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解决方案：铁路10kV自闭贯通电力线路新型故障定位系统研究应用

单位：北京铁路局供电处长沙威胜信息技术有限公司作者：吕钢许健邓术朱昱

　　0引言

　　铁路10kV自闭、贯通电力线路承担铁路沿线通信、信号等行车重要负荷供电任务，其供电可靠性直接关系到铁路系统的安全生产和运输秩序。由于铁路10kV自闭、贯通电力线路沿铁路线路建设，具有供电臂长、供电点多、负荷分散、负荷电流小等特点，且线路多处山区、旷野，外部运行环境复杂，由于树木侵害、外力破坏等外部原因以及受本身材质质量、设备老化等因素影响，不可避免会发生永久性或瞬时短路故障。由于受交通环境等限制，一旦发生故障维护人员难以全面快速排查出故障点。所以研制开发一种适用于多种运行方式下铁路10kV自闭、贯通电力线路故障区段自动定位系统迫在眉睫。

　　1传统故障定位方法

　　1.1分段试送法

　　传统查找故障点的方法都是逐个拉合区间远动开关或隔离开关，通过相邻配电所试送结果，判断确定并隔离故障区段。该方法存在如下弊端：

　　1.拉合开关找故障区段有很大的盲目性，非电力远动区段靠人工拉合，费时、费力；远动区段虽然可通过远动系统拉合开关，但仍靠逐段试送判断，故障查找隔离时间较长。

　　2.逐段试送使系统电力设备多次受故障大电流冲击，易损伤设备，如大电流冲击可降低调压器使用寿命，严重时造成调压器烧坏。

　　3.对于瞬时性不明原因跳闸无法缩小定位隐患区段，故障隐患难以查找排除。

　　4.由于线路开关设置数量有限，当需登杆检查隐性故障时，需要停电查找时间长，劳动强度大，效率低。

　　1.2故障指示器法

　　上世纪90年代，国内电力线路开始应用故障指示器配合人工查找的方式定位故障区段，大大提高了故障定位效率，缩短了定位时间，减轻了劳动强度。故障指示器外形如图1-1所示，由传感器和显示器（指示部分）集成在一个固封的结构内，通过机械方式分相固定在线路导线上。传感器负责探测线路上通过的电流，显示器负责对传感器传送来的电流信息进行判断及做出故障指示动作。

图1-1故障指示器外形

　　1.2.1常规故障指示器

　　故障指示器依靠独特的传感器直接在线检测信号，利用故障电流产生的电磁场变化，产生脉冲信号激励电路工作，不影响电网的正常运行工作。正常情况下，故障指示器不动作，窗口为白色显示，如图1-2所示。当通过线路上的电流达到故障指示器设定的故障电流值时，如果过电流持续的时间不满足故障指示器设定的电流突变时间，则此电流可能是电机起动等因素引起的瞬间起动过电流，不是故障电流，因此故障指示器不动作。相反，则判断为故障电流，故障指示器翻红牌（或光闪），如图1-3所示。故障指示器动作后再作一次判断，如果2s内线路电流恢复正常，说明线路开关重合闸成功，故障点被排除，恢复正常供电状态，故障指示器恢复正常状态。倘若2s内线路电流消失，说明故障已引发上级开关跳闸而导致线路失压，则确定为故障，故障指示器保持动作，直到达到设定的复归时间自动恢复正常状态。

　　在线路上安装上故障指示器后，当线路某点发生故障时，由于从故障点到馈电点的线路都出现了故障电流，导致故障点至馈电点之间线路上所有的故障指示器动作翻牌。此时从馈电点开始，沿着线路查看故障指示器，故障区段最后一个翻牌和第一个翻牌指示器之间线路。

