专利名称：铁路自闭/贯通线路接地故障测距方法
技术领域：
铁路自闭/贯通线路接地故障测距方法，属于电力网小电流接地系统单相接地时，故障点的定位方法，尤其涉及铁路自闭/贯通线路单相接地时，故障点的定位方法。
背景技术：
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。
铁路信号电源线路一般为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/贯通线路作为铁路电力系统的重要组成部分，主要特点有通过调压器与主母线隔离、中性点采用不接地或经消弧线圈接地方式、出线少但线路长(一般条件下为40-60km，特殊情况下可达上百公里)、负荷容量小且呈线状分布。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供电。但在有些铁路线路则只有贯通一条线路。自闭线和贯通线均为双端电源，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1所示。
由于供电臂距离长、沿线地质气象条件复杂等原因，自闭/贯通线路极易发生单相接地故障(小电流接地故障)，且故障查找、维修比较困难。
自闭/贯通线路故障的准确定位，能够缩短故障修复时间，提高供电可靠性，减少停电损失，为铁路行车安全提供保证。对于占绝大多数能够重合成功的瞬时性故障来说，准确地测出故障点位置，可以及时发现事故隐患(如雷电过电压、线路绝缘子老化、线路下树枝摆动等)，采取有针对性的措施，避免事故再一次地发生。
根据统计，铁路自闭/贯通线路故障中80％是单相接地故障。特殊的供电方式和系统结构，沿线不均匀的挂接负荷设备，大地阻抗的不可确定性，使传统的基于阻抗测距原理的方法并不适用于自闭/贯通线路。国内部分水电段虽然装设了基于线路自动化系统的故障分段系统，可以自动定位短路故障和接地故障所在区段，但仍然不能给出故障点的具体位置。
随着人们对线路故障行波现象研究的深入和微电子技术的进步，利用行波原理测量故障距离近年来已在输电线路上获得成功应用。由于行波的传播速度接近光速，且不受故障点电阻、线路结构及互感器变换误差等因素的影响，因此有较高的测量精度。本发明就是将行波测距原理应用到铁路自闭/贯通线路，并解决了若干关键技术问题，最终提出一种简单实用的自闭/贯通线路故障定位方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是适用于不接地和经消弧线圈接地系统，不受不稳定电弧、不均匀负荷影响，能充分利用线路已有电压电流信号互感器而不需要额外增加其它设备，快速、准确确定接地故障的铁路自闭/贯通线路接地故障测距方法。
本发明所采取的技术方案是在自闭/贯通线路两端各安装行波检测仪、对时装置及必要的通讯系统。根据自闭/贯通线路固有的电压信号互感器配置，检测装置只接入线路上两个线电压信号。当发生单相接地故障后，检测装置记录线电压行波，即电压行波线模分量到达线路两端的绝对时间，利用通讯系统交换各自信息并计算故障点到检测点的距离，实现过程为(1)在线路两端安装在线检测装置，(2)利用小电流接地系统发生故障时产生的电压行波信号，(3)通过线路固有的电压信号互感器配置具备传变高频行波信号的特性，在线装置检测故障初始行波分别到达两端电压信号互感器时的绝对时间，(4)确定到达两端的时间差，再根据线路总长，行波的传输速度既可列方程计算出故障点的精确位置。
实现过程可为多种，具体实现过程为(1)在线路两端安装的在线检测装置为行波记录仪、GPS同步时钟、通讯、后台计算机，(2)发生小电流接地故障时，产生的电压行波信号由故障点向两端传播，当行波信号分别达到线路两端瞬间，行波记录仪被触发记录故障行波波形，同时锁存当前时钟，实现电压行波脉冲信号到达时刻的精确检测，
