解决方案：铁路10kV自闭贯通电力线路故障指示器的应用
单位：天津供电段作者：刘大生
1概述
随着铁路运输的快速发展和地方社会的建设，铁路10kV电力线路运行环境不断的变化并对电力线路安全稳定运行造成了极大的影响，电力线路故障频发，而在故障发生后能够迅速启动应急处置预案并及时检查发现故障点是保证运输安全的关键，为了改善传统故障后人工徒步巡视检查方案，在与相关厂家、设计联系后，计划在津山线唐山东至迁安间10kV贯通电力线路安装故障指示器。
故障指示器是一套自动高效的故障点检测及定位指示的装置，主要用于铁路10kV自闭贯通电力线路相间短路及接地故障的检测和定位。在线路发生故障后可实现故障的快速定位，就地指示故障，方便电力人员查找判断，提高故障应急处置效率，缩短故障延时。
故障指示器实施过程中不需要对既有一次和二次设备进行改造，对原有10kV电力线路和系统没有影响。
2实施方案
2.1概况
目的：实现铁路10kV自闭、贯通电力线路故障定位，缩短故障延时，提高故障应急处置效率
设备：铁路10kV自闭、贯通电力线路故障指示器、信号源
特点：自动识别故障电流、不需要改造一次设备、容易实施、容易推广
适用范围：适用于铁路10kV电力线路
2.2故障检测原理
2.2.1相间短路故障检测原理
故障指示器动作判据原理是根据电力线路故障时，线路电流会有如下变化规律：
（1）从运行电流突增到故障电流，即有一个正的△I变化；
（2）上级断路器的电流保护装置会驱动断路器跳闸或熔断器的熔丝熔断，其故障电流维持时间是断路器的故障电流清除时间（＝保护装置动作时间＋开关动作时间＋故障电流息弧时间），或熔断器的熔断及燃弧时间。
（3）线路停电，电流和电压下降为零。
根据这个特征，故障指示器的短路故障检测判据可概括为：
上式中△If为故障电流分量，或电流变化量，Iset是内部缺省值，不同型号的指示器根据使用的场合不同会略有差别。△T为故障持续时间，T1、T2是内部缺省值，由配电系统的保护、开关性能等决定；T1为故障可能切除的最快时间，T2为故障被清除所需的最大可能时间，IH、UH为故障后的电流和电压值。
上述判据可以描述为：当线路上的电流突然发生一个正的突变，且其变化量大于一个设定值，然后在一个很短的时间内电流和电压又下降为零，则判定这个线路电流为故障电流。显然它只与故障时短路电流分量有关、而与正常工作时的线路电流的大小没有直接关系。因此是一种能适应负荷电流变化的故障检测装置。它的判据比较全面，可以大大减少误动作的可能性。短路故障检测准确率可达到99%。
2.2.2单相接地故障检测原理
单相接地故障检测采用信号注入法原理。目前配电网大部分采用的是小电流接地系统，这类系统发生单相接地故障时，因故障电流较小，故障特征复杂，使得故障点的查找非常困难。故障指示器按照小电流接地系统单相接地故障的特点，安装在铁路10kV配电室内或线路中的信号源主动向母线注入一个特殊的编码信号，这个特殊的信号在接地点和信号源之间的线路上构成回路，故障指示器检测到这个特殊信号后翻转指示接地故障，故障指示器检测单相接地故障属于主动检测。该原理克服了故障指示准确度低的缺陷，有效地解决了单相接地故障定位的难题。
图1信号源原理图
信号注入法是一种不受系统运行方式、拓扑结构、中性点接地方式、故障随机因素等影响的主动检测方法。故障指示器以检测信号源发出的信号作为唯一的判断依据，对于现场干扰不敏感，具有较强的鲁棒性。不仅可以实现变电站接地故障选线，而且可以实现线路上接地故障点的定位。
2.3工作原理
以唐山东站与迁安站之间的贯通线为例，说明故障指示器的动作过程。
2.3.1相间短路故障动作过程
线路无故障时如下图所示：
当狼窝铺站与沙子河站之间发生相间短路故障时：
当相间短路故障发生狼窝铺站与沙子河站之间时，线路上的电流突然发生一个正的突变，且其变化量大于设定值，唐山东站变电站跳闸，整条线路电流和电压又下降为零，唐山东站出口及狼窝铺站出口故障指示器检测到故障电流，故障指示器会就地翻牌、闪光指示。
唐山东站失电后，迁安站启动备自投功能。若为瞬时性故障，备自投成功，沙子河到迁安沿线指示器不动作；若为永久性故障，备自投失败，备自投过程中，沿线故障指示器启动失电闭锁防误动保护，故障指示器动作状态不发生变化；此时，备自投失败，唐山站启动重合闸，永久性故障，重合闸失败，重合闸过程中故障指示器失电闭锁防误动，不会重新上报故障。
电力人员通过观察线路上安装的故障指示器状态来确定线路故障区段。方便、快速确定故障区段，缩短故障查找时间，大大提高供电可靠性。
2.3.2单相接地故障动作过程
线路无故障时如下图所示：
当狼窝铺站与沙子河站之间发生单相接地故障时：
当单相接地故障发生狼窝铺站与沙子河站之间时，线路上信号源通过检测母线零序电压和三相电压自动判断接地相，当接地故障持续一段时间（10s）后，信号源投相应的交流接触器，并开始发送电流信号序列，该信号经过故障出线的接地相、接地点和大地返回信号源，非故障出线和非故障相没有信号通过。信号源发出信号以后，安装在唐山东站出口、狼窝铺站出口故障线路故障相上故障指示器检测到信号源发出的电流信号序列，就地翻牌、闪光指示。
电力人员通过观察线路上安装的故障指示器状态来确定线路故障区段。方便、快速确定故障区段，缩短故障查找时间，大大提高供电可靠性。
3信号源原理
带信号源的接地选线方案工作原理：
当线路上发生接地故障以后，配电室信号源通过检测母线零序电压和三相电压自动判断接地相，当接地故障持续一段时间后，信号源投相应的交流接触器，并开始发送电流信号序列，该信号经过故障出线的接地相、接地点和大地返回信号源，非故障出线和非故障相没有信号通过。信号源发出信号以后，安装在故障线路故障相上的故障指示器检测到信号源发出的电流信号序列，就地翻牌、闪光指示。
4设备布点原则
故障点位置的判断与安装故障指示器的位置有密切的关系。首先，在线路上安装的故障指示器数量越多，定位的故障区段就越精确。其次，在合理的位置安装故障指示器可以更快捷准确的定位故障点。
（1）配电室出口：
在配电室出口处安装故障指示器，可判明配电室内或室外的故障。
（2）长线路的主干线中段：
对于架空线路长线路采用故障指示器分段，可以大大缩小故障区段范围。
（3）电缆线与架空线连接处：
可快速判断故障点是否在电缆线路上。
（4）责任分界点：
能够迅速判断故障点范围，明确工区、车间、供电段应急职责。
参考文献：
铁路电力设备安装标准（第三版）
《就地式故障定位系统技术方案》北京科锐配电自动化公司
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中铁第二勘察设计院集团有限公司电化院总工程师
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中铁第一勘察设计院集团有限公司电化处总工程师
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西南交通大学电气工程学院副院长