專利名稱：鐵路自閉/貫通線路接地故障測距方法
技術(shù)領(lǐng)域：
鐵路自閉/貫通線路接地故障測距方法，屬于電力網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)單相接地時(shí)，故障點(diǎn)的定位方法，尤其涉及鐵路自閉/貫通線路單相接地時(shí)，故障點(diǎn)的定位方法。
背景技術(shù)：
鐵路自動(dòng)閉塞行車制度是通過信號(hào)機(jī)將站間區(qū)間分為若干閉塞區(qū)間，每個(gè)閉塞區(qū)間同時(shí)只允許有一列車通行以保障行車安全。采用自動(dòng)閉塞后，可以大大縮短列車運(yùn)行的時(shí)間間隔，提高行車速度和通行密度。由于涉及到行車安全，對(duì)信號(hào)電源供電的可靠性要求非常高。
鐵路信號(hào)電源線路一般為10kV系統(tǒng)，主要包括自閉(自動(dòng)閉塞)和貫通(電力貫通)兩種線路。自閉/貫通線路作為鐵路電力系統(tǒng)的重要組成部分，主要特點(diǎn)有通過調(diào)壓器與主母線隔離、中性點(diǎn)采用不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式、出線少但線路長(一般條件下為40-60km，特殊情況下可達(dá)上百公里)、負(fù)荷容量小且呈線狀分布。自閉線專為鐵路沿線信號(hào)設(shè)備提供電源，當(dāng)其發(fā)生故障時(shí)由貫通線備投。貫通線還兼為沿線小型車站供電。但在有些鐵路線路則只有貫通一條線路。自閉線和貫通線均為雙端電源，正常工作時(shí)為單電源供電，當(dāng)線路失壓時(shí)由對(duì)端電源備投。自閉/貫通線路結(jié)構(gòu)如圖1所示。
由于供電臂距離長、沿線地質(zhì)氣象條件復(fù)雜等原因，自閉/貫通線路極易發(fā)生單相接地故障(小電流接地故障)，且故障查找、維修比較困難。
自閉/貫通線路故障的準(zhǔn)確定位，能夠縮短故障修復(fù)時(shí)間，提高供電可靠性，減少停電損失，為鐵路行車安全提供保證。對(duì)于占絕大多數(shù)能夠重合成功的瞬時(shí)性故障來說，準(zhǔn)確地測出故障點(diǎn)位置，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)事故隱患(如雷電過電壓、線路絕緣子老化、線路下樹枝擺動(dòng)等)，采取有針對(duì)性的措施，避免事故再一次地發(fā)生。
根據(jù)統(tǒng)計(jì)，鐵路自閉/貫通線路故障中80％是單相接地故障。特殊的供電方式和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，沿線不均勻的掛接負(fù)荷設(shè)備，大地阻抗的不可確定性，使傳統(tǒng)的基于阻抗測距原理的方法并不適用于自閉/貫通線路。國內(nèi)部分水電段雖然裝設(shè)了基于線路自動(dòng)化系統(tǒng)的故障分段系統(tǒng)，可以自動(dòng)定位短路故障和接地故障所在區(qū)段，但仍然不能給出故障點(diǎn)的具體位置。
隨著人們對(duì)線路故障行波現(xiàn)象研究的深入和微電子技術(shù)的進(jìn)步，利用行波原理測量故障距離近年來已在輸電線路上獲得成功應(yīng)用。由于行波的傳播速度接近光速，且不受故障點(diǎn)電阻、線路結(jié)構(gòu)及互感器變換誤差等因素的影響，因此有較高的測量精度。本發(fā)明就是將行波測距原理應(yīng)用到鐵路自閉/貫通線路，并解決了若干關(guān)鍵技術(shù)問題，最終提出一種簡單實(shí)用的自閉/貫通線路故障定位方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是適用于不接地和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，不受不穩(wěn)定電弧、不均勻負(fù)荷影響，能充分利用線路已有電壓電流信號(hào)互感器而不需要額外增加其它設(shè)備，快速、準(zhǔn)確確定接地故障的鐵路自閉/貫通線路接地故障測距方法。
