摘要：本文主要针对于铁路系统10kV、35kV配电线路故障状态监测手段进行研究，从铁路供电可靠性、稳定性上保证铁路运输及行车安全。同时，研究铁路电力线路接地短路故障的监测方法、线路故障定位技术手段、故障数据的接入到铁路10kV、35kV配电线路故障监测系统中的算法与具体应用进行探讨，为铁路配电运维和调度提供切实可行的参考依据。
关键词：故障定位;智能配网;短路故障;接地故障;通信方式
引言
随着电气化铁路以及目前科技的高速发展，对铁路系统供电智能化也提高了更高要求，如何确保铁路供电安全以及缩短故障处理时间，对铁路供电系统智能化提出了更高要求。因此，建立一套针对铁路电力线路故障自动定位系统，以便实时掌握电力线路运行状态，实现线路故障区段的自动定位，显得尤为重要。
1项目背景
我国大部分高速铁路10kv-35kv电力配电所外电源线路大部分均未安装智能保护装置，线路故障的排查和检修仅依靠人工的方式去处理，有时，不得不通过拉线路分段开关并试送电来确定查找故障所在区域。这样，对线路、设备运行的安全性极为不利，排查故障的效率也非常低，尤其是建在山区的电力线路，故障查找将更加困难。高速铁路10kv电力线路一般采用低电阻接地系统，低电阻接地系统发生单相接地故障时，接地电流瞬间增大，接地故障点和系统中性点附近会形成接触电压和跨步电压，对人身及列车都会造成极大的伤害。而且，铁路电力线路一旦发生故障，对牵引供电系统，供电设备及整个铁路运输都会造成重大的损失。现在，正值电气化铁路普遍提速的时期，列车快速而密集，一旦线路发生故障而不能及时排除，后果将不堪设想。因此，为了进一步提高列车运行安全，从根本上改善和杜绝铁路系统电气设备的故障频率，确保铁路配电系统的安全性和可靠性，有必要在高速铁路电力线路上研究和建设一种新型的故障定位系统，从而迅速的排查故障、定位故障、通过定位故障监测系统，及时组织相关人员进行故障抢修，以确保铁路安全、可靠的运行。
目前，该研究成果已率先应用于杭黄铁路千岛湖段110kV文昌变电站到淳安站方向所属35kV配电线路，该线路途径山区接入到千岛湖变电所，整条线路分支处均安装了故障定位系统前端设备-“线路故障指示器”。
2系统工作原理
2.1项目拓扑图
系统拓扑图如下图1所示，安装于线路上的故障指示器将采集到的故障信息通过RF无线方式发送至安装于线路铁塔上的汇集单元，由汇集单元通过GSM通信的方式，将数据无线传输至安装在变电所的前置机，前置机将接收到的故障信息再通过RS485通信方式与变电所综合自动化监测装置对接，后由变电所综合自动化监测装置将故障信息通过铁路系统内网上传至铁路局电力调度平台，以此实现线路故障信息的远程精确定位。同时，考虑到铁路系统内网传输的安全性，故障定位系统的传输通道采用GSM短信的通信方式，该通信方式优点是可限制通信的数据量，单向控制，数据只进不出，避免来自外网的攻击。
从铁路系统安全的角度考虑，杭黄铁路千岛湖段故障定位系统的汇集单元采用硬件加密芯片及软件算法加密相结合的方式，汇集单元只能传输其预置的编码，非预置的编码数据将校验不通过。该系统的前置机负责对汇集单元进行数据解密，当解密的数据校验通过后，再将数据传送至铁路变电所综合自动化监测装置，最后，数据通过杭黄铁路系统内网上传至上海铁路局电力调度平台。
图1 系统拓扑图
2.2接地故障检测原理
目前，常采用首半波法和信号注入法对小电流接地系统的单相接地故障进行分析。但两种方法均存在一定的缺点，首半波法有误动的情况发生，信号注入法由于设备成本投入高、安装不便捷等因素发展受到限制。而应用于本项目的智能配网故障定位系统则采取线路电压测量法以及接地瞬间首半波尖峰电流相结合作为接地故障判据，通过采集器将各个监测点的信息汇总到后台主站，让主站系统进行智能决策判断，接地故障检测原理如图2所示。其判据条件如下:
图2接地故障电压电流波形
