铁路电力贯通线故障定位及隔离技术研究苑二林

铁路电力贯通线故障定位及隔离技术研究苑二林

苑二林

（神华甘泉铁路有限责任公司内蒙古巴彦淖尔市乌拉特中旗015000）

摘要：文章对铁路10kV电力贯通线做了简要介绍，分析贯通线路的故障类型及其对应的特征，并重点分析贯通线故障定位的方法、装置、原理和隔离方法。

关键词：铁路电力贯通线；故障定位；隔离技术

1引言

在铁路的电气化系统中，电力贯通线指的是铁路信号、通信以及其他铁路综合用电的电力系统线路，且在我国的铁路系统中采用的是全电缆线路。由于电力贯通线通常埋于地下或管沟中，沿线的用电负荷数量多、结构复杂，如果运行过程中一旦发生线路故障，就需要采用相应的技术进行故障区段确定，对故障进行及时修复并恢复供电，并采用有效的隔离技术对其他线路和设备进行保护，对于缩短故障修复时间，保证铁路供电系统供电的可靠性具有重要意义。

2铁路10kV电力供电系统概述

铁路电力供电系统是给铁路沿线的附属设施进行供电的系统，其线路是由当地的变电站引出的专用的10kV或35kV电源，接入铁路线路两端的变配电所，然后向线路上的各种负荷进行环形供电，其为对应的通信、信号等一级负荷和部分二级负荷供电，而且为了保证电力供应的可靠性，需要从两个相邻的配电所向各负荷供电，且两个配电所互为备用，这就是贯通线路，这两条线路分别为一级贯通线路和综合贯通线路，而且为确保长距离贯通线路的供电质量，通常在配电所安装有调压器。电力调度工作人员可以在调度中心通过远动系统来对配电所和箱变进行远程监控，主要监控高、低压开关的分合状态、电压和负载的波动和大小、各点的故障情况等，并可以通过远动系统对配电所和箱变的高、低压开关进行合分闸的操作。

3贯通线路主要故障类型及特征

3.1相间短路故障

相间短路引起的故障主要有两相相间短路、两相相间接地短路、三相相间短路、三相相间接地短路等四种[1]，其中贯通线路发生两相相间短路时会伴随有以下特征：一是故障相相间电压降低，而且故障相中有较大的短路电流，但是整个系统中不存在零序电压和零序电流；二是故障点到电源的线路中各个分段都能检测到相间的短路电流，而另一侧则没有。

当线路发生两相相间接地短路时会伴随有以下特征：一是故障相相间电压降低，而且故障相中有较大的短路电流，整个线路中也有零序电流和零序电压的存在；二是从故障点到电源的线路中各个分段都能检测到相间的短路电流，而另一侧则没有。

当线路发生三相相间短路时会伴随有以下特征：一是故障相相间电压降低，故障相中有较大的短路电流，但是整个系统中不存在零序电流和零序电压；二是从故障点到电源的各个分段都能检测到相间的短路电流，而另一侧则没有。

当线路发生三相相间接地短路时会伴随有以下特征：一是故障向相间电压降低，而且故障相中有较大的短路电流，但是整个系统中基本不存在零序电流和零序电压；二是从故障点到电源的各个分段都能检测到相间的短路电流，而另一侧则没有。

3.2单相接地故障

单相接地故障主要有金属性接地和非金属性接地两种，其中线路发生金属性接地时会伴随有以下特征：一是故障相零序电流的数值是所有非故障相零序电流的总和，而非故障相零序电流则与本相的接地电容电流相同；二是故障点的电流大小是所有故障相和非故障相接地电容电流的总和，并超前零序电压90°。

当线路发生非金属性接地时会伴随有以下特征：一是故障相始端的零序电流比零序电压滞后90°，而非故障相始端的零序电流比零序电压超前90°，且接地电阻对零序电流和零序电压之间的相位差不产生影响，支队幅值和初相角有影响；二是故障点到电源部分各分段处的零序电流比零序电压滞后90°，而另一侧则相反。

4故障区段定位和隔离

4.1故障区段定位方法

贯通线故障却断的定位方法主要有阻抗法、行波法和信号注入法等。其中阻抗法的定位原理最为简单，但是需要在已知电缆线路的长度等数据，其适用范围较小，只适用于低阻和短路故障的区段定位；而行波法主要分为双端行波定位法和单端行波定位法，其对故障区段进行定位的原理是：测量电流电压行波在测量端到故障点之间的传播时间，并根据行波的传播速度计算出故障点距离测量点的距离，但是由于电力贯通线整个线路上的供电负荷数量多且型号复杂，所以此方法利用零模与线模行波的传输时间差来定位的方法不太适用；信号注入法主要包括基于S注入法的单频注入式测距方法、双拼注入式测距方法和中性点脉宽注入定位方法等，目前的由于较为广泛，但在适用时需加装信号注入装置，其定位的准确性容易受到过渡电阻和间歇性电弧的影响。

