CN112904149B - 一种单线at双边供电牵引网故障测距计算方法 - Google Patents

一种单线at双边供电牵引网故障测距计算方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单线AT双边供电牵引网故障测距计算方法，涉及电气化铁路牵引供电技术领域。利用电路回路方程，得到故障距离计算方法，通过两次短路试验非常明晰的计算出修正系数，对计算结果进行校正。该方法只在首端牵引变电所S1之间安装测距装置DA1和互感器，或在自耦变压器AT5和尾端牵引变电所S2之间安装测距装置DA2和互感器，AT段中不加测距装置，当部分自耦变压器AT或全部自耦变压器AT退出运行,也能进行故障测距，达到减少设备数量，增加可靠性，节约人力物力。适用于单线AT双边供电电气化铁路牵引网故障定位。

Description

一种单线AT双边供电牵引网故障测距计算方法
技术领域
本发明涉及电气化铁路牵引供电技术领域。
背景技术
我国铁路建设举世瞩目，成绩斐然。截至2020年末，全国铁路营业里程达到14.6万公里，其中高速铁路3.8万公里，中西部地区铁路营业里程9万公里。铁路复线率和电化率分别达到60％和73％。高速铁路无一例外地采用电力牵引。随着高速铁路里程的增加，牵引供电系统的安全、良好运行不能不受到高度重视。
AT(Auto Transformer，自耦变压器)供电方式具有更长的供电区段、更大的供电能力之优势，能够更好地满足高速铁路行车密度较大、运行速度高、供电容量大的要求，成为了我国高速铁路在现阶段的主流供电方式。
牵引网没有备用，且暴露于大自然中，加之弓网高速接触，容易导致故障的发生，引起断电，影响正常运行。高速电气化铁路AT牵引网结构复杂，故障定位困难，如果不能及时准确发现和排除故障，将延长停电时间，干扰正常运输。因此，AT牵引网故障的精确定位对于铁路的高效、安全运行意义重大，并能够带来巨大的经济和社会效益。
目前，针对AT牵引网的故障定位(测距)方法容易受到线路结构、牵引网的运行方式及供电方式等因素的影响，降低其稳定性和精度。
在我国西部地区，由于地广人稀，电力用户少，新修建的铁路在初期往往是单线电气铁路，为了提供铁路供电能力，降低一次成本投入，采用双边供电是一种较好的选择，在这种情况下，铁路供电区段加长，气候恶劣，地形复杂，故障定位显得尤其重要。为了减少设备数量，增加可靠性，节约人力物力，应尽量不在AT段中增加设备。
发明内容
本发明的目的是提供一种单线AT双边供电牵引网故障测距计算方法，它能有效地解决单线AT双边供电牵引网故障测距的技术问题。
本发明解决其技术问题，所采用的技术方案为：
一种单线AT双边供电牵引网故障测距计算方法，包括单线AT双边供电方式的电气化铁路系统，公共电网变电所Sub，首端牵引变电所S1、尾端牵引变电所S2，三相电源进线L1两端分别连接公共电网变电所Sub和首端牵引变电所S1，三相电源进线L2两端分别连接公共电网变电所Sub和尾端牵引变电所S2；首端牵引变电所S1与尾端牵引变电所S2之间分段设有自耦变压器AT1、自耦变压器AT2、自耦变压器AT3、自耦变压器AT4、自耦变压器AT5，以自耦变压器AT1为首端，自耦变压器AT5为尾端构成四个AT段，四个AT段总长度为D,各AT段长度依次为：自耦变压器AT1与自耦变压器AT2之间的长度为D1，自耦变压器AT2与自耦变压器AT3之间的长度为D2，自耦变压器AT3与自耦变压器AT4之间的长度为D3，自耦变压器AT4与自耦变压器AT5的长度为D4；记第一个AT段的接触线T1、钢轨R1、正馈线F1，第二个AT段的接触线T2、钢轨R2、正馈线F2，第三个AT段的接触线T3、钢轨R3、正馈线F3，第四个AT段的接触线T4、钢轨R4、正馈线F4；自耦变压器AT1从首端牵引变电所S1取电，接触线电压相量为
Figure GDA0003273865240000021
电流相量为
Figure GDA0003273865240000022
负馈线电压相量为
Figure GDA0003273865240000023
电流相量为
Figure GDA0003273865240000024
自耦变压器AT5从尾端牵引变电所S2取电，接触线电压相量为
