南昆线牵引网故障定位不准原因分析及对策

摘 要 本文针对南昆线牵引网故障定位不准原因进行分析，综合考虑牵引网结构、串补是否投入、接地短路方式等因素的影响，提出在牵引网沿线的承力索上安装特殊的传感器，实现了牵引网电流实时监测及故障自动定位功能，缩短故障查找时间，有效提高供电可靠性。

关键词 故障定位；牵引网；故障指示器

1 概述

电气化铁路运营在铁路运输中的比重伴随着国民经濟的高速增长在逐渐扩大，牵引网供电线路日益增多，其安全运行对铁路运营的稳定具有举足轻重的作用。但是由于电气化铁路牵引网往往暴露于不同的环境，其穿越地区地形地貌比较复杂特殊，环境气候较为恶劣，且没有相应的备用回路，有时会不可避免地发生跳闸事故，除较大的一部分瞬时故障通过自动重合闸恢复正常供电，还有一部分永久性的故障，致使重合闸失败，造成相对应的牵引网失电，电力机车无法正常运行，给铁路安全运营带来了较大的隐患。同时需要安排大量的人力和物力查找故障位置，增加了铁路运行成本和职工的劳动强度。因此牵引网的准确故障定位是从技术上保证铁路安全、稳定和经济运行的重要措施之一，具有巨大的社会和经济综合效益[1-2]。

2 原因分析

南昆线是南宁局最早的一条电气化铁路，于1997年12月开通运营，牵引网采用直接供电方式，牵引变电所馈线采用ARAS2000D系列的WKH-17D型保护装置，故障定位采用传动的阻抗测距方法。据不完全统计，2010年至2012年南昆线牵引网故障跳闸故障达417件，没有找到故障点或故障定位故障误差大368件，由于南昆线地处云贵高原，交通十分不便，人力查找复杂，给牵引网故障处理带来不便，造成供电可靠性大大降低。南昆线牵引网故障定位不准原因主要有以下几方面[3-4]：

（1）测距原理影响。根据系统发生故障时测距装置安装处测量的电压和电流量来计算出故障回路的阻抗，然后根据牵引网长度与阻抗成正比的原理，求出装置安装处到故障点的距离，即为阻抗测距方法。受故障点过渡电阻影响，导致测距精度无法提高，为了减少过渡电阻对测距结果的影响，各保护厂家提出了一些改进方法，如电抗法，过零测量法等，但仍然存在电力机车产生的丰富谐波（主要是非整次谐波和大量的非周期量成分）及电力机车本身的过渡阻抗难以滤除的难题。

（2）PT和CT测量误差。互感器本身测量误差不可克服，是影响测距误差的又一个因素。

（3）牵引网的结构影响。牵引网的不断磨损及经常检修、局部区段换线、增加加强线等造成牵引网结构及参数的变化等。南昆线自1997年开通以来，牵引网经过1999年、2004年两次扩能改造，局部区段换线、增加加强线、站场线路延长、长期不间断磨耗等造成牵引网单位阻抗或牵引网结构性发生变化，测距装置使用的模型与实际情况不相符合，导致测距误差比较大。

（4）整定值误差。南昆线故测整定值只是设计院根据理论计算得出，开通前未通过短路试验校验测距装置的准确性、定值的合理性，与实际运行数据存在的一定误差。

（5）串联电容的影响。南昆线开通后在部分牵引变电所所内或供电臂中间设置串联电容补偿装置，串联电容补偿装置示意图如图1所示。当馈线发生跳闸时，串补装置断路器或高压旁路开关可能会动作合闸，导致牵引网电抗值变化，计算的电抗值X可能会出现离、、、四种可能的测距值，造成实际故障公里标与测距值相差较大。