(3)利用电话线、互联网、专网或人工方式，线路两端装置交换行波到达时刻和故障波形等信息，(4)根据行波双端测距原理，利用故障行波到达两端时刻、波速度、线路长度等信息计算故障点到测量点距离DMF=12[v(TM-TN)+L]DNF=12[v(TN-TM)+L]]]>其中DMF、DNF分别为线路两端M点、N点到故障点F点的距离，TM与TN分别为故障行波到达线路两端M和N的绝对时间，L为线路总长度，v为行波的速度，(5)用故障电压行波线模分量测量小电流接地系统单相接地故障距离。
当发生故障时，通过线路固有的电压信号互感器提取故障产生的2个线电压行波信号测量ABC三相中任何一相接地故障。
与现有技术相比本发明所具有的有益效果是利用线路自动化系统实现小电流接地故障分段的方法，由于一般条件下不能获得线路零序电压信号，仅仅依靠零序电流信号检测可靠性较低。本发明只在线路两端安装设备，能够获得所需信号，检测可靠性相对较高。同时，相比于故障分段方法只能给出故障区段，本发明可以较为准确给出故障距离。且高频行波信号传播速度稳定，可精确地测量出故障距离。
而对于利用故障指示器确定故障区段的方法，其检测可靠性低于利用线路自动化的方法。
由于大地阻抗的不可确定性，行波的零序信号(零模信号)衰减和畸变较为严重，利用其测量故障距离误差较大，同时线路上不能获得零序电压信号需要额外增加零序电压信号传变设备(如零序电压互感器)。而线电压行波信号(电压行波线模分量)衰减和畸变相对较小，利用其测距误差较小。同时根据分析，利用两路线电压行波信号(如Vab、Vcb)可以测量ABC三相中任何一相接地故障，利用自闭/贯通线路已有的电压互感器配置就可获得所需的信号。因此，本方案可充分利用线路自有设备而不需要额外增加信号传变设备，即可节约费用又可降低工程复杂程度。同时具有适用于不接地和经消弧线圈接地系统，不受不稳定电弧、不均匀负荷影响，快速、准确确定接地故障定位方法等优点。
图1铁路自闭/贯通线路行车区间的供电方式示意图；图2铁路自闭/贯通线路电压电流信号互感器配置示意图；图3电压行波产生示意图；图4测距系统示意图；图5双端测距原理示意图。
具体实施例方式
如图1所示为行车区间的供电方式CB为断路器， 分位； 合位，每个配电室M、N一般由双电源供电，一个供电区间内每一条线路自闭、贯通由双端电源M、N配电室供电，互为备用。每台控制箱(电气集中设备)由自闭、贯通两路供电，互为备用；然后由控制箱为行车信号正常运行提供电源。
图2为自闭/贯通线路电压电流信号互感器配置。自闭/贯通母线上配备有3相PT(称为母线PT)，用以测量母线3相对地电压(同时可提供零序电压)。任何一端电源的断路器外侧均装有PT，称为线路PT，用来测量线路上电压，一般测量AB间及CB间线电压。在本方法中只使用线路PT即可。
图3为接地故障电压行波示意图。为发生单相如A相接地短路时，AB线电压的变化情况。由图可以看到在发生故障后会有明显的线电压行波的产生。
图4为双端测距装置的安装示意图。在线路两端安装专用监测装置、对时装置，并配合通讯系统实现故障测距。其中，监测装置可以有多种形式能够记录故障行波波形的复合型装置、仅仅记录故障行波触发时刻的简便型装置。由于本发明对两端设备的时间精度要求较高uS级，一般需采用GPS全球卫星定位系统对时技术。通讯方式可以是电话拨号、互联网、专网，以及人工方式中的一种即可。
采用不同装置时，系统的复杂程度、成本各不同，检测的可靠性、便利性及测距的准确性也各不相同，但其工作原理和工作程序均相同。如图4所示以下给出一个具体示例(1)在行车区间两端配电室均安装一套测距系统。测距系统包括行波检测及记录仪、GPS对时装置、后台分析及数据存贮装置、Modem及公用电话线路，其中，行波检测及记录装置同时检测同一配电室内两个方向的自闭/贯通线路，每条线路均接入断路器外线路PT信号(Vab、Vcb)。
(2)正常运行时，测距系统始终监视自闭/贯通线路电压变化情况，GPS装置给整个系统提供准确对时，精度为uS或nS级。