Figure GDA0003273865240000025
电流相量为
Figure GDA0003273865240000026
负馈线电压相量为
Figure GDA0003273865240000027
电流相量为
Figure GDA0003273865240000028
设短路故障为接触线T与正馈线F之间的发生TF短路故障或接触线T与钢轨之间的TR短路故障或正馈线F与钢轨之间的FR短路故障，故障位置离自耦变压器AT1的距离为x、故障位置离自耦变压器AT5的距离为D-x，在自耦变压器AT1和首端牵引变电所S1之间安装测距装置DA1和互感器，在自耦变压器AT5和尾端牵引变电所S2之间安装测距装置DA2和互感器；测距装置DA1与测距装置DA2之间通过光纤g1通信，它们分别同步测量接触线电压相量为
Figure GDA0003273865240000029
电流相量为
Figure GDA00032738652400000210
负馈线电压相量为
Figure GDA00032738652400000211
电流相量为
Figure GDA00032738652400000212
单线AT双边供电牵引网发生短路故障时，设短路故障位置距离自耦变压器AT1的长度x，通过公式(1)、(2)计算得到初测值x1；
Figure GDA00032738652400000213
Figure GDA00032738652400000214
式中：长度D、x的单位均为km，各种阻抗Z单位均为Ohm/km；各电压相量
Figure GDA00032738652400000215
和
Figure GDA00032738652400000216
的单位均为V，各电流相量
Figure GDA00032738652400000217
和
Figure GDA00032738652400000218
的单位均为A；
由于测距装置DA1和测距装置DA2之间包含五个自耦变压器，测量结果需要用公式(3)进行修正设定：
x＝kx1+b (3)
k为变比修正系数，b为坐标平移修正系数，由于在不同AT段发生短路故障，包含的AT段的数量不同会引起变比修正系数k和坐标平移修正系数b的值在每一个AT段也不同；又由于牵引网接触线T、正馈线F的阻抗不同，所以对于发生在接触线T与正馈线F之间的TF短路故障、接触线T与钢轨之间的TR短路故障、正馈线F与钢轨之间的FR短路故障，其变比修正系数k和坐标平移修正系数b的值在每一个AT段也是不同，均需要分别设定。
所述的测量结果需要用公式(3)进行修正设定，公式(3)中的变比修正系数k和坐标平移修正系数b是通过在同一AT段的不同地点做两次同种类型短路试验得到的，具体为：在AT段任意取两个测试点d1、测试点d2点分别进行短路试验，d1、d2为测试点到自耦变压器AT1的距离；
Figure GDA00032738652400000219
Figure GDA00032738652400000220
通过公式(1)得到两个初测值x11和x12后，再通过式(4)计算变比修正系数k，式(5)计算坐标平移修正系数b。
所述的测距计算方法适用于单线AT双边供电牵引网中的接触线T与钢轨R之间的TR短路故障，钢轨R与正馈线F之间的RF短路故障，接触线T与正馈线F之间的TF短路故障测距计算。
所述单线AT双边供电牵引网的五个自耦变压器中，当一个或一个以上自耦变压器或者全部自耦变压器退出运行，该测距方法仍然适用，但需要调整变比修正系数k和坐标平移修正系数b。
本发明的工作原理是：单线AT双边供电牵引网发生短路故障时，设短路故障位置距离自耦变压器AT1的长度为x，可通过公式(1)、(2)计算得到初测值x1。
由于计算结果包含自耦变压器AT，测量结果需要用公式(3)进行修正。所需的修正系数k和b，可以在同一AT段的不同地点做两次同种类型短路试验得到，具体为：在AT段取任意两个测试点d1、测试点d2点分别进行短路试验，通过公式(1)得到两个初测值x11和x11后，再通过式(4)计算变比修正系数k，式(5)计算坐标平移修正系数b。