3 解决对策

3.1 设计思想

考虑南昆线牵引网的实际情况，避开其复杂的牵引网结构，通过在接触网承力索上安装故障指示器，实时监测牵引网各个节点的负荷电流，实现故障电流翻牌报警功能，并通过GPRS通信网络传送到生产调度中心的主站系统，进行拓扑分析和故障区段判断，实现牵引网实时监测和故障定位功能，大大缩短故障查找时间，有效提高供电可靠性[5-6]。

将故障指示器F1、F2…Fn安装在承力索上，通信终端固定在接触网的支柱上，传感器电流分配的大小与承力索、接触线的电阻率及接触网上通过的电流近似线性关系，如图2所示。牵引网正常运行时，故障指示器周期性采集承力索上的电流，并通过通信终端将现场采集的数据发送到主站，实现主站系统对牵引网负荷电流的在线监测。发生短路故障时，故障指示器检测的故障电流会瞬间变大，满足故障整定值时触发故障指示器翻牌变位，并将现场翻牌变位信号发回主站系统。当A点短路故障时，突变的短路电流经故障指示器F1、F2和F3所在的位置流向短路故障点，故障指示器翻牌变位，并将故障信息上传至主站系统。故障指示器F4所在的位置未检测到短路电流，不发生翻牌变位。主站系统经过数据处理和网络拓扑分析，智能判断故障发生在F3位置至F4位置之间，主站系统告警并将此故障信息通过短信方式通知有关人员。

3.2 系统组成

牵引网故障定位系统由站端设备、通信系统和主站系统组成。站端设备包括故障指示器和通信终端，通信系统采用GPRS及无线调频通信方式，主站系统在南宁供电段生产调度中心安装，负责系统参数配置及电流监测、故障定位等，系统结构示意如图3所示[7-8]。

站端系统：根据南宁供电段的需求，在主站系统上配置故障指示器“四遥”功能，即遥信：发生故障后，故障指示器翻牌并将故障遥信信息发给主站；遥测：故障指示器将负荷电流等遥测数据发给主站；遥调：主站可以远程调整故障指示器的参数；遥控：主站可以远程控制故障指示器故障翻牌后复归；主站系统通过GPRS与站端设备通信，完成数据接入、故障定位及故障信息发布、数据转发等功能。

故障指示器：利用电流互感器的原理来测量线路电流和检测故障的装置，安装在25kV的牵引网系统上，通过感应实时的电流电压值，经过信号检测电路滤波、放大、采保，然后由低功耗单片机做A/D采样，最后计算出负荷电流、短路电流、首半波尖峰电流和接地动作电流值、稳态零序电流、暂态零序电流等。

由于牵引网是承力索和接触线经过吊弦和电连接并联向机车供电的复杂单相供电系统，承力索与接触线间分流情况没有成型的数学模型计算，无法给承力索上的故障指示器整定提供计算依据。同时牵引网的负荷变化大，机车启动、停车、过分相都会产生很大冲击电流。阻抗大，末端短路电流小，接近最大负荷电流。上述情况，会造成故障指示器故障整定电流设定困难，设定過大会造成故障指示器拒动，设定过小在机车启动、过分相时易发生误动作。因此，在故障指示器的短路判定依据里加入了电流突增后牵引网断电的判据。当线路出现短路故障时，牵引变电所保护动作跳闸。故障指示器在检测短路故障电流的同时，如果牵引变电所跳闸接触网断电，则本地翻牌显示。通过设计，故障指示器动作电流可以设定为略大于估算的承力索最大负荷电流，既提高了故障指示器的动作灵敏度，又可以有效避免接触网末端短路电流较小指示器拒动。因机车启动、停车、过分相时，冲击电流虽然很大，但因接触网不断电，所以故障指示器不会动作，防止了冲击电流造成的故障指示器误动作。当线路出现短路故障时，故障指示器可以检测到短路故障电流，如果符合特定的短路故障判据，则本地翻牌显示，其检测判据如图4所示。

