CN112924814B - 一种电气化铁道at段故障类型识别方法 - Google Patents

一种电气化铁道at段故障类型识别方法 Download PDF

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CN112924814B CN202110127140.5A CN202110127140A CN112924814B CN 112924814 B CN112924814 B CN 112924814B CN 202110127140 A CN202110127140 A CN 202110127140A CN 112924814 B CN112924814 B CN 112924814B
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Abstract

本发明公开了一种电气化铁道AT段故障类型识别方法，涉及电气化铁路牵引供电技术领域。通过同步测量牵引网AT段两端电压相量和电流相量，包括接触线T首端电压相量
Figure DDA0002923858800000011
和首端电流相量
Figure DDA0002923858800000012
末端电压相量
Figure DDA0002923858800000013
和末端电流相量
Figure DDA0002923858800000014
负馈线F首端电压相量
Figure DDA0002923858800000015
和首端电流相量
Figure DDA0002923858800000016
末端电压相量
Figure DDA0002923858800000017
和末端电流相量
Figure DDA0002923858800000018
列写电路方程，解出故障位置x或D‑x。AT段发生短路故障时，故障类型通过接触线T电流比，钢轨R电流比，负馈线F电流比进行判断。该方法可以排除牵引网结构、运行方式等因素的影响，并适用于有较大过渡电阻的非金属短路故障情形，故障定位精度高。广泛适用于电气化铁路AT牵引供电系统的故障定位。

Description

一种电气化铁道AT段故障类型识别方法
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
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。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。发明专利授权公告号：CN108872786B公开了“一种电气化铁路AT牵引网AT段故障定位方法”其中公开的测距公式在实际使用中发现当出现牵引网参数不对称的情况时，用已公开的测距公式计算接触线T与负馈线F故障位置时测距有误差，使得该测距公式无法获得准确的故障位置，故有必要对牵引网AT段故障定位方法进一步研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种电气化铁道AT段故障类型识别方法，它能有效地排除因AT牵引网结构、运行方式以及过渡电阻等因素的影响，有效辨别AT供电接触网故障类型和故障位置，解决AT牵引网发生短路故障时精确定位的技术问题。
本发明解决其技术问题，所采用的技术方案为：一种电气化铁道AT段故障类型识别方法，设电气化铁路AT牵引网AT段长度为D，电源为
Figure BDA0002923858780000011
系统阻抗为ZS，接触线T的自阻抗为ZT，钢轨R的自阻抗为ZR，负馈线F的自阻抗为ZF，接触线T与钢轨R的互阻抗为ZTR，接触线T与负馈线F的互阻抗为ZTF，负馈线F与钢轨R的互阻抗为ZFR；在AT段首端设有测距装置DA1，在AT段末端设有测距装置DA2，测距装置DA1与测距装置DA2之间通过光纤g1通信，它们分别同步测量牵引网AT段首、末端电压相量和电流相量，包括接触线T首端电压相量
Figure BDA0002923858780000012
和首端电流相量
Figure BDA0002923858780000013
末端电压相量
Figure BDA0002923858780000014
和末端电流相量
Figure BDA0002923858780000015
负馈线F首端电压相量
Figure BDA0002923858780000016
和首端电流相量
Figure BDA0002923858780000017
末端电压相量
Figure BDA0002923858780000018
和末端电流相量
Figure BDA0002923858780000019
当电气化铁路AT段内发生短路故障需要进行测距时，根据现有测距公式：
Figure BDA00029238587800000110
Figure BDA00029238587800000111
Figure BDA0002923858780000021
Figure BDA0002923858780000022