(3)如图5所示，当故障点F发生接地故障时，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，虚拟电源会产生向故障相线路两端运动的电压、电流行波。实际线路三相之间存在着电磁耦合。在发生不对称故障，如短路故障及单相接地故障时，会产生在线路的相与相之间运动的线模分量以及在线路的相与大地之间运动的地模分量。
(4)电压行波到达自闭/贯通线路两端时，行波检测及记录装置感受到线电压行波信号，检测触发器翻转，同时锁存当前时钟，实现暂态行波脉冲信号出现时刻的精确检测。同时，装置记录并永久保存故障前后一定时间内的电压行波信号。
(5)两端测距系统利用电话拨号网络，交换记录到的故障初始行波到达时间以及故障波形。
(6)根据双端行波测距原理，利用下列公式计算故障点到线路两端距离的计算方法DMF=12[v(TM-TN)+L]DNF=12[v(TN-TM)+L]]]>其中TM与TN分别为故障行波到达线路两端M和N的绝对时间；L为线路总长度；v为行波速度。
(7)测距系统可以永久保留故障行波数据及相应的测试结果，以供事后查询和分析。同时，利用电话网络可以实现远程诊断和远程分析。
在发生其它类型的故障，如两相短路、三相短路、两相接地短路、三相接地短路时，同样会有线电压行波的产生，可以利用同样的方法准确地计算出故障点的位置。
权利要求
1.铁路自闭/贯通线路接地故障测距方法，利用线路固有电压电流互感器配置实现，其特征在于(1)在线路两端安装在线检测装置，(2)利用小电流接地系统发生故障时产生的电压行波信号，(3)通过线路固有的电压信号互感器配置具备传变高频行波信号的特性，在线装置检测故障初始行波分别到达两端电压信号互感器时的绝对时间，(4)确定到达两端的时间差，再根据线路总长，行波的传输速度既可列方程计算出故障点的精确位置。
2.根据权利要求1所述的铁路自闭/贯通线路接地故障测距方法，其特征在于(1)在线路两端安装的在线检测装置为行波记录仪、GPS同步时钟、通讯、后台计算机，(2)发生小电流接地故障时，产生的电压行波信号由故障点向两端传播，当行波信号分别达到线路两端瞬间，行波记录仪被触发记录故障行波波形，同时锁存当前时钟，实现电压行波脉冲信号到达时刻的精确检测，(3)利用通讯线，线路两端装置交换行波到达时刻和故障波形等信息，(4)根据行波双端测距原理，利用故障行波到达两端时刻、波速度、线路长度等信息计算故障点到测量点距离DMF=12[v(TM-TN)+L]DNF=12[v(TN-TM)+L]]]>其中DMF、DNF分别为线路两端M点、N点到故障点F点的距离，TM与TN分别为故障行波到达线路两端M和N的绝对时间，L为线路总长度，v为行波的速度，(5)用故障电压行波线模分量测量小电流接地系统单相接地故障距离。
3.根据权利要求2所述铁路自闭/贯通线路接地故障测距方法，其特征在于通讯方式为电话线、互联网、专网或人工方式中的一种。
4.根据权利要求1或2所述铁路自闭/贯通线路接地故障测距方法，其特征在于当发生故障时，通过线路固有的电压信号互感器提取故障产生的2个线电压行波信号测量ABC三相中任何一相接地故障。
全文摘要
铁路自闭/贯通线路接地故障测距方法，属于电力网小电流接地系统单相接地时故障点的定位方法，在线路两端安装在线检测装置，利用小电流接地系统发生故障时产生的电压行波信号，通过线路固有的电压信号互感器配置具备传变高频行波信号的特性，在线装置检测故障初始行波分别到达两端电压信号互感器时的绝对时间，确定到达两端的时间差，再根据线路总长，行波的传输速度既可列方程计算出故障点的精确位置，具有不受不稳定电弧、不均匀负荷影响，快速、准确确定接地故障等优点。
文档编号B60M1/00GK1689859SQ20041002396
公开日2005年11月2日 申请日期2004年4月27日 优先权日2004年4月27日
发明者徐丙垠, 薛永端, 李京, 陈平, 陈羽, 刘洪军, 熊立新 申请人:淄博科汇电气有限公司