本发明方法只在牵引所安装测距装置和互感器，不需要在每一AT段中增设互感器和测距装置，当故障在靠近某一自耦变压器AT时，该测距计算方法可用于单线AT双边供电牵引网TR短路故障，RF短路故障，TF短路故障。在多个AT段构成的单线AT双边供电牵引网，一个或多个自耦变压器AT或全部自耦变压器AT退出运行，该测距方法仍然适用，但需要根据自耦变压器AT数量变化调整变比修正系数k，和坐标平移修正系数b。
与现有技术相比，本发明技术的有益效果是：
一、减少设备数量，增加可靠性，节约人力物力，应尽量不在AT段中增加设备，能通过两次短路试验非常明晰的计算出修正系数。
二、如果结合列车行车信息，也可以对修正系数进行在线计算。
三、当修正系数发生较大变化大于20％，表示该AT段电气特性有异常，予以示警。
附图说明
图1是本发明接触线T与正馈线F之间的TF短路试验示意图。
图2是本发明接触线T与钢轨R之间的TR短路试验示意图。
图3是本发明正馈线F与钢轨R之间的FR短路试验示意图。
具体实施方式
如图1所示，单线AT双边供电方式的电气化铁路系统，
包括单线AT双边供电方式的电气化铁路系统，公共电网变电所Sub，首端牵引变电所S1、尾端牵引变电所S2，三相电源进线L1两端分别连接公共电网变电所Sub和首端牵引变电所S1，三相电源进线L2两端分别连接公共电网变电所Sub和尾端牵引变电所S2；首端牵引变电所S1与尾端牵引变电所S2之间分段设有自耦变压器AT1、自耦变压器AT2、自耦变压器AT3、自耦变压器AT4、自耦变压器AT5，以自耦变压器AT1为首端，自耦变压器AT5为尾端构成四个AT段，四个AT段总长度为D，各AT段长度依次为：自耦变压器AT1与自耦变压器AT2之间的长度为D1，自耦变压器AT2与自耦变压器AT3之间的长度为D2，自耦变压器AT3与自耦变压器AT4之间的长度为D3，自耦变压器AT4与自耦变压器AT5的长度为D4；记第一个AT段的接触线T1、钢轨R1、正馈线F1，第二个AT段的接触线T2、钢轨R2、正馈线F2，第三个AT段的接触线T3、钢轨R3、正馈线F3，第四个AT段的接触线T4、钢轨R4、正馈线F4；自耦变压器AT1从首端牵引变电所S1取电，接触线电压相量为
Figure GDA0003273865240000041
电流相量为
Figure GDA0003273865240000042
负馈线电压相量为
Figure GDA0003273865240000043
电流相量为
Figure GDA0003273865240000044
自耦变压器AT5从尾端牵引变电所S2取电，接触线电压相量为
Figure GDA0003273865240000045
电流相量为
Figure GDA0003273865240000046
负馈线电压相量为
Figure GDA0003273865240000047
电流相量为
Figure GDA0003273865240000048
设短路故障为接触线T与正馈线F之间的发生TF短路故障或接触线T与钢轨之间的TR短路故障或正馈线F与钢轨之间的FR短路故障，故障位置离自耦变压器AT1的距离为x、故障位置离自耦变压器AT5的距离为D-x，在自耦变压器AT1和首端牵引变电所S1之间安装测距装置DA1和互感器，在自耦变压器AT5和尾端牵引变电所S2之间安装测距装置DA2和互感器；测距装置DA1与测距装置DA2之间通过光纤g1通信，它们分别同步测量接触线电压相量为
Figure GDA0003273865240000049
电流相量为
Figure GDA00032738652400000410
负馈线电压相量为
Figure GDA00032738652400000411
电流相量为
Figure GDA00032738652400000412
单线AT双边供电牵引网发生短路故障时，设短路故障位置距离自耦变压器AT1的长度x，通过公式(1)、(2)计算得到初测值x1；
Figure GDA00032738652400000413
Figure GDA00032738652400000414
式中：长度D、x的单位均为km，各种阻抗Z单位均为Ohm/km；各电压相量
Figure GDA00032738652400000415
和
Figure GDA00032738652400000416
的单位均为V，各电流相量
Figure GDA00032738652400000417
和
Figure GDA00032738652400000418
