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解决方案：京广线自闭/贯通线路故障在线测距系统研究

单位：广州供电段技术科作者：张利洪李日福

　　0 前言

　　京广线自闭/贯通线路为调度集中、各站电气集中联锁、自动闭塞、驼峰信号等一级负荷提供电源，同时还肩负沿线的车站和区间负荷供电。但京广线广坪段自闭/贯通线路为架空线/电缆混合线路，沿线地理环境和气象条件复杂，大多穿越高山、河流等偏僻地区，线路受其外部环境的影响极易发生故障，是铁路供电系统的最薄弱环节，一旦发生供电中断事故，将导致信号闭塞混乱，影响京广线的正常运输，严重时将会造成重大生命财产损失。

　　因此，为保证京广线运输安全以及沿线各车站设备的正常运行，要求尽快找到故障点并排除故障，确保自闭/贯通线路的安全、可靠、经济运行。传统故障查找方法已不能满足，所以，找到准确快速而经济的故障定位方法是一个迫切需要解决的问题。

　　1 京广线自闭/贯通线路特点

　　京广线自闭/贯通的供电臂距离较长，一般40-60km，源潭-英德区间达70km；供电点多且供电负荷小，沿线有许多信号电源接入点；线路复杂，全线为架空线-电缆混合线路；线路运行环境差、偏远，地势复杂，一旦发生故障，较难快速恢复；电压等级低，配电所结构单一，供电可靠性要求高。

　　2 分析京广线自闭/贯通线路故障类型及缺陷

　　2.1 统计分析线路故障类型

　　京广线广坪段自闭/贯通线路为架空线/电缆混合线路，沿线地理环境和气象条件复杂，大多穿越高山、河流等偏僻地区，线路受其外部环境的影响极易发生故障。经统计近年故障发现，倒树、树木侵限、挂异物、中间电缆头击穿导致故障约占80%，故障类型分为瞬时性故障和永久性故障，其中单相接地短路故障占92%以上，两相短路故障占6%左右，三相短路故障约占2%。

　　2.2分析目前排查故障法存在不足

　　当线路发生永久性故障时，目前主要通过人工逐段拉合线法进行故障区段定位，组织人员在该区段内全线查找故障点；线路发生瞬时性故障主要通过组织大量人员进行巡线目测法。以上两种方法都存在共同缺陷：一是查找故障时间较长、效率较低；二是不能满足快速恢复供电要求，严重影响供电可靠性，打乱运输计划；三是巡视人员的人身安全存在隐患；四是巡线目测法很难发现线路瞬时故障的绝缘薄弱点。

　　3在线测距系统的工作原理及优点

　　3.1 在线测距系统的工作原理

　　在线测距系统定义：要求在故障过程中完成故障电气信息的收集，并据此计算出故障点位置。

　　由于京广线自闭/贯通线路属于中性点不直接接地系统，行波的传输特性与中性点接地方式无关。因此，提出京广线自闭/贯通线路故障在线测距系统采用D型双端行波原理，D型双端行波原理（见图1）：利用线路内部故障产生的初始行波浪涌到达线路两端测量点时的绝对时间之差值进行计算故障点之间的距离。

图1 D型双端行波测距原理

　　设线路长度为L，波速度为v，故障初始行波的波头到达线路两端测量点的时间分别Tn、Tm，则故障点到线路两端测量点的故障距离分别为：

　　具体实施如下：在线路两端均装设行波采集系统，采集故障信息数据传输给计算机主站，主站通过特定的算法，结合网络拓扑结构，计算得到故障点的位置，同时在系统里配备高精度、高稳定的GPS时钟，确保两端时钟误差小于1us。

　　3.2 在线测距系统的优点

　　在线测距系统的优点：一是能够准确、快速测出故障点位置，以最小的人力、物力、时间来排除故障和消除隐患；二是帮助快速修复故障，提高供电的可靠性，减少停电损失；三是对于瞬时性故障，能及时发现线路薄弱点，提前采取防范措施，防止故障再一次扩大。

　　4分析研究测距系统几点关键技术问题，并提出解决方案

　　在线测距系统需要解决的关键技术问题主要有数据的高速采集、行波信号的获取、两端时间精确同步、波头时间标定和行波波速的确定等，只有解决以上问题，才能确保在线测距系统可靠、准确、快速。

　　4.1 数据的高速采集

　　当前使用通过判断输入信号是否超过门槛值来检测行波脉冲，由于电压行波信号上升速度缓慢，检测出行波脉冲到达时刻与实际脉冲的前沿有时间延迟，影响故障测距精度。

　　解决方法：合理设置门槛值是关键，门槛值不能太低或过高，此外还需采用现代微电子技术，可以实现对暂态行波波头进行高速采集与记录。

　　数据采集终端的原理框图（见图2）、接线图（见图3）。

图2 数据采集终端接线图

图3 数据采集终端接线图

　　4.2 信号的可靠获取

　　由于京广线自闭/贯通线路采用"一主一备"的供电方式，关于线路故障信号的采集宜利用既有线路首端和末端上的电压互感器，将高灵敏的电压行波传感器同时挂在线路首端和末端上的电压互感器提取暂态行波信号，确保故障信号的可靠获取。

