韦 国

0 引言

电气化铁道牵引供电系统是电力系统中具有一定独立性和特殊性的供电系统。牵引网要承担一般输电线沿铁道传输电能的任务及机车用户频繁操作而产生强大的电与机械的冲击，因此常发生牵引网故障，故障频繁且无备用，严重影响电气化铁道安全可靠运行。牵引网故障的精确定位一直是影响电气化铁道安全可靠供电的重要因素，也是影响电气化铁道实际运能的因素之一。特别是对于国内正在兴起的高速铁路，牵引网故障的快速精确定位对缩短抢修时间、加快线路恢复，提高铁路运输效率，减少因线路故障停电造成的经济损失将具有直接的影响。

目前，国内的牵引网故障测距一般采用传统的阻抗测距技术。受过渡电阻以及牵引网复杂线路结构等因素的影响，要保证良好而稳定的测距精度将是十分困难的[1]。近年来随着电子技术和计算机技术的发展以及小波分析等数学工具在故障信息分析和检测领域的应用逐渐成熟，利用故障的高频暂态信息中的行波进行故障测距的方法在电力系统中得到了广泛的应用，并且已经有厂家推出了基于行波法和小波分析的测距产品。由于行波在线路中有比较稳定的传播速度，且测量到的故障行波到达时间差不受线路类型、故障电阻及系统运行参数的影响。因而，可利用行波故障测距法实现牵引网的故障定位。

1 牵引供电系统的基本结构

国内电气化铁道采用的是工频单相 25 kV交流制[2]。牵引供电系统主要包括牵引变电所、牵引网和电力机车。如图1所示，除了馈电线、接触网、回流线以及轨道等一般结构之外，牵引网还有其特殊的线路结构，例如小型车站分段线、锚段等，这些特殊的线路结构都会对行波的传播产生一定的影响。牵引网的供电方式可分为直接供电、BT供电和AT供电方式。国内电气化铁道牵引供电系统多采用直接供电加回流线的供电方式（DN方式）。

图1 牵引供电系统供电示意图

2 行波测距理论

电力系统的高压传输线和电气化铁道中的牵引网的作用都是传输电能，实际的输电线路一般可以看作是均匀分布参数电路，由于存在着分布电感和分布电容，当线路上有故障发生时，故障点会产生向线路两端传播的行波。如果在传输过程中输电线的参数和波阻抗发生变化，那么行波就将发生反射和折射现象。行波法就是利用波在故障点与母线以及其他波阻抗之间的传播（发生反射和折射现象）来实现对故障点的快速精确测距。

早期的行波法测距装置根据实现方法的不同可以分为3种类型[4]。

（1）A型装置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。如图2 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v（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2 单端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Δt，如图2 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DF=vΔt/2。设计该型测距装置的关键在于识别反射波是来源于故障点还是对端母线。该装置适用于单端供电的线路[1]。

（2）B型装置是利用故障点产生的行波到达线路两端的时间，借助于两端的通信实现测距，由于不需要识别行波的性质，因此实现起来困难较小。当F点发生故障后，将产生向两端母线m和n传播的行波（如图2所示，其中箭头方向为行波传播的方向），母线m和n处的行波测距装置记录下行波波头信号到达的时刻，然后利用公式DF=[v(tm-tn)+l]/2即可得到故障点距两端的距离，其中，l为线路总长，v为波速。该装置适用于双端供电的线路。

（3）C型装置是利用特定的装置在故障发生后发射高压高频或直流脉冲信号，根据脉冲在装置和故障点间往返的时间进行测距。由于该类型的装置需要附加专用设备，并且利用电力线载波通信，根据电气化铁道的特点，该类装置在其牵引供电系统中不适用。

以上3种类型中，A型、C型为单端测距；B型为双端测距，需要有两端通信。A型和B型装置对输电线路的瞬时性和永久性故障均有较好的适应性。

3 行波法应用于牵引网故障测距的方案

理论上，单端行波法和双端行波法都适用于牵引网行波故障测距。但是，接触网结构复杂，其结构和设备（线岔、锚段关节以及分相绝缘器和分段绝缘器等）对行波的传播产生严重影响，行波反射、折射非常复杂，同时沿线变压器负荷及复杂环境也对行波传播产生影响。特别是在牵引网上存在多台移动的机车负荷时，准确获取故障点反射波或折射波将更加繁杂。

单端行波法测距需要不断地提取、识别入射波和反射波，并对其性质做出准确判断，因此利用该方法测距存在一定的困难。

双端行波法测距只要获取故障点向两端传播的行波波头信号，不需测反射波，实施较为简单，并且不受线路及机车状况的影响。近年来随着GPS技术的发展，使得基于GPS的精确对时双端行波法得以实现。GPS可以精确获得行波到达的时刻，使得该方法计算故障距离是精确并且稳定的。因此双端行波法测距更适应电气化铁道牵引网精确故障定位的需要[5]。

整个接触网行波故障测距系统由行波数据采集与处理系统、通讯网络和行波综合分析系统及远程维护系统组成。图3中，牵引变电所中的行波数据采集与处理系统记录各条线路的电压、电流暂态信号以及回流线电流暂态信号。目的是当线路发生故障时，能够可靠记录到故障信息。行波综合分析系统运行行波故障测距系统分析软件，它接收通讯网络送上来的各行波故障测距装置记录到的暂态数据。行波综合分析系统由一台工业控制计算机构成，放置在调度中心。

图3 接触网行波测距系统原理图

4 结语

牵引网线路结构复杂、站场分支多、锚段电连接频繁，AT的接入、多台机车移动等均使行波的折反射分析复杂，准确获得故障点反射波的难度较大；行波法中的双端测距法只获取故障点向两端传播的初始波头信号，不需测反射波，同时受线路及机车状况的影响较小，实施较为简单。行波测距法在电力系统高压输电线中应用的理论较成熟，但由于牵引供电系统线路结构、运行方式复杂，使行波法在电气化铁道牵引供电系统中的应用还需深入研究。

[1]焦在滨，高仕斌.行波法在电气化铁道牵引网故障测距中应用的可行性研究[J].继电器，2003，31，（7）.

[2]谭秀炳.交流电气化铁道牵引供电系统[M].成都：西南交通大学出版社，2007.

[3]段晶晶.直供方式牵引网故障行波测距技术[J].山东理工大学学报（自然科学版），2010，24，（5）.

[4]葛耀中.新型继电保护与故障测距原理与技术[M].西安：西安交通大学出版社，1996.

[5]冉旭，廖培金，陈平，等.行波故障测距法在电气化铁道牵引网中的应用研究[J].电网技术，2001，25，（2）：36-42.