铁路自闭贯通线路行波故障测距技术 精品.docx
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铁路自闭贯通线路行波故障测距技术精品
铁路自闭/贯通线路
行波故障测距技术
前言
本文简要介绍了铁路自闭/贯通线路的结构特点、故障特征以及传统的故障检测方法。
分析了电力线路故障行波的产生和传输特征，介绍了基于行波理论的4种测距方法及其在输电线路的应用。
针对自闭/贯通线路结构的特殊性，提出了应用行波测距的基本模式：
利用两相线路之间的故障电压行波信号、基于双端原理测量故障距离，对实用中面临的关键技术进行了详细分析。
最后介绍了科汇电气公司生产的TXC－2000型行波测距系统，给出了现场人工试验和试运行结果。
本文是科汇电气有限公司内部培训教材，也可供其他从事铁路自闭/贯通线路运行的技术人员和管理人员参考使用。
参加本文编写的有科汇电气有限公司薛永端博士、徐丙垠博士、李京、陈羽、陈平博士，山东大学季涛博士、刘洪军等。
济南铁路局机务处张忠权高工对全文进行了审阅。
本文书写过程中，还得到科汇电气有限公司颜廷纯、田江涛、韩建军、李胜祥、熊立新等同仁的帮助，在此一并表示感谢。
鉴于编写者水平所限，准备的比较仓促，文中难免有错误或不足之处，欢迎读者提出宝贵的意见、建议并予谅解。
本文版权归科汇电气有限公司所有，未经同意，请勿自行复制。
编者
2005年3月
目录
第1章概述1
1.1自闭/贯通线路故障测距的作用及意义1
1.2对故障测距装置的基本要求2
第2章自闭/贯通线路故障特征及传统测距方法3
2.1自闭/贯通线路结构特点3
2.2自闭/贯通线路故障特征4
2.3传统故障测距及定位方法5
2.4传统故障定位或测距方法性能评价6
第3章行波测距基本原理7
3.1行波的基本概念7
3.2行波故障测距原理8
3.3行波测距在输电线路的成功应用10
第4章自闭/贯通线路行波测距模式12
4.1利用双端法测距12
4.2利用电压行波作为测量信号13
4.3选择线模分量实现测距14
4.4自闭/贯通线路行波测距模式17
第5章关键技术问题及解决18
5.1行波信号的获取及信号利用方式18
5.2超高速数据采集19
5.3时间同步及故障行波脉冲到达时间检测19
5.4混合线路对检测可靠性的影响分析20
5.5过渡电阻、故障初相角对检测可靠性的影响分析21
5.6通信问题的解决22
第6章行波测距装置及系统23
6.1系统构成23
6.2系统工作原理24
6.3行波分析功能描述25
6.4主要技术特点26
第7章现场试验及实际运行结果28
7.1试验线路示意图28
7.2人工试验及结果28
第8章结束语33
第1章概述
铁路电力系统工作于电网末端，属于供配电环节，但由于涉及到行车安全等因素对供电可靠性要求极高。
同时，其线路结构、运行方式与地方电网相比有较大差别。
因此，在包括故障测距在内的铁路电力系统自动化过程中除了要借鉴地方电网已有的成熟经验外，还需要探索一些专用方法。
1.1自闭/贯通线路故障测距的作用及意义
自闭/贯通线路是铁路电力系统的重要组成部分，肩负着为铁路信号设备可靠供电的艰巨任务。
在密如蛛网的铁道线上，高速飞驰的客货列车都是由信号设备指挥的，信号设备的正常运转是确保列车正常准点、安全运行的重要保证，随着铁路信号技术的发展和应用，铁路信号已成为提高运输效率，实现运输管理自动化和列车运行自动控制以及改善铁路员工的劳动条件的重要技术手段。
因此对自闭/贯通线路的可靠供电就显得尤为重要。
自闭/贯通线路沿铁路线狭长分布，沿线地质和气象条件复杂。
线路长期暴露在自然中，经受着风、雨、雷、电、污、雾的侵害，是铁路供电系统的最薄弱环节，也是故障发生最频繁的地方。
同时铁路线路难免要穿越山区、沙漠等偏僻地带，且故障往往发生在狂风、暴雨等恶劣天气中，这给故障的查找、维修带来极大的不便。