分别计算得到短路故障位置距离AT段首端的长度为x，短路故障位置距离AT段末端的长度为D-x，所述的电气化铁路AT段内发生短路故障需要进行测距时，会出现牵引网参数不对称的情况，即负馈线F与钢轨R的互阻抗ZFR的值比接触线T与钢轨R的互阻抗ZTR的值大于或小于20％以上时，用公式(1)、(2)、(3)、(4)计算接触线T与负馈线F故障位置时测距有误差，故需采用下述公式对接触线T与负馈线F故障位置进行测距：
Figure BDA0002923858780000023
Figure BDA0002923858780000024
式中：长度D、x的单位均为km，各种阻抗Z单位均为Ohm/km；各首端电压相量
Figure BDA0002923858780000025
Figure BDA0002923858780000026
和末端电压相量
Figure BDA0002923858780000027
的单位均为V，各首端电流相量
Figure BDA0002923858780000028
和末端电流相量
Figure BDA0002923858780000029
Figure BDA00029238587800000210
的单位均为A；故障发生时，用公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)计算得到故障位置x1,故障位置x2,故障位置x3,故障位置x4,故障位置x5,故障位置x6，共计六个故障位置，此时，区分为三种情况：
(A)当x1≠x2,且x1＝x2＝x3＝x4时，判定为接触线T与钢轨R之间发生故障；
(B)当x3≠x4,且x1＝x2＝x5＝x6时，判定为负馈线F与钢轨R之间发生故障；
(C)当x1≠x2,x3≠x4,且x5＝x6时，判定为接触线T与负馈线F之间发生故障；
所述的当x1≠x2,且x1＝x2＝x3＝x4时，是由于故障位置x1和故障位置x2测量值发生了线性偏移，此时需要通过公式(7)进行修正：
x＝kx1+b (7)
k为变比修正系数，b为坐标平移修正系数；
式(7)所需的修正系数k和坐标平移修正系数b，能够在同一AT段的不同地点做两次同种类短路试验得到，具体为：在AT段取两个测试点d1、测试点d2点分别进行短路试验，通过公式(5)、(6)得到两个初测值x11和x12后，再通过式(8)计算变比修正系数k，式(9)计算坐标平移修正系数b:
Figure BDA00029238587800000211
Figure BDA00029238587800000212
则故障位置x2通过公式(7)进行修正，其k变比修正系数，b坐标平移修正系数需要根据式(8)、(9)计算得到。
所述的当x3≠x4,且x1＝x2＝x5＝x6时，由于其中故障位置x3，故障位置x4的测量值发生了线性偏移，需要通过公式(7)进行修正，其k变比修正系数，b坐标平移修正系数根据公式(8)、(9)计算得到。
所述公式(5)、(6)也适用于接触线T与钢轨R之间发生故障测距和负馈线F与钢轨R之间发生故障测距。
本发明的工作原理是：设电气化铁路AT牵引网AT段长度为D，电源为
Figure BDA0002923858780000031
系统阻抗为ZS，接触线T的自阻抗为ZT，钢轨R的自阻抗为ZR，负馈线F的自阻抗为ZF，接触线T与钢轨R的互阻抗为ZTR，接触线T与负馈线F的互阻抗为ZTF，负馈线F与钢轨R的互阻抗为ZFR；在AT段首端安装测距装置DA1，在AT段末端2安装测距装置DA2，测距装置DA1与测距装置DA2之间通过光纤g1通信，测距装置DA1与测距装置DA2分别同步测量牵引网AT段首末端电压相量和电流相量，包括接触线T首端电压相量
Figure BDA0002923858780000032
和首端电流相量
Figure BDA0002923858780000033
末端电压相量
Figure BDA0002923858780000034
和末端电流相量
Figure BDA0002923858780000035
负馈线F首端电压相量
Figure BDA0002923858780000036
和首端电流相量
Figure BDA0002923858780000037
末端电压相量
Figure BDA0002923858780000038
和末端电流相量
Figure BDA0002923858780000039
所述的电气化铁路AT段内发生短路故障需要进行测距时，会出现牵引网参数不对称的情况，即负馈线F与钢轨R的互阻抗ZFR的值比接触线T与钢轨R的互阻抗ZTR的值大于或小于20％以上时，用公式(1)、(2)、(3)、(4)计算接触线T与负馈线F故障位置时测距有误差，故需采用下述公式对接触线T与负馈线F故障位置进行测距：
Figure BDA00029238587800000310
Figure BDA00029238587800000311
式中：长度D、x的单位均为km，各种阻抗Z单位均为Ohm/km；各首端电压相量
Figure BDA00029238587800000312
Figure BDA00029238587800000313
和末端电压相量
