地铁直流牵引供电系统故障测距研究.docx

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1、地铁直流牵引供电系统故障测距研究摘要：地铁直流牵引供电系统由直流牵引变电所、接触网和电力机车三部分组成，牵引变电所经接触网向电力机车输送电能，一旦接触网发生故障将影响电力机车正常运营。对于常见的瞬时短路故障，继电保护装置能通过自动重合闸快速恢复正常供电。但是当接触网线路出现严重不可自动恢复的永久性故障时，若能够通过故障测距迅速准确的定位故障点，就能有效提高抢险效率，大大缩短停电抢险时间，降低停运带来的运营损失。关键词：牵引供电;故障测距;暂态法作为柒决城市交通拥挤的一种重要手段，地铁具有效率高、能耗低、集约化等优点，已经从起步阶段全面建设阶段，越来越多的城市选择发展地铁作为解决城市拥堵的手段。

2、接触网作为地铁牵引供电系统的重要组成部分，无备用回路，由于地铁接触网所处的环境和电力机车受电弓的摩擦以及机械冲击等原因，接触网成为了牵引供电系统中易发生故障的薄弱环节。广州地铁、上海地铁等国内同行业发生的多起接触网严重故障，都导致了长时间的运营中断，造成了极其恶劣的社会影响。直流牵引供电系统故障测距主要是解决接触网发生短路后，可以对其短路地点进行快速的排除，以降低运营损失，提高供电的可靠性。目前地铁接触网直流故障测距的原理分析是地铁牵引供电系统研究热点，相关的概念仅停留在理论研究之上，国内外尚无实际的接触网故障测距装置投入使用。通过人工巡线的方式来检修排除故障，效率低并且耗费大量人力物力。本文

3、提出一种适合于地铁直流牵引供电系统的故障定位算法，并在深圳地铁5号线进行现场模拟测试，该故障测距方法快速、准确获取故障位置进而排除故障，保证供电系统安全可靠运行。2直流牵引供电系统模型直流牵引地铁供电系统是保障地铁运营的动力能源，是地铁安全运营的重要设施。直流牵引地铁供电系统是地铁供电系统重要的一部分，一般由两路不同的高压电源经主变压器由ACllOkV降压至AC35kV向牵引混合变电所供电。在牵引变电所内通过整流变压器降压至AC1180V,经整流器转换DC1500V通过直流进线开关供给直流母排，再从母排通过馈线开关和上网刀闸给接触网供电。地铁列车通过受电弓取电，电流经牵引电动机流出后通过走行轨

4、进行回流到负母线，再经负极柜回流到整流器的负极，完成回流。3故障测距原理3.1 故障定位的研究现状电力系统中常用的两种测距方法为行波法和阻抗法。行波法是根据行波传输理论实现输电线路故障定位的有效方法。当线路发生故障时，故障点向两端发出接近光速传输的电压和电流行波，在传播过程中在遇到阻抗不连续的地方发生折射和反射，利用检测到的行波时间差和速度差来实现故障测距。行波法虽优点众多，但对地铁直流供电系统而言，其电压等级低、供电距离短。行波在波阻抗不连续处会发生反射和折射，从而给单端行波测距方法后续行波的识别带来难点。而地铁牵引供电系统中，接触网结构复杂，线岔、锚段关节、分段绝缘器等波阻抗不连续处很多，

5、不利于单端行波测距方法在地铁牵引供电系统中的应用。此外,地铁高峰运行时，行车密度大，一个供电区间上可能存在多辆列车取流，机车断路器合间分闸操作也将在牵引网中产生行波信号。众多干扰信号，不利于行波故障测距装置的正常运行。阻抗法分为单端测量阻抗法和双端测量阻抗法。单端测量法原理简单，易于实现，装置成本低，但由于地铁供电距离较短，使得过渡电阻微小的影响就会导致较大的测量误差，因此单端测量法不适合用于地铁牵引供电系统的故障测距。双端测量法是利用两端的电压和电流幅值来推算故障点，测距原理相对简单，测距结果受线路参数、系统运行方式等因素的影响，测距精度较低。3.2 基于最小二乘法求解的双端故障定位算法根据