由此可见，对于供电可靠性要求非常高的铁路自闭/贯通线路，在线路极易发生故障，且故障的查找、维修十分不便的情况下，对故障点的及时、准确定位就显得尤为重要。
其重要性可表现为以下几个方面：
（1）准确的测量出故障点，可以节省人工寻找故障点位置所消耗的大量人力、物力、财力。
（2）可以缩短故障修复时间，提高供电的可靠性，减少停电损失。
为铁路安全运行提供了保证。
（3）分析故障发生的原因，并采取适当的预防措施。
对于占绝大多数的瞬时性故障，可以区分是雷电过电压造成的故障还是线路绝缘子老化造成的故障以及其他原因造成的故障，并采取有效措施，清除存在的隐患，避免事故的再一次发生，可以大大节省检修时间和费用。
1.2对故障测距装置的基本要求
根据故障测距的目的和作用，测距装置应该在可靠性、准确性、经济性、方便性等方面满足一定的要求。
（1）可靠性
可靠性包含两方面的内容：
其一为不拒动，是指装置在故障发生后能可靠的测量出故障点的位置，不应由于任何原因而拒动；其二为不误动，是指装置在受到各种干扰时不能错误地发出测距的指示或信号。
（2）准确性
准确性是对故障测距装置最重要的要求，没有足够的准确性就意味着装置失效。
准确性一般用测距误差来衡量，包括绝对误差和相对误差，绝对误差以长度表示，相对误差用相对于线路全长的百分比来表示。
由于技术和经济等因素的限制，测距误差不可能做到太小。
故障测距只要能够定位到绝对误差不超过300m就非常理想。
从实用的角度来看，只要绝对测距误差不超过1km就可以较好地满足现场要求。
故障测距的准确性与可靠性是有关联的，可靠性是准确性的前提条件，离开可靠性来谈论准确性是没有意义的。
另一方面，如果测距误差太大，比如超过线路全长的20%，则可以说测距结果是不可靠的。
（3）经济性
测距装置应具有较高的性能价格比，且其运行维护费用要低。
（4）方便性
测距装置应便于调试和使用，故障后能自动给出测距结果。
第2章自闭/贯通线路故障特征及传统测距方法
铁路自闭/贯通线路由单独母线供电，中性点一般为不接地系统。
对于频繁发生的单相接地故障（俗称小电流接地故障），故障电流较小，易于故障电弧熄灭形成瞬时性故障，且系统可带故障运行，保证了供电的可靠性。
但同时受各种条件限制，传统的故障定位方法效果均不理想。
2.1自闭/贯通线路结构特点
铁路电力系统（自闭/贯通线路）是地方电力系统的延伸，具有电力系统的一般特点，但又有其特殊性。
铁路自动闭塞行车制度是通过信号机将站间区间分为若干闭塞区间，每个闭塞区间同时只允许有一列车通行以保障行车安全。
采用自动闭塞后，可以大大缩短列车运行的时间间隔，提高行车速度和通行密度。
由于涉及到行车安全，对信号电源供电的可靠性要求非常高。
信号电源的高压线路一般为中性点不接地的10kV系统，主要包括自闭（自动闭塞）和贯通（电力贯通）两种线路。
自闭/贯通线路长度一般条件下为40-60km，特殊情况下（没有合适电源或者跨所供电）可达上百公里。
自闭线专为铁路沿线信号设备提供电源，当其发生故障时由贯通线备投。
贯通线还兼为沿线小型车站的工作和生活供电。
自闭线和贯通线自身又均为双端电源，正常工作时为单电源供电，当线路失压时由对端电源备投。
自闭/贯通线路结构如图21所示。
图21铁路自闭/贯通线路结构示意图
由于信号设备负荷较小，自闭/贯通线路对地分布电容电流所占比重较大，尤其是在电缆较长的情况下甚至超过负荷电流。
有些地方为了消除分布电容引起的线路过电压，在线路中加有三相对地电抗负荷以平衡电容电流。
自闭/贯通线路由自闭/贯通母线单独供电，其经过了调压变压器与常规母线隔离。
通常，自闭/贯通母线只为一侧自闭/贯通线路供电。
只在特殊情况下，才可能为两侧自闭/贯通线路同时供电，而此时可将两侧的自闭/贯通线路在逻辑上看作一条线路。