Figure BDA00029238587800000314
的单位均为V，各首端电流相量
Figure BDA00029238587800000315
和末端电流相量
Figure BDA00029238587800000316
Figure BDA00029238587800000317
的单位均为A；故障发生时，用公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)计算得到故障位置x1,故障位置x2,故障位置x3,故障位置x4,故障位置x5,故障位置x6，共计六个故障位置，此时，区分为三种情况：
(A)当x1≠x2,且x1＝x2＝x3＝x4时，判定为接触线T与钢轨R之间发生故障；
(B)当x3≠x4,且x1＝x2＝x5＝x6时，判定为负馈线F与钢轨R之间发生故障；
(C)当x1≠x2,x3≠x4,且x5＝x6时，判定为接触线T与负馈线F之间发生故障；
所述的当x1≠x2,且x1＝x2＝x3＝x4时，是由于故障位置x1和故障位置x2测量值发生了线性偏移，此时需要通过公式(7)进行修正：
x＝kx1+b (7)
k为变比修正系数，b为坐标平移修正系数；
式(7)所需的修正系数k和坐标平移修正系数b，能够在同一AT段的不同地点做两次同种类短路试验得到，具体为：在AT段取两个测试点d1、测试点d2点分别进行短路试验，通过公式(5)、(6)得到两个初测值x11和x12后，再通过式(8)计算变比修正系数k，式(9)计算坐标平移修正系数b:
(B)、(C)所述的故障位置x3，故障位置x4通过公式(7)进行修正，其k变比修正系数，b坐标平移修正系数需要根据权利要求2的原理用公式(8)、(9)另行计算。
与现有技术相比，本发明技术的有益效果是：
一、利用AT段两端电压、电流进行故障类型判别和故障距离计算，适用于金属性短路和非金属性(有较大过渡电阻)短路，且均具有较高的准确性。
二、故障定位及其精度不受AT牵引网结构、运行方式等的影响，也考虑了接触线T与负馈线F的互感影响。
三、通用性好，易于实施。
附图说明
图1是本发明实施例的TF短路定位示意图。
图2是本发明实施例的FR短路定位示意图。
图3是本发明实施例的TR短路定位示意图。
具体实施方式
如图1，2，3所示，设电气化铁路AT牵引网AT段长度为D，电源为
Figure BDA0002923858780000041
系统阻抗为ZS，接触线T的自阻抗为ZT，钢轨R的自阻抗为ZR，负馈线F的自阻抗为ZF，接触线T与钢轨R的互阻抗为ZTR，接触线T与负馈线F的互阻抗为ZTF，负馈线F与钢轨R的互阻抗为ZFR；在AT段首端设有测距装置DA1，在AT段末端设有测距装置DA2，测距装置DA1与测距装置DA2之间通过光纤g1通信，它们分别同步测量牵引网AT段首、末端电压相量和电流相量，包括接触线T首端电压相量
Figure BDA0002923858780000042
和首端电流相量
Figure BDA0002923858780000043
末端电压相量
Figure BDA00029238587800000414
和末端电流相量
Figure BDA00029238587800000415
负馈线F首端电压相量
Figure BDA0002923858780000046
和首端电流相量
Figure BDA0002923858780000047
末端电压相量
Figure BDA0002923858780000048
和末端电流相量
Figure BDA0002923858780000049
根据现有测距公式：
Figure BDA00029238587800000410
Figure BDA00029238587800000411
Figure BDA00029238587800000412
Figure BDA00029238587800000413
计算得到短路故障位置距离AT段首端的长度为x，短路故障位置距离AT段末端的长度为D-x，电流、电压需用基波相量，电流、电压互感器极性需与图中标向要求一致。同时，由电路方程推导故障位置的过程中，短路点电压可以消掉，因此该故障定位方法适用于有或无过渡电阻情形。
实施中所有电流、电压需用基波相量，电流、电压互感器极性需与图中标向要求一致。同时，由电路方程推导故障位置的过程中，短路点电压可以消掉，因此该故障定位方法适用于有或无过渡电阻情形。
仿真实例：
仿真计算所用参数：
牵引变绕组容量32MVA
AT段长D＝20km
接触线自阻抗ZT＝0.1485+0.5862i(欧)
钢轨自阻抗ZR＝0.0831+0.4448i(欧)
负馈线线自阻抗ZF＝0.1702+0.7164i(欧)
接触线钢轨互阻抗ZTR＝0.0493+0.3041i(欧)
接触线负馈线互阻抗ZTF＝0.0493+0.3428i(欧)
负馈线钢轨互阻抗ZFR＝0.0493+0.2915i(欧)
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)。
仿真计算电流电压如表1,4,7所示，测距结果如表2,5,8所示，修正结果如表3,6,9所示。