　　由于铁路10kV自闭贯通线路两端互备特殊的运行方式，如图1-4所示，一但主供配电所A因线路F1点故障跳闸后，故障点F1至主供配电A所间故障指示器全部翻牌，在设定时间内备供配电所B备投动作合闸到故障点F1再次跳闸后，故障点F1至备供配电所B间故障指示器也全部翻牌，造成线路所有故障指示器全部翻牌，所以常规故障指示器在铁路10kV自闭贯通线路上无法得到应用。

图1-4铁路10kV自闭贯通电力线路故障示意图

　　1.2.2二次故障电流指示器

　　为解决常规故障指示器无法在铁路10kV自闭贯通线路应用问题，目前多采用二次故障电流的判断原理实现铁路10kV自闭贯通线路运行方式短路故障定位。如图1-5所示：

　　当F1点发生短路故障时，主供配电所A出口断路器保护跳闸，第1、2、3组故障指示器检测到一次短路故障电流，并检测到线路停电，记1次过流故障；第4、5组故障指示器没有检测到短路故障电流。

　　当检测到线路掉电信号，备供配电所B出口断路器备自投，合到短路故障上立即跳闸，第4、5组故障指示器检测到一次短路故障电流，并检测到线路停电，也记1次过流故障；第1、2、3组故障指示器没有检测到短路故障电流。

　　依据铁路电力运行规程，主供配电所A出口断路器可手动强送一次，又合到短路故障后再次立即跳闸，第1、2、3组故障指示器又检测到一次短路故障电流，并检测到线路停电，记2次过流故障；第4、5组故障指示器没有检测到短路故障电流。

　　因第1、2、3组故障指示器在一定时间内连续检测到2次故障，则立即给出翻牌动作（或闪灯指示），而第4、5组故障指示器只检测到1次短路故障，故不指示。

图1-5铁路10kV自闭、贯通二次故障电流法故障指示器定位原理

　　由于二次故障电源指示器解决了常规故障指示器不能标定铁路10kV故障自闭贯通电力线路故障区段的问题，在现场得到了部分应用。但这种应用有着很大的局限性，要求严格按照主供配电所跳闸、备供配电所备投、主供或备供配电所强送一次的方式运行才能确定故障区段，而实际运行中存在多种运行方式的可能。

　　2一次过流定位指示器

　　在实际的运行过程中，一旦配电系统运行方式有所改变，如在某些特殊的情况下，不投入邻所备投或人工强送操作，二次故障电流的判断方法就不能判断出故障区段，存在着较大的应用局限。为了提高故障电流判断的可靠性和精准度，结合铁路10kV供电线路的特殊性，本文提出一种利用负荷电流、过流、停电信息的综合判断方法，可实现一次过流判断，适用于所有运行情况的故障判断。

　　2.1故障判断必要条件

　　分析铁路10kV自闭、贯通电力线路短路故障发生过程特点，必然经历三个过程：正常负荷电流→短路故障电流→停电，如图2-1所示。由此得出指示器判断一次短路故障的三个必要条件如下：

　　⑴线路上电，正常负荷持续30秒以上。

　　⑵线路上出现短路故障电流。

　　⑶出现短路故障电流后，有停电信号。

图2-1短路故障电流示意图

　　2.2一次过流判断法原理

　　下面以贯通电力线路为例，阐述一次过流判断法故障指示器的工作原理。如图2-2所示，供电线路正常工作状态下，指示器通过电流互感器实时检测，并判定线路上电。假定F1点发生三相短路故障，主送配电所A出口断路器保护跳闸，则第1、2、3组故障指示器能满足故障指示器判断短路的三个条件，即线路上电、故障电流、停电信号，1、2、3组指示器判定线路故障，立即给出翻牌动作（或闪灯）指示。

　　如备送配电所B未投入备自投，则第4、5组指示器不经过故障电流不翻牌，定位出故障在第3与第4组指示器之间。

　　如备送配电所B投入备自投，则当配电所B检测到线路停电后，配电所B出口断路器在整定时间备自投动作，合到短路故障上立即跳闸。此时第4、5组故障指示器检测到一次短路故障电流，并检测到线路停电，但是由于上电时间很短再次跳闸失电，第4、5组指示器不能满足持续上电的条件，故第4、5组指示器依旧不翻牌，仍可定位出故障在第3与第4组指示器之间。