即任何时刻，自闭/贯通线路均可认为是单出线、长距离系统。
线路两端的配（变）电所电源取自地方电力系统，进线电压等级一般为110kV、35kV、10kV，其中10kV应用最为广泛，为双电源供电互为备用。
2.2自闭/贯通线路故障特征
自闭/贯通线路发生短路或小电流接地故障时，产生的工频故障电压电流特征与地方配电网基本相同。
2.2.1短路故障
两相或三相短路故障时，短路相电压显著降低，同时产生较大的短路电流。
由于调压变压器的隔离作用，同等条件下短路电流将比地方电网的要小。
且短路点到配（变）电所的距离越长，短路电流越小。
其中，出口故障时短路电流约在300A左右，而线路末端故障时短路电流约在50A左右甚至更低。
由于故障电流较大，需要及时切除故障线路以免损坏其它电力设备。
2.2.2小电流接地故障特征
对于中性点不接地系统，发生单相接地（金属性）故障时，故障相对地电压降低为零，两个健全相对地电压升高
倍（等于各自对故障相间的线电压），同时三相电压的相位也发生变化，使三相之间的线电压仍然保持不变。
同时，系统出现零序电压，零序电压等于故障前故障相电压的反相电压。
伴随零序电压，系统将出现零序电流，其幅值等于故障点故障电流的三分之一，而故障电流等于自闭/贯通线路对地分布电容电流。
对于架空线路构成的自闭/贯通线路，接地故障电流一般在5A以内。
随着线路中电缆的增加，接地电流也有所增加。
当接地点存在一定过渡电阻时，故障相电压不再为零，其幅值随过渡电阻增加而增加。
相应的，健全相电压的变化量以及系统零序电压、零序电流则随之减小。
但三相线路之间电压关系、零序电压与零序电流间的关系仍保持不变。
由于接地故障后三相线路之间仍然保持电压平衡，且故障电流微弱，系统可带故障继续运行1～2小时，增加了供电的可靠性，也为故障查找、维修提供了宝贵的时间。
发生单相接地故障时，由于调压器的隔离作用，其两侧互不影响，使故障范围仅局限于本线路内而不会扩大。
2.3传统故障测距及定位方法
由于线路结构不同，自闭/贯通线路的故障处理要求也有所不同。
如发生单相接地故障时，不同于地方电网传统要求的选择故障线路，而要求能够实现故障快速定位、隔离，并恢复健全区段的供电。
对于自闭/贯通线路故障定位或测距问题，曾有专家尝试过阻抗原理测距技术，近年随着线路自动化的推广出现了利用FTU进行故障定位的方法。
2.3.1阻抗测距法
对于单端电源供电的线路来说，由故障时母线处测量的电压
、电流
计算得到的等效电抗XL或者等效电阻RL与母线到故障点线路长度L成正比。
用XL或RL除以单位长度上电抗值X0或电阻值L0，即可得到故障距离，其关系可以表示为：
（2-1）
2.3.2基于FTU的故障分段定位法
线路自动化中，自闭/贯通线路沿线装设有FTU监视线路的工作状况。
故障时，FTU将检测到的故障信息送至主站系统，主站根据相应的算法就可以实现故障的分段定位。
在图22所示线路中，当F点发生短路故障时，故障点上游的FTU1和FTU2可检测到过流故障信息，而故障点下游的FTU3和FTUn检测不到过流信息，从而将故障定位在FTU2和FTU3之间。
而当F点发生小电流接地故障时，靠近故障点的FTU1、FTU3检测的零序电流幅值大于离故障点较远的其它FTU。
同时故障点上游的FTU1、FTU2与其下游的FTU3、FTUn检测的零序功率相反。
根据这些特征均可确定故障位置。
图22基于FTUs的故障分段定位示意图
2.4传统故障定位或测距方法性能评价
阻抗测距原理简单，同时可以作为电力系统中广泛使用的微机保护及滤波装置附加功能，具有投资少的优点。
但由于其受故障点过渡电阻、线路分布电容、线路负荷、电源参数以及TA、TV测量精度的影响较大，测距误差大、适应能力差。