表1 TR短路故障电压电流
Figure BDA0002923858780000051
Figure BDA0002923858780000061
表2 TR短路故障测距
故障位置 1km 3km 5km 8km 10km 14km 17km
式(1)计算(km) 4.599 6.28 7.953 10.42 12.14 15.51 17.86
式(2)计算(km) 0.658 2.338 4.01 6.479 8.201 11.57 13.91
式(3)计算(km) 0.826 2.922 5.002 8.057 10.21 14.41 17.29
式(4)计算(km) 0.826 2.919 4.998 8.054 10.21 14.42 17.29
式(5)计算(km) 0.827 2.92 4.998 8.055 10.21 14.42 17.29
式(6)计算(km) 0.827 2.92 4.998 8.055 10.21 14.42 17.29
表3 TR短路故障测距修正，表中的式(1)修正系数：k＝1.1955b＝-4.5078，式(2)修正系数：K＝1.1962b＝0.2032。
故障位置 1km 3km 5km 8km 10km 14km 17km
式(1)计算(km) 4.599 6.28 7.953 10.42 12.14 15.51 17.86
式(1)修正(km) 0.990 3 5 7.949 10.006 14.034 16.844
式(2)计算(km) 0.658 2.338 4.01 6.479 8.201 11.57 13.91
式(2)修正(km) 0.991 3 5 7.953 9.798 14.043 16.842
表4 FR短路故障电压电流
Figure BDA0002923858780000062
Figure BDA0002923858780000071
表5 FR短路故障测距
故障位置 1km 3km 5km 8km 10km 14km 17km
式(1)计算(km) 1.127 3.106 5.068 8.056 9.914 13.81 16.93
式(2)计算(km) 1.128 3.108 5.07 8.056 9.918 13.81 16.93
式(3)计算(km) -2.47 -0.111 2.223 5.787 7.993 12.63 16.36
式(4)计算(km) 1.339 3.70 6.037 9.601 11.81 16.44 20.18
式(5)计算(km) 1.128 3.11 5.07 8.057 9.914 13.81 16.93
式(6)计算(km) 1.128 3.11 5.07 8.057 9.914 13.81 16.93
表6 FR短路故障测距修正，表中的式(3)修正系数：k＝0.8569k＝3.0951，式(4)修正系数：k＝0.8558b＝0.1665
故障位置 1km 3km 5km 8km 10km 14km 17km
式(3)计算(km) -2.47 -0.111 2.223 5.787 7.993 12.63 16.36
式(3)修正(km) 0.979 3 5 8.140 9.944 13.918 17.114
式(4)计算(km) 1.339 3.70 6.037 9.601 11.81 16.44 20.18
式(4)修正(km) 0.979 3 5 8.050 9.940 13.903 17.103
表7 TF短路故障电压电流
Figure BDA0002923858780000072
Figure BDA0002923858780000081
表8 TF短路故障测距
故障位置 1km 3km 5km 8km 10km 14km 17km
式(1)计算(km) 2.71 4.564 6.4 9.146 10.97 14.63 17.37
式(2)计算(km) 1.858 2.778 4.614 7.36 9.188 12.84 15.58
式(3)计算(km) -0.99 1.261 3.492 6.83 9.046 13.38 16.81
式(4)计算(km) 1.125 3.376 5.608 8.942 11.16 15.6 18.93
式(5)计算(km) 1.017 3.051 5.069 8.084 10.09 14.1 17.11
式(6)计算(km) 1.017 3.051 5.069 8.084 10.09 14.1 17.11
表9 TF短路故障测距修正，表中的式(1)修正系数：k＝1.0893b＝-1.9715，式(2)修正系数：k＝1.0893b＝-0.026，式(3)修正系数：k＝0.8965b＝1.8694，式(4)修正系数：k＝＝0.8961b＝-0.0253。
Figure BDA0002923858780000082
Figure BDA0002923858780000091
通过表中所列测距实例可以看到，证明本专利方法是可行的。

Claims (4)