　　4.3 时间的精确同步

　　现全球卫星定位系统(GPS)技术已成熟并全覆盖日常生产中，在线测距系统可以利用全球卫星定位系统GPS技术为双端测距获取精确时间提供保障，结合精密守时和校准技术，时间同步精度可达30ns以下，因的定时精度造成的误差在10m以下，已可满足京广线自闭/贯通线路故障定位的要求。

　　4.4 波头的时间标定

　　由于线路故障时的行波具有突变性质的非平稳信号，故障初始行波的浪涌在波头起始点处表现出奇异性，并且奇异性不随时间和外部因素衰减和畸变，因此通过小波变换模极大值分析方法检测突变点时刻，从而确定波头时刻。该方法在任何情况下能将波头到达时刻1个采样间隔以内（小于1us），具有较高的准确性、稳定性和可靠性。

　　4.5数据传输通道

　　需要将采集终端装置里数据传输到计算平台进行分析计算，可以利用既有铁路系统的通讯网络进行数据传输，从而节省投资、方便快捷、通信稳定。

　　4.6 行波波速的确定

　　由于京广线自闭/贯通线路是架空线-电缆混合线路，行波在这两种线路中传播速度不一致，架空线为294m/μs左右，电缆波速度在170 m/μs左右，若不进行换算，测距误差非常大。

　　解决方法：在这里采用"波速归一化"的思路，即根据行波在架空线路及电缆中传播速度比，将电缆折算为架空线，再按等效线路进行故障测距计算，折算公式如下。

　　5 分析试点区间线路结构及技术数据

　　经研究分析，京广线的乌石-英德-源潭2个区间线路的地理环境复杂且供电臂最长，选该区间作为在线测距系统的试点。京广线乌石、英德、源潭3个配电所形成2个供电臂。

图4 乌石-英德-源潭自闭/贯通供电示意图

　　各供电臂自闭、贯通架空线和电缆线路长度见下表（单位：km）。

　　从上表可看出，京广线乌石-英德-源潭2个区间自闭/贯通线路属于架空线-电缆混合线路，需采用"波速归一化"的思路，根据行波在架空线路及电缆中传播速度比，将电缆折算为架空线，再按等效线路进行故障测距计算，其中架空线波速度取294m/μs，电缆波速度取170 m/μs。根据折算公式得出折算为架空线的供电臂长度：乌-英间的供电臂（自闭：56.378 km，贯通：62.395 km），英-源间的供电臂（自闭：91.234 km，贯通：84.315 km）。

　　行波在电感中传输时衰减与电感L值大小有关，L值越大，行波衰减越小，因此关于沿线的变压器可以看作是开路，对行波传输可忽略不计。

　　6 制定测距系统在乌石-源潭区间试点的实施方案

　　选乌石至源谭2个区间作为安装行波测距装置系统的试点，对其线路设备参数、通讯网络情况、路径进行前期调研和分析计算，确定数据采集终端安装位置和行波测距装置系统软硬件的安装方案，组织实施建设、测试验收后并投入使用。

　　6.1具体实施方案

　　在京广线的乌石至源谭2个区间的三个配电所（乌石、英德、源潭）各安装一套系统子站，两端配电所的子站内包含2台终端，中间配电所安装4台终端，在既有PT上安装电压行波传感器，利用行波测距装置系统对乌石至源谭2个区间进行故障测距。同时利用配电所内既有的通讯网络局域网络，所有子站均与云端服务器网络连接，日常监测数据和故障测距数据均主动上报服务器进行数据库存储，与服务器网络连接的客户端计算机可以对服务器进行授权访问，进行测距数据分析、统计等操作。

　　6.2 预期系统测距效果

　　在广坪段上乌石至源谭2个区间安装行波测距装置系统，当线路发生故障时，本系统能够快速、精确指出故障位置（指出故障发生在哪条线路、哪个分支、距离分支点或末端的距离，或者直接以地图方式显示），时间同步精度达30ns以下，能够满足自闭/贯通线路精确故障定位的要求。

　　参考文献

　　[1] 蔡玉梅，何正友.10KV铁路自闭贯通线路故障测距方法研究.中国知网.2005.

　　[2] 陈玥云，覃剑.配电网故障测距综述. 电网技术.2006.

　　[3] 杨保初，刘晓波，戴玉松.《高电压技术》.