6、地铁直流牵引供电系统的原理图建立故障暂态分析模型。如图1所示，根据戴维南定理，将牵引变电所等效成理想电压源US（含内阻Req和内感1.eq）与等效电阻Rc、电感串联1.C组成。其中，理想电压源US代表24脉波整流电路输出的空载电压，而等效电阻Rc、电感1.C视为接触网的恒定电阻和电感,等效电阻Rr、电感1.r视为钢轨的恒定电阻和电感。图1直流牵引供电系统等效电路图地铁接触网发生故除后等效暂态模型如图2所示，d为短路点距左牵引所的距离,RF为过渡电阻，两侧牵引变电所母线电压为?ul、?u2,馈线电流分量分别为?il、?i2、?i3、?i4,其中?il=?i4,iF短路瞬间的短路电流，UFO为短路

7、瞬间接触网对钢轨的电压。根据基尔霍夫电流和电压定律，得到：式（1）中仅含有故障点位置d为未知量，电压、电流采样值已知，理论上将短路过程中任一时刻数据代入即可求得故障点的位置，为减小接触网参数对测距结果的影响，将4个数据点代入式（1）,得到矩阵方程，求解该矩阵方程，得到向量b=blb2b3b4T,故障测距结果则可以求出。由于每一时刻的采样点均能得到一个定位的结果，故利用最小二乘法求出故障距离的精确解。图2牵引供电系统故障暂态模型4深圳地铁现场模拟试验为了验证上述算法的可靠性外，以及现场测试过程中加电源方案的可行性、测距精度、可靠性和完备性，分别在深圳地铁5号线塘朗站和长岭陂站断路器下口处、距塘朗

8、站上网点0m、100m200m、.、160Om处设置短路点，并分别在塘朗站、长岭陂站、同时在塘朗和长岭陂站施加恒定电流30Als,如图3图5所示，测试发现测距功能融合到深圳地铁5号线SEPCOS-Ng直流馈线保护装置中是基本可行的。直流牵引供电系统故障测距可基于既有线路测试功能实现故障测距。图3左端加量测试示意图图4右端加量测试示意图图5两端加量测试示意图深圳地铁5号线塘朗长岭陂线路长1.4km,接触网单位电阻：002195Qkm,回流轨单位电阻（单根电缆单位电阻）为0.02911Qkm,塘朗站上网电缆电阻：0.28km*0.0096km,长岭陂站上网电缆电阻：0.22km*0.0096km;

9、现场测试线路图如图6所不。图6现场测试线路图利用测试全部数据，经数据分析技术得到左端电阻的变化趋势，如图7所示:图7左端电阻变化趋势及拟合直线从图中可见，左端电阻基本呈线性。拟合直线方程为：r=0.00023935*1.l+0.25954846,因而可根据左端电阻r求出短路距离1.lo现场模拟测距结果表明：地铁双边供电时短路试验测距是可以得到较为精准的故障位置,且利用最小二乘法的双端故障定位算法较为准确，测距结果故障测距结果及其误差如图8、图9所示。从图中可见，测距误差不超过100米，能够满足现场检测要求。5结论本文从地铁直流牵引供电系统的结构和故障性质出发，结合目前故障测距的研究现状，并提出了基于最小二乘法求解的双端故障定位算法，并通过深圳地铁5号线塘朗至长岭陂区间模拟短路试验数据及现场试验数据进行了验证，研究结果表明该故障测距算法能够准确地实现接触网短路故障定位，对于接触网线路故障修复和地铁牵引供电的稳定性具有较为实用的意义。参考文献：?池代臻.基于双边供电时直流牵引网的故障测距方法J.城市轨道交通，2016,3：39-42.?和敬涵，宋晓明等.基于时域微分的地铁直流牵引系统故障定位J.电工技术学,2016,31(3)：164-169.?王元贵.直流牵引供电系统短路故障识别与定位研究D.成都：西南交通大学,2013.