的单位均为A；
由于测距装置DA1和测距装置DA2之间包含多个自耦变压器，测量结果需要用公式(3)进行修正设定：
x＝kx1+b (3)
k为变比修正系数，b为坐标平移修正系数，由于在不同AT段发生短路故障，包含的AT段的数量不同会引起变比修正系数k和坐标平移修正系数b的值在每一个AT段也不同；又由于牵引网接触线T、正馈线F的阻抗不同，所以对于发生在接触线T与正馈线F之间的TF短路故障、接触线T与钢轨之间的TR短路故障、正馈线F与钢轨之间的FR短路故障，其变比修正系数k和坐标平移修正系数b的值在每一个AT段也是不同，均需要分别设定。
所述的测量结果需要用公式(3)进行修正设定，公式(3)中的变比修正系数k和坐标平移修正系数b是通过在同一AT段的不同地点做两次同种类型短路试验得到的，具体为：在AT段任意取两个测试点d1、测试点d2点分别进行短路试验，通过公式(1)得到两个初测值x11和x12后，再通过式(4)计算变比修正系数k，式(5)计算坐标平移修正系数b；
Figure GDA00032738652400000419
Figure GDA0003273865240000051
仿真计算实例，修正系数计算流程如图3所示：
接触网长度D＝60km，每个AT段长度15km
接触线阻抗ZT＝0.148534+j*0.586168(Ω/km)
钢轨阻抗ZR＝0.083098+j*0.444793(Ω/km)
正馈线阻抗ZF＝0.170248+j*0.716382(Ω/km)
接触线钢轨互阻抗ZTR＝0.049348+j*0.304063(Ω/km)
接触线正馈线互阻抗ZTF＝0.049348+j*0.342784(Ω/km)
正馈线钢轨互阻抗ZFR＝0.049348+j*0.291514(Ω/km)
AT短路电压百分比0.5％
计算公式参考电流方向均为流向线路，为了便于直接代入计算，仿真计算时，IT2,IF2,IR2相位均是相对于(UT1相位+180度)。
第2个AT段TR短路故障，即自耦变压器AT2与自耦变压器AT3之间的仿真计算电流电压如表1,3,5所示，测距结果如表2,4,6所示，
表1第2个AT段TR短路故障时牵引所电压电流
Figure GDA0003273865240000052
Figure GDA0003273865240000061
表2在第2个AT段TR短路故障测距及修正结果
Figure GDA0003273865240000062
表3第2个AT段FR短路故障时牵引所电压电流
Figure GDA0003273865240000063
表4在第2个AT段FR短路故障测距及修正结果
Figure GDA0003273865240000064
表5第2个AT段TF短路故障时牵引所电压电流
Figure GDA0003273865240000071
表6在第2个AT段TF短路故障测距及修正结果
Figure GDA0003273865240000072
根据上表可见，表中实验数据证明本专利方法是可行的。

Claims (3)

1.一种单线AT双边供电牵引网故障测距计算方法，包括单线AT双边供电方式的电气化铁路系统，公共电网变电所Sub，首端牵引变电所S1、尾端牵引变电所S2，三相电源进线L1两端分别连接公共电网变电所Sub和首端牵引变电所S1，三相电源进线L2两端分别连接公共电网变电所Sub和尾端牵引变电所S2；首端牵引变电所S1与尾端牵引变电所S2之间分段设有自耦变压器AT1、自耦变压器AT2、自耦变压器AT3、自耦变压器AT4、自耦变压器AT5，以自耦变压器AT1为首端，自耦变压器AT5为尾端构成四个AT段，四个AT段总长度为D，各AT段长度依次为：自耦变压器AT1与自耦变压器AT2之间的长度为D1，自耦变压器AT2与自耦变压器AT3之间的长度为D2，自耦变压器AT3与自耦变压器AT4之间的长度为D3，自耦变压器AT4与自耦变压器AT5的长度为D4；记第一个AT段的接触线T1、钢轨R1、正馈线F1，第二个AT段的接触线T2、钢轨R2、正馈线F2，第三个AT段的接触线T3、钢轨R3、正馈线F3，第四个AT段的接触线T4、钢轨R4、正馈线F4；自耦变压器AT1从首端牵引变电所S1取电，接触线电压相量为