本發(fā)明所采取的技術(shù)方案是在自閉/貫通線路兩端各安裝行波檢測儀、對(duì)時(shí)裝置及必要的通訊系統(tǒng)。根據(jù)自閉/貫通線路固有的電壓信號(hào)互感器配置，檢測裝置只接入線路上兩個(gè)線電壓信號(hào)。當(dāng)發(fā)生單相接地故障后，檢測裝置記錄線電壓行波，即電壓行波線模分量到達(dá)線路兩端的絕對(duì)時(shí)間，利用通訊系統(tǒng)交換各自信息并計(jì)算故障點(diǎn)到檢測點(diǎn)的距離，實(shí)現(xiàn)過程為(1)在線路兩端安裝在線檢測裝置，(2)利用小電流接地系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的電壓行波信號(hào)，(3)通過線路固有的電壓信號(hào)互感器配置具備傳變高頻行波信號(hào)的特性，在線裝置檢測故障初始行波分別到達(dá)兩端電壓信號(hào)互感器時(shí)的絕對(duì)時(shí)間，(4)確定到達(dá)兩端的時(shí)間差，再根據(jù)線路總長，行波的傳輸速度既可列方程計(jì)算出故障點(diǎn)的精確位置。
實(shí)現(xiàn)過程可為多種，具體實(shí)現(xiàn)過程為(1)在線路兩端安裝的在線檢測裝置為行波記錄儀、GPS同步時(shí)鐘、通訊、后臺(tái)計(jì)算機(jī)，(2)發(fā)生小電流接地故障時(shí)，產(chǎn)生的電壓行波信號(hào)由故障點(diǎn)向兩端傳播，當(dāng)行波信號(hào)分別達(dá)到線路兩端瞬間，行波記錄儀被觸發(fā)記錄故障行波波形，同時(shí)鎖存當(dāng)前時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)電壓行波脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)刻的精確檢測，
(3)利用電話線、互聯(lián)網(wǎng)、專網(wǎng)或人工方式，線路兩端裝置交換行波到達(dá)時(shí)刻和故障波形等信息，(4)根據(jù)行波雙端測距原理，利用故障行波到達(dá)兩端時(shí)刻、波速度、線路長度等信息計(jì)算故障點(diǎn)到測量點(diǎn)距離DMF=12[v(TM-TN)+L]DNF=12[v(TN-TM)+L]]]>其中DMF、DNF分別為線路兩端M點(diǎn)、N點(diǎn)到故障點(diǎn)F點(diǎn)的距離，TM與TN分別為故障行波到達(dá)線路兩端M和N的絕對(duì)時(shí)間，L為線路總長度，v為行波的速度，(5)用故障電壓行波線模分量測量小電流接地系統(tǒng)單相接地故障距離。
當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，通過線路固有的電壓信號(hào)互感器提取故障產(chǎn)生的2個(gè)線電壓行波信號(hào)測量ABC三相中任何一相接地故障。
與現(xiàn)有技術(shù)相比本發(fā)明所具有的有益效果是利用線路自動(dòng)化系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)小電流接地故障分段的方法，由于一般條件下不能獲得線路零序電壓信號(hào)，僅僅依靠零序電流信號(hào)檢測可靠性較低。本發(fā)明只在線路兩端安裝設(shè)備，能夠獲得所需信號(hào)，檢測可靠性相對(duì)較高。同時(shí)，相比于故障分段方法只能給出故障區(qū)段，本發(fā)明可以較為準(zhǔn)確給出故障距離。且高頻行波信號(hào)傳播速度穩(wěn)定，可精確地測量出故障距離。
而對(duì)于利用故障指示器確定故障區(qū)段的方法，其檢測可靠性低于利用線路自動(dòng)化的方法。
由于大地阻抗的不可確定性，行波的零序信號(hào)(零模信號(hào))衰減和畸變較為嚴(yán)重，利用其測量故障距離誤差較大，同時(shí)線路上不能獲得零序電壓信號(hào)需要額外增加零序電壓信號(hào)傳變?cè)O(shè)備(如零序電壓互感器)。而線電壓行波信號(hào)(電壓行波線模分量)衰減和畸變相對(duì)較小，利用其測距誤差較小。同時(shí)根據(jù)分析，利用兩路線電壓行波信號(hào)(如Vab、Vcb)可以測量ABC三相中任何一相接地故障，利用自閉/貫通線路已有的電壓互感器配置就可獲得所需的信號(hào)。因此，本方案可充分利用線路自有設(shè)備而不需要額外增加信號(hào)傳變?cè)O(shè)備，即可節(jié)約費(fèi)用又可降低工程復(fù)雜程度。同時(shí)具有適用于不接地和經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)，不受不穩(wěn)定電弧、不均勻負(fù)荷影響，快速、準(zhǔn)確確定接地故障定位方法等優(yōu)點(diǎn)。