　　从以上分析可以得出，除第一次跳闸外，无论是采用任何运行方式，只有第一次故障跳闸电流经过的指示器满足翻牌三要素。所以采用这种原理进行线路短路故障的判断，仅靠第一次故障跳闸即可定位出故障区段，无论是否进行备自投、重合闸的操作，均不影响故障区段定位结果，即使当运行方式改变时，也无需任何修改，适用于多种运行方式。

　　同时，如果备送配电所备自投（或主送配电所自重合、或任何一方强送）成功，故障指示器可通过检测故障后的上电信息，判断出是永久性故障还是瞬时性故障，解决瞬时性故障查找难题，便于运行维护人员排除设备隐患。

图2-2一次过流法故障定位示意图

　　3组建新型故障定位系统

　　虽然一次过流定位指示器解决了不同运行方式下铁路10kV自闭、贯通电力线路故障定位难题，但现场故障区段信息还离不开人工巡视采集方式，指示器快速定位故障区段的优势得不到充分应用。为进一步提高查找定位效率，实现故障定位信息的实时上报功能，充分利用GPRS网络传输稳定、覆盖面广、价格便宜的优势，组建新型铁路10kV自闭、贯通电力线路故障定位系统，实现供电线路故障定位在系统后台的实时图形化输出，并通过短信息及时自动通知相关维护管理人员。新型铁路10kV自闭、贯通电力线路故障定位系统整体解决方案分为三层：监控层、通信层、设备层。如图3-1所示。

　　设备层主要由故障指示器、及其配套的通信终端组成，故障指示器分布式安装在配电线路上，通过微功率无线的方式将故障信息、线路运行信息上传至通信终端。

　　通信层即GPRS通信网络，通信终端汇集指示器上报的线路故障信息、线路运行信息，采用GPRS的方式上传至监控主站；也可以由主站发送召测命令，读取实时的线路运行状态信息。GPRS是通用分组无线业务（generalpacketradioservice）的缩写，具有覆盖范围广、频谱效率高、传输速率高、接入时间短、支持IP协议及网络安全性高等优点。

　　监控层由数据库服务器、前置机、图形化展示工作站、短信模块等硬件设备组成，主要功能是由前置机负责通信网络的建立和数据收发的透明中转；数据库服务器对各种数据进行存储、计算、分析，对故障信息进行汇总，自动定位出故障区段；工作站对故障信息进行图形化展示，并支持历史数据的查询、历史故障记录的追溯、线路负荷曲线的查询、生成报表等；短信模块支持告警短信的发送，将故障定位的结果发送到指定的手机号码上，提高故障抢修的及时性。告警短信的内容可以编辑，如某次线路短路故障可以编辑为：2016年XX月XX日XX时XX分XX秒，XX线路发生两相短路故障，故障区域位于XX号杆与XX号杆之间。

图3-1新型铁路10kV自闭、贯通电力线路故障定位系统整体解决方案

　　4结束语

　　以一次过流法判断原理进行铁路10kV自闭、贯通电力线路故障定位，可以不受铁路10kV自闭、贯通电力线路备自投、重合闸投入、退出等运行方式变化的影响，应用范围更广、适用性更强。同时以将通信功能结合到故障指示器，利用GPRS网络，建设铁路10kV自闭、贯通电力线路故障定位系统，性价比高，工程改造量小，方案实施简单，对原供电线路无任何不良影响，并且运行过程中无需维护，是一种非常实用的、可靠的自动化方案，对缩短故障排查时间，提高供电可靠性意义重大。

　　参考文献

　　1.张辰光等.《铁路10kV电力线故障测距技术研究》.山西建筑，2014.06

　　2.吕捷.《GPRS技术》.北京邮电大学出版社，2001.09