Figure FDA0003273865230000011
电流相量为
Figure FDA0003273865230000012
负馈线电压相量为
Figure FDA0003273865230000013
电流相量为
Figure FDA0003273865230000014
自耦变压器AT5从尾端牵引变电所S2取电，接触线电压相量为
Figure FDA0003273865230000015
电流相量为
Figure FDA0003273865230000016
负馈线电压相量为
Figure FDA0003273865230000017
电流相量为
Figure FDA0003273865230000018
接触线每千米自阻抗为ZT，负馈线每千米自阻抗为ZF，接触线和负馈线每千米互阻抗为ZTF；设短路故障为接触线T与正馈线F之间的发生TF短路故障或接触线T与钢轨之间的TR短路故障或正馈线F与钢轨之间的FR短路故障，故障位置离自耦变压器AT1的距离为x、故障位置离自耦变压器AT5的距离为D-x，其特征在于：在自耦变压器AT1和首端牵引变电所S1之间安装测距装置DA1和互感器，在自耦变压器AT5和尾端牵引变电所S2之间安装测距装置DA2和互感器；测距装置DA1与测距装置DA2之间通过光纤g1通信，它们分别同步测量接触线电压相量为
Figure FDA0003273865230000019
电流相量为
Figure FDA00032738652300000110
负馈线电压相量为
Figure FDA00032738652300000111
电流相量为
Figure FDA00032738652300000112
单线AT双边供电牵引网发生短路故障时，设短路故障位置距离自耦变压器AT1的长度x，通过公式(1)、(2)计算得到初测值x1；
Figure FDA00032738652300000113
Figure FDA00032738652300000114
式中：长度D、x的单位均为km，各种阻抗Z单位均为Ohm/km；各电压相量
Figure FDA00032738652300000115
和
Figure FDA00032738652300000116
的单位均为V，各电流相量
Figure FDA00032738652300000117
和
Figure FDA00032738652300000118
的单位均为A；
由于测距装置DA1和测距装置DA2之间包含五个自耦变压器，测量结果需要用公式(3)进行修正设定：
x＝kx1+b (3)
k为变比修正系数，b为坐标平移修正系数，由于在不同AT段发生短路故障，包含的AT段的数量不同会引起变比修正系数k和坐标平移修正系数b的值在每一个AT段也不同；又由于牵引网接触线T、正馈线F的阻抗不同，所以对于发生在接触线T与正馈线F之间的TF短路故障、接触线T与钢轨之间的TR短路故障、正馈线F与钢轨之间的FR短路故障，其变比修正系数k和坐标平移修正系数b的值在每一个AT段也是不同，均需要分别设定；
公式(3)中的变比修正系数k和坐标平移修正系数b是通过在同一AT段的不同地点做两次同种类型短路试验得到的，具体为：在AT段任意取两个测试点d1、测试点d2点分别进行短路试验，d1、d2为测试点到自耦变压器AT1的距离；
Figure FDA0003273865230000021
Figure FDA0003273865230000022
通过公式(1)得到两个初测值x11和x12后，再通过式(4)计算变比修正系数k，式(5)计算坐标平移修正系数b。
2.根据权利要求1所述的一种单线AT双边供电牵引网故障测距计算方法，其特征在于：所述的测距计算方法适用于单线AT双边供电牵引网中的接触线T与钢轨R之间的TR短路故障，钢轨R与正馈线F之间的RF短路故障，接触线T与正馈线F之间的TF短路故障测距计算。
3.根据权利要求1所述的一种单线AT双边供电牵引网故障测距计算方法，其特征在于：所述单线AT双边供电牵引网的五个自耦变压器中，当一个或一个以上自耦变压器或者全部自耦变压器退出运行，该测距方法仍然适用，但需要调整变比修正系数k和坐标平移修正系数b。
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