大准铁路接触网故障测距装置的校正与研究

白剑峰

摘 要：通过分析大准铁路沿线各变电所的接触网故障测距装置运行情况，总结故障测距类型，并利用相关的短路试验数据，分析电抗法测距与上下行电流比法测距在实际应用中所存在的问题，进而提出问题解决方案，有效提高故障测距精度，缩短故障处理时间。

关键词：接触网 故障测距 电抗法 电流比法 阻抗试验

中图分类号：U226.8 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2018）11-0-02

引言

大准铁路是准能集团下属的国家一级重载电气化铁路，东起山西省大同市，西至内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗薛家湾，正线全长264公里，途径两省六旗县（市）。由于大准铁路车流密度较大、接触网运行环境恶劣，因此发生接触网故障的几率较高。一旦发生接触网永久性故障，将直接影响整条铁路的运行，因此，快速、精确地获得接触网故障位置对于线路的及时修复起到了至关重要的作用。

一、大准线接触网故障测距的原理

1.电抗法测距的原理

大准线采用直供加回流的供电方式，全线各所的馈线保护装置均有使用电抗法进行故障测距的特定模块，其测距原理[1]如下。

当接触网发生短路故障时，其短路阻抗，其中电阻必定会包括该故障点的弧光电阻部分，且弧光电阻是一种暂态量，受线路随机因素影响较大，难以作为短路阻抗的测距依据。而线路电抗值受短路电流的影响不大，它一般是与线路长度成正比的。因此，可以计算出故障点的电抗值之后，再通过（为接触网单位距离电抗值，单位）来进行测距。

电抗值计算公式为：

公式（1）中，和分别为短路电压和短路电流；为取比值的虚部。

是通过接入馈线保护装置的馈线侧母线电压互感器PT采集的，是通过馈线断路器上的电流互感器AT采集的，原理如下图所示：

2.上下行电流比法测距的原理

利用上下行电流比法进行故障测距的前提必须是在复线区段，且上下行馈线的末端必须并联到一起。因此，在条件符合的大准线外西沟变电所安装了凯发DK3571A电铁故障测距装置进行故障测距。

若假设接触网上行线发生短路故障，则上下行电流比测距的等效原理图如下所示：

其中L为故障距离，L1和L2分别为上、下行供电臂长度；為故障时母线电压；和分别为上、下行故障电流；和分别为上、下行单位距离阻抗值；上行故障点两边的阻抗值可以分别等效为和，下行总阻抗等效为。

由图2可得：

由公式（2）可得：

因为一般情况下，接触网上行单位距离阻抗值和下行单位距离阻抗值相等，且上行供电臂长度=下行供电臂长度=，所以公式（3）可以简化为：

若假设接触网下行线发生短路故障，则可得：

因为故障一行的电流值往往较大，所以综合公式（4）和公式（5）的结果可得

由图2可以得出，和的电流方向相同，所以对公式（6）两边取模值得：

公式中，L为故障距离；为供电臂长度；和分别为上、下行故障电流的模值。

由公式（7）可以看出，在理想状态下，上下行电流比法的测距结果仅与上、下行故障电流的模值以及供电臂长度有关，与短路阻抗无关，且供电臂长度是一个常数，因此只需要提高短路故障时的故障电流采集精度，即可提高测距精度。

二、故障测距装置的应用问题及校正措施。

1.电抗法测距的应用问题及校正措施。

大准线上的窑沟变电所、点岱沟变电所、大红城变电所、外西沟变电所、凉城变电所、樊家变电所、黍地沟变电所均可采用馈线保护装置自带的电抗法测距模块进行故障测距，但在实际应用中，其故障测距的准确性比较低。

以2015年8月11日在外西沟变电所进行的短路试验为例，当天共在3个短路位置进行了5次短路试验，其试验结果如下表所示：

通常以0.5km的误差范围作为可以接受的误差范围，但本次短路试验的试验结果均在可接受误差范围之外，且有4次的差距极大。

经过数据分析与参数比对发现，造成这种问题的主要原因是馈线故障测距装置没有进行单位电抗的分段处理，忽略了区间中的接触网线路与各站场的接触网线路构造不同、接触网材质、规格不同对单位电抗的影响，以及接触网供电线到上网点部分的结构、材质差异。因此，不能将整条接触网线路单纯视为阻抗均匀分布的线性回路，应对不同分段部分的接触网线路进行逐段细分，按照每部分接触网线路的特点将线路的单位电抗进行重新测量。

2017年底，大准铁路供电段在樊家变电所组织进行馈线阻抗参数试验，在樊家变电所211馈线上测试了4个位置，在212馈线上测试了6个位置，其试验位置如图所示：

从实验结果来看，供电线的单位阻抗最大，区间次之，站场的单位阻抗最小，这与实际情况相符。因此，将该段接触网线路的单位阻抗值按照供电线、区间、站场进行分段输入，便可有效提高故障测距精度。

2.上下行电流比法测距的应用问题及校正措施。

大准线外西沟变电所采用天津凯发DK3571A电铁故障测距装置进行故障测距，当馈线上、下行线路在末端闭环运行时，该装置可以采用上下行电流比法进行测距。其装置内部的测距公式[2]为：

其中：、为上下行供电臂电流；为供电臂长度。

为了验证该装置的测距精度，2015年8月11日在外西沟至鸡鸣驿区间上下行接触网选取末端、中间、近端三个短路点，按永久性接地方案进行接地短路试验。试验结果如下表所示：

由试验结果可知，除6点57分36秒的试验测距误差在可接受误差范围（0.5km）之内，其余试验的测距误差均比较大。

经过理论分析及设备参数核对，该问题的主要原因在于外西沟至鸡鸣驿区间上行接触网线路与下行接触网线路的结构不同。由于上行为重载方向，为提高机车取流能力，上行接触网线路并接了加强线，造成了公式（3）中的上行单位距离阻抗值≠下行单位距离阻抗值，因此在这种情况下，公式（3）不可以简化为公式（4），所以该装置内部的测距公式（8）并不成立，从而造成测距结果误差较大。

针对这种情况，需利用馈线阻抗参数试验，得到该段线路准确的上行单位距离阻抗值和下行单位距离阻抗值，以及上下行线路总阻抗值，之后便可对公式（8）进行校正，提高测距精度。

结语

针对大准线7个变电所的实际情况，应在线路末端闭环运行的复线区段采用上下行电流比法进行测距，若出现上行线路与下行线路结构、材质不同的情况，则需进行馈线阻抗参数试验，准确测量出上行单位距离阻抗值与下行单位距离阻抗值，进而校正故障测距结果。在单线区段，则应利用电抗法进行故障测距，并对不同分段部分的接触网线路进行逐段细分，将单位阻抗值按照供电线、区间、站场进行分段输入，从而提高故障测距的精度。

参考文献

[1]陈小川.铁路供电继电保护与自动化.北京交通大学出版社.2013：44-45.

[2]天津凯发电气股份有限公司.DK3571A电铁故障测距装置技术说明书.2012：20.