特别对于小电流接地故障，由于故障电流微弱，测距精度根本无法保证。
利用FTU实现故障定位的方法在现场已有相当多的应用，对于短路故障其检测可靠性非常理想。
但受现场获取信号手段的限制（不能获得零序电压信号），对于小电流接地故障其检测效果不够理想。
同时，该方法只能给出故障区段，而不能给出准确的故障距离。
第3章行波测距基本原理
3.1行波的基本概念
根据叠加原理，在故障瞬间，相当于在故障点突然附加一个与故障前电压大小相等、方向相反的虚拟电源，虚拟电源会产生向线路两端运动的电压、电流行波，如图31所示，行波传播的速度接近电磁波的速度，其具体速度取决于线路分布参数。
图31故障初始行波传播示意图
电力线路上的行波现象可以用建立在分布参数线路模型基础上的电报方程来描述。
以单相线路为例，通过求解电报方程所得到沿线各点的电压和电流均包含正向和反向两部分行波分量，其频域形式可以表示为：
（3-1）
式中：
和
分别表示向
正方向传播的电压和电流行波，
和
分别表示向
反方向传播的电压和电流行波。
可见，从频域来看，三相线路上某一点的电压和电流均为经过该点的正向和反向行波分量相互叠加的结果。
电压行波分量和电流行波分量之间存在以下约束关系：
（3-2）
式中：
为波阻抗，且
，
和
分别为单位长度线路的阻抗导纳。
根据式
（1）和
（2）可以求出线路上任一点在频域的正向和反向电压行波分量，并且可以表示为：
（3-3）
式（3）和（4）表明，线路上某一点在频域的正向和反向行波分量可以用该点的电压、电流和波阻抗来表示，而且任一方向的电压、电流行波分量和波阻抗之间存在欧姆定律的关系。
当分析线路上的行波现象时，一般规定行波传播的正方向与线路电流的正方向（通常为母线到线路方向）相同。
因而从线路任一端来看，来自正方向的行波（如故障点反射波）即为反向行波，而来自线路背后其它线路的行波通过母线向本线路的折射波以及来自本线路正方向的行波在母线的反射波都是正向行波。
故障产生的暂态行波分量实际上就是包含在暂态故障分量中的正向和反向行波分量，因而可以利用电压、电流暂态故障分量和波阻抗计算出来。
故障暂态行波分量反映了线路故障的暂态行为特性，这些特性是实现行波保护及故障测距的基础。
3.2行波故障测距原理
3.2.1单端法行波故障测距原理
单端法行波故障测距原理是利用线路故障时在测量端感受到的第1个正向行波浪涌与其在故障点反射波之间的时延计算测量点到故障点之间的距离。
考虑某一单相系统，如图32（a）所示，假定M端为测量端。
当线路MN内部F点发生故障时，由故障点电压突变而产生的暂态行波将以速度
（接近光速，具体取决于线路分布参数）从故障点向线路两端传播。
图32单端法行波故障测距原理示意图
设行波从母线到故障点的传播方向为正方向，则故障初始行波浪涌到达测量端时形成本端第1个反向行波浪涌。
该行波浪涌在母线的反射波形成本端第1个正向行波浪涌，它将向着故障点方向传播。
正向行波浪涌在故障点的反射波返回测量端时表现为反向行波浪涌。
假定不考虑对端母线反射波的影响，线路故障时在测量端感受到的第1个正向电压或电流行波浪涌与其在故障点反射波之间的时延△t如图32（b）所示。
它显然等于故障暂态行波在测量点与故障点之间往返一次的传播时间，因而测量点到故障点之间的距离可以表示为：
（3-4）
式中：
为波速度。
为了实现单端行波故障测距，在测量端必须能够准确、可靠地检测到故障引起的第1个正向行波浪涌在故障点的反射波。
3.2.2双端法行波故障测距原理
双端法行波故障测距是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计算故障点到两端测量点之间的距离。
图33双端法行波故障测距原理示意图
图33中，设故障初始行波浪涌以相同的传播速度
到达M端和N端母线（形成各端第1个反向行波浪涌）的绝对时间分别为