圖1鐵路自閉/貫通線路行車區(qū)間的供電方式示意圖；圖2鐵路自閉/貫通線路電壓電流信號(hào)互感器配置示意圖；圖3電壓行波產(chǎn)生示意圖；圖4測距系統(tǒng)示意圖；圖5雙端測距原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示為行車區(qū)間的供電方式CB為斷路器， 分位； 合位，每個(gè)配電室M、N一般由雙電源供電，一個(gè)供電區(qū)間內(nèi)每一條線路自閉、貫通由雙端電源M、N配電室供電，互為備用。每臺(tái)控制箱(電氣集中設(shè)備)由自閉、貫通兩路供電，互為備用；然后由控制箱為行車信號(hào)正常運(yùn)行提供電源。
圖2為自閉/貫通線路電壓電流信號(hào)互感器配置。自閉/貫通母線上配備有3相PT(稱為母線PT)，用以測量母線3相對(duì)地電壓(同時(shí)可提供零序電壓)。任何一端電源的斷路器外側(cè)均裝有PT，稱為線路PT，用來測量線路上電壓，一般測量AB間及CB間線電壓。在本方法中只使用線路PT即可。
圖3為接地故障電壓行波示意圖。為發(fā)生單相如A相接地短路時(shí)，AB線電壓的變化情況。由圖可以看到在發(fā)生故障后會(huì)有明顯的線電壓行波的產(chǎn)生。
圖4為雙端測距裝置的安裝示意圖。在線路兩端安裝專用監(jiān)測裝置、對(duì)時(shí)裝置，并配合通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)故障測距。其中，監(jiān)測裝置可以有多種形式能夠記錄故障行波波形的復(fù)合型裝置、僅僅記錄故障行波觸發(fā)時(shí)刻的簡便型裝置。由于本發(fā)明對(duì)兩端設(shè)備的時(shí)間精度要求較高uS級(jí)，一般需采用GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)對(duì)時(shí)技術(shù)。通訊方式可以是電話撥號(hào)、互聯(lián)網(wǎng)、專網(wǎng)，以及人工方式中的一種即可。
采用不同裝置時(shí)，系統(tǒng)的復(fù)雜程度、成本各不同，檢測的可靠性、便利性及測距的準(zhǔn)確性也各不相同，但其工作原理和工作程序均相同。如圖4所示以下給出一個(gè)具體示例(1)在行車區(qū)間兩端配電室均安裝一套測距系統(tǒng)。測距系統(tǒng)包括行波檢測及記錄儀、GPS對(duì)時(shí)裝置、后臺(tái)分析及數(shù)據(jù)存貯裝置、Modem及公用電話線路，其中，行波檢測及記錄裝置同時(shí)檢測同一配電室內(nèi)兩個(gè)方向的自閉/貫通線路，每條線路均接入斷路器外線路PT信號(hào)(Vab、Vcb)。
(2)正常運(yùn)行時(shí)，測距系統(tǒng)始終監(jiān)視自閉/貫通線路電壓變化情況，GPS裝置給整個(gè)系統(tǒng)提供準(zhǔn)確對(duì)時(shí)，精度為uS或nS級(jí)。
(3)如圖5所示，當(dāng)故障點(diǎn)F發(fā)生接地故障時(shí)，根據(jù)疊加原理，在故障瞬間，相當(dāng)于在故障點(diǎn)突然附加一個(gè)與故障前電壓大小相等、方向相反的虛擬電源，虛擬電源會(huì)產(chǎn)生向故障相線路兩端運(yùn)動(dòng)的電壓、電流行波。實(shí)際線路三相之間存在著電磁耦合。在發(fā)生不對(duì)稱故障，如短路故障及單相接地故障時(shí)，會(huì)產(chǎn)生在線路的相與相之間運(yùn)動(dòng)的線模分量以及在線路的相與大地之間運(yùn)動(dòng)的地模分量。
(4)電壓行波到達(dá)自閉/貫通線路兩端時(shí)，行波檢測及記錄裝置感受到線電壓行波信號(hào)，檢測觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，同時(shí)鎖存當(dāng)前時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)暫態(tài)行波脈沖信號(hào)出現(xiàn)時(shí)刻的精確檢測。同時(shí)，裝置記錄并永久保存故障前后一定時(shí)間內(nèi)的電壓行波信號(hào)。
(5)兩端測距系統(tǒng)利用電話撥號(hào)網(wǎng)絡(luò)，交換記錄到的故障初始行波到達(dá)時(shí)間以及故障波形。
(6)根據(jù)雙端行波測距原理，利用下列公式計(jì)算故障點(diǎn)到線路兩端距離的計(jì)算方法DMF=12[v(TM-TN)+L]DNF=12[v(TN-TM)+L]]]>其中TM與TN分別為故障行波到達(dá)線路兩端M和N的絕對(duì)時(shí)間；L為線路總長度；v為行波速度。
