采集接触网或AF网中的电流信号；

step102:对采集得到的信号进行傅里叶变换；

step103:求取各个频段信号的幅值。

3.根据权利要求2所述的AT供电方式接触网接地故障识别方法，其特征在于，

还包括馈线AF功率因数的变化计算步骤：

其中，R _C ,X _C 为牵引网线路中的电阻分量与电抗分量；

根据判断公式进行接地故障判断

K ₁ ,K ₂为分别为当接触网发生断线接地故障后功率因数的上下限值。

4.根据权利要求3所述的AT供电方式接触网接地故障识别方法，其特征在于，

还包括辅助判断步骤：先根据如下公式进行判断

；

再引入２次谐波分量γ作为附加判断依据，其γ值为2次谐波与一次谐波的比值；２次谐波分量γ；

再根据如下判断公式进行判断：

式中：γ_zd为2次谐波分量归一值。