和
，则存在以下关系：
（3-5）
式中：
和
分别为M端和N端母线到故障点的距离；
为线路MN的长度。
通过求解上述方程组可以获得M端和N端母线到故障点的距离，并且可以表示为：
（3-6）
为了准确标定故障初始行波浪涌到达两端母线的时刻，线路两端必须配备高精度和高稳定度的实时时钟，而且两端时钟必须保持精确同步。
另外，实时对线路两端的电气量进行同步高速采集，并且对故障暂态波形进行存储和处理也是十分必要的。
早期的双端法行波故障测距装置采用载波方式实现线路两端测距装置的时间同步，因而难以获得较高的测距精度。
现代双端法行波故障测距原理采用内置全球定位系统（GPS）接收模块的电力系统同步时钟实现精确秒同步，这使得线路两端的时间同步误差平均不超过1μs，产生的绝对测距误差不超过150米。
3.2.3两种行波测距方法的比较
单端行波故障测距原理具有很高的准确性，但可靠性难以保证；双端行波故障测距原理具有很高的可靠性，但准确性稍差。
从现阶段来看，双端行波故障测距原理能够单独使用，是一种主要的测距原理。
单端行波故障测距原理暂时还不宜单独使用，但可以作为一种辅助的测距原理。
在安装了双端行波测距装置后，装置的单端测距功能并不多余，而且仍然有很大的使用价值，因为对于线路结构简单的线路来说，通过分析单端装置记录下的故障暂态波形可以对双端行波测距结果进行验证和校正。
3.3行波测距在输电线路的成功应用
20世纪80年代末，淄博科汇电气有限公司和西安交通大学、清华大学以及英国HATHAWAY仪器公司开始了输电线路现代行波测距及保护技术的研究工作。
1995年，科汇电气有限公司与其合作伙伴研制出我国第1台集多种测距原理于一体的输电线路现代行波测距装置—XC-11，并且在世界上首次将小波变换技术用于行波故障测距，目前其平均绝对误差已经能够达到400m以内。
表3-1为在输电线路上典型的实际故障及行波测距系统的测距结果。
表3-1典型的实际故障及行波测距系统的测距结果
序号
故障时间
故障线路
分析距离/km
实际距离/km
绝对误差/m
1
1997-07-05/16:
23:
45
临邑变110kV黄一临线
23.72
23
720
2
1997-12-14/02:
17:
49
陇西变220kV陇马线
75.8
75.5
300
3
1998-04-28/20:
35:
48
九里变220kV龚九一线
6.5
6.585
85
4
1998-07-04/21:
28:
54
董家变500kV元董一线
177.6
177
600
5
1999-06-25/10:
12:
50
赵庄变110kV赵石线
1.42
1
420
6
1999-07-11/14:
36:
53
洛埠变110kV杨埠线
6.7
6.5
200
7
1999-07-25/13:
36:
33
临邑变220kV济临线
15.59
15.2
390
8
2000-04-27/17:
30:
08
500kV双玉二回
（双河变－玉贤变）
-0.2
（距双河）
双河侧出口CT爆炸
200
9
2000-06-23/17:
36:
17
110kV埠屯线
（洛埠变－浮石变）
6.3
6.2
100
10
2000-09-17/17:
49:
28
碧口电厂220kV成碧线
47.2
47.4
200
11
2001-06-12/18:
06:
10
陇西变330kV陇雍线
75.7
76
300
12
2001-07-04/14:
57:
38
陇西变330kV陇炳一线
108.2
108
200
第4章自闭/贯通线路行波测距模式
根据行波测距的基本原理，具有利用电压行波或电流行波，行波信号的线模分量或零模分量，基于单端或双端等多种测距模式。
对于自闭/贯通线路，需要结合其线路结构、电压电流行波的传输特征、行波信号的获取方式、测距的可靠性等诸多因素确定其具体测距模式。