(7)測距系統(tǒng)可以永久保留故障行波數(shù)據(jù)及相應(yīng)的測試結(jié)果，以供事后查詢和分析。同時(shí)，利用電話網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程分析。
在發(fā)生其它類型的故障，如兩相短路、三相短路、兩相接地短路、三相接地短路時(shí)，同樣會(huì)有線電壓行波的產(chǎn)生，可以利用同樣的方法準(zhǔn)確地計(jì)算出故障點(diǎn)的位置。
權(quán)利要求
1.鐵路自閉/貫通線路接地故障測距方法，利用線路固有電壓電流互感器配置實(shí)現(xiàn)，其特征在于(1)在線路兩端安裝在線檢測裝置，(2)利用小電流接地系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的電壓行波信號(hào)，(3)通過線路固有的電壓信號(hào)互感器配置具備傳變高頻行波信號(hào)的特性，在線裝置檢測故障初始行波分別到達(dá)兩端電壓信號(hào)互感器時(shí)的絕對(duì)時(shí)間，(4)確定到達(dá)兩端的時(shí)間差，再根據(jù)線路總長，行波的傳輸速度既可列方程計(jì)算出故障點(diǎn)的精確位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鐵路自閉/貫通線路接地故障測距方法，其特征在于(1)在線路兩端安裝的在線檢測裝置為行波記錄儀、GPS同步時(shí)鐘、通訊、后臺(tái)計(jì)算機(jī)，(2)發(fā)生小電流接地故障時(shí)，產(chǎn)生的電壓行波信號(hào)由故障點(diǎn)向兩端傳播，當(dāng)行波信號(hào)分別達(dá)到線路兩端瞬間，行波記錄儀被觸發(fā)記錄故障行波波形，同時(shí)鎖存當(dāng)前時(shí)鐘，實(shí)現(xiàn)電壓行波脈沖信號(hào)到達(dá)時(shí)刻的精確檢測，(3)利用通訊線，線路兩端裝置交換行波到達(dá)時(shí)刻和故障波形等信息，(4)根據(jù)行波雙端測距原理，利用故障行波到達(dá)兩端時(shí)刻、波速度、線路長度等信息計(jì)算故障點(diǎn)到測量點(diǎn)距離DMF=12[v(TM-TN)+L]DNF=12[v(TN-TM)+L]]]>其中DMF、DNF分別為線路兩端M點(diǎn)、N點(diǎn)到故障點(diǎn)F點(diǎn)的距離，TM與TN分別為故障行波到達(dá)線路兩端M和N的絕對(duì)時(shí)間，L為線路總長度，v為行波的速度，(5)用故障電壓行波線模分量測量小電流接地系統(tǒng)單相接地故障距離。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述鐵路自閉/貫通線路接地故障測距方法，其特征在于通訊方式為電話線、互聯(lián)網(wǎng)、專網(wǎng)或人工方式中的一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述鐵路自閉/貫通線路接地故障測距方法，其特征在于當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，通過線路固有的電壓信號(hào)互感器提取故障產(chǎn)生的2個(gè)線電壓行波信號(hào)測量ABC三相中任何一相接地故障。
全文摘要
鐵路自閉/貫通線路接地故障測距方法，屬于電力網(wǎng)小電流接地系統(tǒng)單相接地時(shí)故障點(diǎn)的定位方法，在線路兩端安裝在線檢測裝置，利用小電流接地系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)產(chǎn)生的電壓行波信號(hào)，通過線路固有的電壓信號(hào)互感器配置具備傳變高頻行波信號(hào)的特性，在線裝置檢測故障初始行波分別到達(dá)兩端電壓信號(hào)互感器時(shí)的絕對(duì)時(shí)間，確定到達(dá)兩端的時(shí)間差，再根據(jù)線路總長，行波的傳輸速度既可列方程計(jì)算出故障點(diǎn)的精確位置，具有不受不穩(wěn)定電弧、不均勻負(fù)荷影響，快速、準(zhǔn)確確定接地故障等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)B60M1/00GK1689859SQ20041002396
公開日2005年11月2日 申請(qǐng)日期2004年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月27日
發(fā)明者徐丙垠, 薛永端, 李京, 陳平, 陳羽, 劉洪軍, 熊立新 申請(qǐng)人:淄博科匯電氣有限公司