通信系统：通信终端通过短距离无线调频通信方式，实时采集附近50米范围内安装的故障指示器的运行数据和故障信息以及通信终端本身的运行状态（太阳能电压、电池电压等），同时通过GPRS通信方式与主站系统通信，收发主站系统的监测数据，如图5所示。

3.3 实施效果

自2012年6月开始研究南昆线牵引网故障定位问题，2013年初逐步在百色、平林村变电所供电臂范围内安装故障指示器及通信终端，2013年6月在南宁供电段生产调度中心安装牵引网故障定位系统。通过安装、调试，实际运行，南昆线牵引网已投入运行50套故障指示器及通信终端运行稳定，实现了牵引网故障区段的准确定位。

（1） 牵引网故障自动定位。接触网正常运行时，故障指示器通信正常时显示为绿色。当接触网发生永久性或瞬时性短路故障，故障指示器发生翻盘动作的显示为变为红色，未发生翻拍动作的显示仍为绿色。如图6所示，百色牵引变电所212馈线有2个故障指示器发生翻盘动作变为红色，可判断接触网发生永久性或瞬时性短路故障发生在坡圩至保安21#、保安至六塘70#区段，并通过调度主站系统短信通知百色供电车间抢修人员，缩短故障查找时间，有效提高供电可靠性。

（2） 牵引网电流实时监测。接触网正常运行时，故障指示器采集承力索上的电流，根据接触线和承力索的电流与电阻成反比的关系，对照接触线和承力索材料的电阻率，由承力索上的电流计算出接触线上的电流。通过通信系统，故障指示器可以定时将采集到的电流等数据发到主站，实现接触网的运行监测功能，如图所示。通过检测到的接触网运行数据可以判断承力索、接触线的实时负荷电流是否超出容许的额定负荷电流，如果超出容许的额定负荷电流则需限车或接触网扩能改造；同时可以掌握接触网负荷电流的时间性、季节性、地域性变化规律，更好地安排接触网设备的检查重点和设备大修、专项整治，指导接触网维修。

4 结束语

自2013年6月至今，南昆线牵引网安装故障指示器的区段均能正确动作并报警，完成接触网监测及故障定位功能，完全达到设计目标，通过系统故障告警信息可快速、准确判断接触网故障区域，缩短故障查找时间，提高抢修速度，减少故障影响时间，取得了良好的效果。同时，该故障定位方案可结合现有变电所故障测距装置推广至牵引网其他安装位置，如：大型枢纽站场；上网点T接供电；牵引网带分支线路；站场装卸线、专用线等。当发生故障后，现有变电所故障测距装置提供的信息并不能直观给出具体位置，需要依据线路状况多地排查，造成大量人力物力资源的浪费，但通过安装配置的故障指示器故障指示的报警信息，从而精确判断实际故障位置，为快速抢修提供依据，减少牵引网故障对铁路运输的影响。

参考文献

[1] 吉鹏霄，张桂林，等.电气化铁路接触网[M].北京：化学工业出版社，2015（9）：30-32.

[2] 靖广标.牵引变电站馈出开关跳闸后的故障判断和查找[J].上海铁道科技，201l（3）：49-50.

[3] 林国松，李群湛，陈小川.电气化铁道供电牵引网故障测距综述[D].中国电气化铁路两万公里学术会议论文集，2005.

[4] 钱平慎.高速铁路接触网故障测距的分析[J].电气化铁道，2012，23（5）：25-27.

[5] 韦炳干，李世斌，包忠明，刘鹏.接触网监测及故障定位系统的设计与实现[J].电气化铁道，2014（4）：5-8.

[6] 梁艳明，郎兵，贾彦军.接触网数字化故障定位系统研究[J].电气化铁道，2009（5）：39-43.

[7] 许建安.电力系统通信技术[M].北京：中国水利水电出版，2007.

[8] 裴晓琼，张良，刘玉辉.浅析利用故障指示器识别接触网故障[J].电气化铁道，2013（2）：37-39.

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