4.1利用双端法测距
利用单端法测距需要识别故障点反射波与其它阻抗不匹配点的反射波，较为困难。
即使在结构较为简单、电气参数较为单一的输电线路，单端法也未获得成功应用。
对于自闭/贯通线路，一般为架空电缆混合线路，结构复杂，同时受沿线变压器负荷及复杂环境的影响，行波在各个一次设备、各段线路连接处的反射、折射复杂。
故障点反射波波头幅值有明显的衰减和畸变，且与阻抗不匹配点的反射波形相混淆，其识别变得非常复杂和困难。
因此，自闭/贯通线路中无法采用单端方法测距。
图41中所记录的某10kV贯通线路单相接地试验波形，很好的证明了这一点。
图41单相接地试验记录的单端波形
而利用双端法可以最大限度降低上述因素的影响。
双端法行波测距只检测故障产生的初始行波波头到达时间，不需要考虑后续的反射与折射行波，原理简单，测距结果可靠。
实现双端测距需要在线路两端装设数据采集装置及时间同步装置（GPS时钟）。
且两端要进行通信，以交换各自记录到的故障初始行波到达的时间信息，利用公式（3-6）计算故障距离。
如不具备自动通信条件，可借用电话联系，人工交换记录到的故障初始行波到达的时间。
4.2利用电压行波作为测量信号
4.2.1线路末端电压电流行波特征
对于线路末端，所有来自线路方向的电压（电流）行波分量及其反射波叠加在一起，形成了本端的电压（电流）行波信号。
自闭/贯通线路虽然为双电源结构，但正常工作时只由单端电源供电，且末端（备供侧）不带负荷或带有较小负荷，等效为开路状态。
根据行波理论，在开路状态的线路末端，电流行波的反射系数为－1。
即反射行波与入射行波的幅值相等、极性相反，二者完全抵消，如图42（a）所示。
因此，自闭/贯通线路末端电流始终为零，不可能检测到电流行波信号。
对于电压行波，情况正好相反。
在开路状态的线路末端，电压行波的反射系数为+1。
即反射行波与入射行波的幅值相等、极性相同，电压加倍，如图42（b）所示。
因此，自闭/贯通线路末端可检测到双倍的电压行波信号。
（a）电流行波（b）电压行波
图42线路末端的电压电流行波特征
4.2.2自闭/贯通母线电压电流行波特征
对于自闭/贯通母线（主供侧），调压器、TA、TV等呈感性的设备对高频行波的影响可以忽略。
当自闭/贯通母线仅为一侧线路供电（单出线）时，线路在此相当于开路状态，电压电流行波特征与备供侧的线路末端相同。
即，母线处可检测到双倍的电压行波，而不能检测到电流行波。
当自闭/贯通母线为两侧线路同时供电（双出线）时，电压电流行波在此既无反射也无折射，其幅值和极性均不变化。
即母线处可检测到电压行波，也可检测到电流行波。
综上所述，在自闭/贯通线路末端（备供电源侧）和首端（主供电源侧）均应选用电压行波信号进行测距。
4.3选择线模分量实现测距
实际线路三相之间存在着电磁耦合，直接分析行波较为困难。
需采用相模变换将相域系统变换为没有耦合的模域系统。
相模变换形式并不唯一。
本系统中使用卡伦鲍厄（Karrenbauer）变换，其形式为：
（4-1）
其中：
XA、XB、XC为A相、B相、C相电压或电流。
X0、X1、X2为电压或电流的0模、1模、2模分量。
由于1模、2模的含义与参数完全相同，统称其为线模。
对于单相接地故障，根据单相（设为A相）接地故障时故障点的故障分量边界条件：
（4-2）
其中：
IA、IB、IC、UA分别为故障点A、B、C三相相电流和A相电压故障分量；UF、IF分别为故障电压（虚拟电源）、故障电流。
可以得到：
（4-3）
其中：
U1、U2、U0、I1、I2、I0分别为故障电压电流的1模、2模、0模分量。
考虑故障点过渡电阻
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