1.一种电气化铁道AT段故障类型识别方法，设电气化铁路AT牵引网AT段长度为D，电源为
Figure FDA00033007537800000121
系统阻抗为Zs，接触线T的自阻抗为ZT，钢轨R的自阻抗为ZR，负馈线F的自阻抗为ZF，接触线T与钢轨R的互阻抗为ZTR，接触线T与负馈线F的互阻抗为ZTF，负馈线F与钢轨R的互阻抗为ZFR；在AT段首端设有测距装置DA1，在AT段末端设有测距装置DA2，测距装置DA1与测距装置DA2之间通过光纤g1通信，它们分别同步测量牵引网AT段首、末端电压相量和电流相量，包括接触线T首端电压相量
Figure FDA0003300753780000011
和首端电流相量
Figure FDA0003300753780000012
末端电压相量
Figure FDA0003300753780000013
和末端电流相量
Figure FDA0003300753780000014
负馈线F首端电压相量
Figure FDA0003300753780000015
和首端电流相量
Figure FDA0003300753780000016
末端电压相量
Figure FDA0003300753780000017
和末端电流相量
Figure FDA0003300753780000018
当电气化铁路AT段内发生短路故障需要进行测距时，根据现有测距公式：
Figure FDA0003300753780000019
Figure FDA00033007537800000110
Figure FDA00033007537800000111
Figure FDA00033007537800000112
分别计算得到短路故障位置距离AT段首端的长度为x，短路故障位置距离AT段末端的长度为D-x，其特征在于：所述的电气化铁路AT段内发生短路故障需要进行测距时，会出现牵引网参数不对称的情况，即负馈线F与钢轨R的互阻抗ZFR的值比接触线T与钢轨R的互阻抗ZTR的值大于或小于20％以上时，用公式(1)、(2)、(3)、(4)计算接触线T与负馈线F故障位置时测距有误差，故需采用下述公式对接触线T与负馈线F故障位置进行测距：
Figure FDA00033007537800000113
Figure FDA00033007537800000114
式中：长度D、x的单位均为km，各种阻抗Z单位均为0hm/km；各首端电压相量
Figure FDA00033007537800000115
Figure FDA00033007537800000116
和末端电压相量
Figure FDA00033007537800000117
的单位均为V，各首端电流相量
Figure FDA00033007537800000118
和末端电流相量
Figure FDA00033007537800000119
Figure FDA00033007537800000120
的单位均为A；故障发生时，用公式(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)计算得到故障位置x1，故障位置x2，故障位置x3，故障位置x4，故障位置x5，故障位置x6，共计六个故障位置，此时，区分为三种情况：
(A)当x1≠x2，且x1＝x2＝x3＝x4时，判定为接触线T与钢轨R之间发生故障；
(B)当x3≠x4，且x1＝x2＝x5＝x6时，判定为负馈线F与钢轨R之间发生故障；
(C)当x1≠x2，x3≠x4，且x5＝x6时，判定为接触线T与负馈线F之间发生故障。
2.根据权利要求1所述的一种电气化铁道AT段故障类型识别方法，其特征在于:所述的当x1≠x2,且x1＝x2＝x3＝x4时，是由于故障位置x1和故障位置x2测量值发生了线性偏移，此时需要通过公式(7)进行修正：
x＝kx1+b (7)
k为变比修正系数，b为坐标平移修正系数；
式(7)所需的修正系数k和坐标平移修正系数b，能够在同一AT段的不同地点做两次同种类短路试验得到，具体为：在AT段取两个测试点d1、测试点d2点分别进行短路试验，通过公式(5)、(6)得到两个初测值x11和x12后，再通过式(8)计算变比修正系数k，式(9)计算坐标平移修正系数b:
Figure FDA0003300753780000021
Figure FDA0003300753780000022
则故障位置x2通过公式(7)进行修正，其k变比修正系数，b坐标平移修正系数需要根据式(8)、(9)计算得到。
3.根据权利要求2所述的一种电气化铁道AT段故障类型识别方法，其特征在于:所述的当x3≠x4,且x1＝x2＝x5＝x6时，由于其中故障位置x3，故障位置x4的测量值发生了线性偏移，需要通过公式(7)进行修正，其k变比修正系数，b坐标平移修正系数根据公式(8)、(9)计算得到。
4.根据权利要求1所述的一种电气化铁道AT段故障类型识别方法，其特征在于:所述公式(5)、(6)也适用于接触线T与钢轨R之间发生故障测距和负馈线F与钢轨R之间发生故障测距。
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