(1)线路单相接地时，相电压对地电场突然下降。一般可预设故障指示器采集到的电压降低30%左右是接地故障造成的(可根据实际线路信息进行调整)。(2)发生接地的故障点会有突变电流流过，其值大小与线路电压、频率和线路的长度因素有关。首半波尖峰电流突变量可设为32A左右，也可结合线路实际情况在线设定。(3)此外接地故障还需参考充电时间、故障持续时间、接地相电压持续下降时间和线路不停电等因素。该判据能够实时在线监测线路电流、电压的变化情况，还能根据系统要求远程修改前端设备各项参数。为了防止人工合分闸等操作带来的单相暂态涌流导致的误动情况发生，系统还增添了“充电时间”判据，即系统正常运行若干秒后才开始故障检测，此外还增加了“不停电”判据，只有检测到线路不停电状态后才会给出接地故障报警，准确性有大幅度提高。图3为三相接地故障时电流波形，由图可知在19∶26左右发生接地，系统历史曲线反映了该接地判据的准确性。
图3三相接地电流波形
2.3短路故障监测原理
目前大部分指示器采用电流突变法来判定短路故障，其判据条件如下:(1)线路电流突变值。线路出现短路故障时，电流值会急剧变大，此时指示器就会检测到突变的电流，当该值大于系统中设定的指令电流时，即可认为有突变电流。(2)电流突变时间、线路“有电”时间和“停电”时间，三者综合考虑来判定是正常停电还是故障原因引起的停电。满足上述条件时故障指示器才会给出短路报警故障，但该方法存在线路短路时电流逐渐变大，当短路电流达不到系统检测的最小阈值时会出现拒动的情形。其次在某些短路情况下，当线路带有容性或感性负载时会出现反馈送电的情况，使系统出现误动。根据上述判据的特点，而应用于本项目的智能配网故障定位系统则采用过流速断法。该方法不论是接地短路还是农网过流故障指示器均能检测到故障并给出状态指示。此外为了防止非故障线路因重合闸涌流导致的误动，系统还通过“充电”判据和“停电”判据作为参考条件之一，其检测原理如图4所示。
图4 A相短路电流波形
2.4故障定位
系统故障定位原理如下所示，在杭黄铁路千岛湖段35kV线路1-6分别安装故障定位装置，当线路发生故障时，1-5故障指示器会发生翻牌，第6个站点不翻牌，这样故障就介于站点5和6之间，并将此故障信息上传至铁路配电自动化系统，平台发生报警，同时通知运维人员故障信息。通过远程监测平台将大大缩短铁路线路运维人员的故障查找时间，达到精确定位的目的。
图5 故障定位拓扑图
结语
铁路10-35kV智能配网故障定位系统能够实现铁路电力线路的远程实时监测和故障诊断，并能准确、快速定位出故障的类型、地点和时间。同时，还能将故障定位信息通过铁路通信专网传输至上海铁路局调度中心，并在铁路局调中心平台上直观显示故障信息和故障类型，便于调度人员及时通知运维人员对线路故障点快速查找和抢修，从而提高故障处理的工作效率,极大的提升了铁路电力线路运行可靠性，为铁路配电网的安全运行提供有强有力的保障。因此，在铁路系统配电线路推行适用于电气化铁路故障定位系统，对促进各个行业快速发展，创立自主电气化铁路管理品牌，引领二十一世纪电气化铁路的技术革新，均具有重大意义。
参考文献:
［1］郑顾平，姜超，李刚，等．配网自动化系统中小电流接地故障区段定位方法［J］．中国电机工程学报，2012，32(13):103－109．
［2］王敏珍，李伟，王玉刚。铁路配电网自闭贯通线路故障定位系统[J].电网技术，2009(16).
［3］刘淼，石东源，杨雄平。计设电气化铁路两相交流供电系统不对称性的输电网实用故障计算方法比较研究[J],2007(08)
［4］周骏，史衍绪，郑建鸿．10kV架空线路配网故障定位系统应用［J］．中国电业(技术版)，2015，5(9):37－39．
论文作者:王龙浩1,肖永武2,樊文华3,马立飞4,刘会勇5
论文发表刊物:《电力设备》2018年第27期
论文发表时间:2019/3/12
标签：故障论文; 线路论文; 铁路论文; 电流论文; 判据论文; 系统论文; 指示器论文; 《电力设备》2018年第27期论文;