4.2故障区间定位和隔离装置

本文所用的贯通线故障区间定位和隔离的硬件系统的设计如下：采用TMS320F2812芯片为核心，复杂可编程逻辑器件CPLD扩展DSP（Digitalsignalprocessing）的外部接口，硬件TCP/IP协议栈芯片W3100A组成通信模块，设计出一种DSP与以太网互连的接口电路，更便捷地完成装置与车站终端FTU通信的建立，实现DSP对以太网通信的控制[2]。

装置软件结构由主程序、通信连接程序、故障定位程序、LCD显示程序、键盘响应程序等模块组成。在DSP中编写程序完成对W3100A的初始化，自动完成报文的封装与解包。初始化W3100A时，给其引脚RESET高电平进行复位，通过设置芯片内的控制寄存器，设置网关，子网掩码，IP地址，以及MAC地址。采用以太网技术进行通信连接，装置与车站FTU之间的通信协议采用IEC60870-5-104电力远动系统规约其与车站FTU建立连接，装置与I/O模块，装置与其邻站的通信采用ModbusTCP规约。

4.3相间短路故障定位算法

目前铁路配电自动化系统主要由每个供电段的变电站RTU、车站负荷开关FTU、供电段调度中心和通信网络等组成，而常规的铁路配电SCADA功能主要包括车站FTU数据的采集、报警、事件顺序记录SOE等，在两端出线断路器处加装可以采集其开关状态的I/O模块，并能够判断故障电流的方向。

当线路发生短路故障时，负荷开关经历了故障过电流，其对应的FTU就会将电流变化的SOE信息上传给对应的装置，相邻车站会对FTU装置进行两两对比，发生故障的区间由于经历了故障电流与未经历故障电流的SOE信息不同，进而判断出故障区间的位置，并发出报警信号并联动故障区间两端的负荷开关进行断开，对故障区间进行隔离。

4.4单相接地故障定位算法

当接地故障发生时，首先对应装置就会通过通信通道提取出流经对应车站负荷开关的零序电流，并将其与零序电流容限进行比较，如果零序电流较大则启动单相接地故障定位算法的程序，其具体的算法如下：在启动程序之后，对应装置会受到邻站的零序电流，并以此计算出区间零序电流，然后判断此零序电流在区间内是单调递增还是低调递减，如果是前者，则可以判断故障区间在供电线路的最后一个区间，而如果是后者，则说明故障区间在供电首端的出线断路器和第一个负荷开关之间。而如果区间零序电流不具有单调性，则在装置内进行零序电流的两两对比，找出最大的零序电流，则可以判断出故障区间就为最大零序电流所在的区间。在线路上发生单相接地故障时，所有出线的电容电流之和等于故障点电流，这个电流比短路故障时的过电流要小得多，不会引起供电端的出线断路器跳闸，故车站FTU也不会对该电容电流发出报警信号，只可采集流经开关的零序电流，并将含有零序电流的报文上传给装置。

4.5故障隔离方法

以相间的短路故障为例，其主要有瞬时性故障和永久性故障两种，前者发生时系统会进行故障区段定位，并将信息提供给巡线工人进行人工巡查和隔离；而后者则在系统判断故障区段之后可以通过远动系统断开故障区间两端的负荷开关并报告给调度中心，调度中心则对供电段两端的出线断路器发出合闸命令，并保证对非故障线路的正常供电。

当相间发生永久性短路故障时，根据故障位置的不同可以分为三种隔离方法：一是故障发生在供电首端，此时只需向故障间的负荷开关发出分闸命令控制其合闸即可；二是故障发生在供电末端，同样只需向线路末端的负荷开关发出分闸命令控制其合闸；二是故障发生在线路中间，此时就需要向故障区间两端的负荷开关FTU发出分闸命令，并远程遥控两端负荷开关的分闸。采用以上办法就可以实现对故障区间的隔离，同时将故障定位信息上传给调度中心，经后台软件系统对故障位置分析之后对故障线路两端的出线断路器发出合闸命令，实现分段向非故障线段供电。

5结语

近年来随着我国经济的快速发展，运输行业得到了飞速的发展，每年的铁路货物运输量呈递增趋势，而且随着人们生活水平的提高，人们出行的需求也越来越多，使得铁路的客运量也逐年增加，这给我国高速铁路的安全和稳定运行提出了较高的要求。本文介绍的故障定位和隔离方法能够大大缩短线路故障查找、维修和恢复供电的时间，并且操作简单，故障诊断可靠性高，具有较高的自动化水平。

参考文献：

[1]王琳,李强,王勇科,等.铁路10kV自闭及贯通线故障定位与隔离装置的研制[J].电网与清洁能源,2014(5):38-42

[2]温曼越,刘冰瑞,张姝,等.高速铁路10kV电力贯通线故障区段定位方法[J].北京交通大学学报,2014,38(5):137-141