王 安 刘三帅 杨伟伟

(西北工业大学自动化学院，710129，西安∥第一作者，副教授)

《铁路信号维护规则技术标准Ⅰ》中规定，全程信号电缆芯线与大地间的绝缘电阻值，在铁路区间和铁路中间站应不小于1 MΩ。当测量值低于规定值就说明有接地故障发生。当电源母线发生一点接地故障时，不构成对地电流回路，所以不影响信号设备的正常运行，但必须尽快排除接地点故障。否则，如果信号系统再发生另外一点接地故障，两接地点将短接某一部分信号设备，使信号设备发生错误动作甚至使信号设备失去电源而拒动，轻则造成列车晚点，重则会造成意外安全事故。如果接地点是金属性低阻接地故障，利用基于信号强度跟踪法［2］的接地点探测仪器很容易找出接地点;但如果接地点经大电阻(如阻值大于100 kΩ)接地，信号系统线缆对地的分布电容又比较大(如电容值大于1 μf)时，接地故障点的查找就比较困难。为此，本文给出了一种简便、快捷、灵敏度高的铁路信号系统接地故障点探测方法。

1 接地故障查找的基本原理

铁路信号电缆芯线对之间以及芯线与大地之间存在较大的分布电容，现有的故障检测方法大都受到分布电容的影响而只能找出阻值较小的接地故障点;而基于相位法［3-4］的故障查找方法正是充分利用其自身分布电容的存在，通过不同大小分布电容及接地电阻对交流信号在相位上的变化来判断接地故障点。如果线缆设备发生接地故障，就会出现一个接地故障阻抗Rx。而线缆设备与大地之间存在均匀分布电容，用集总参数等效电路表示如图1所示。其中，C1是接地故障点前方对地等效分布电容，C2为接地故障点后方对地等效分布电容。

图l 电缆芯线接地故障等效电路

该方法的查找原理如图2所示。信号发送器向故障芯线和地之间注入一低频正弦电压信号，由于接地故障电阻Rx和对地分布电容的存在使得电缆芯线与大地组成闭合回路，在交流电压信号的作用下回路产生交变的电流。信号接收器产生与信号发送器同频率的正弦参考信号。此参考信号在整个查找故障过程中都存在，其作用是为芯线中的电流提供相位参考。在信号发送器附近P 点对接收到的线芯电流和参考信号进行同步采样，通过快速傅里叶变换(FFT)数字信号处理进行电流和参考信号相位的关联，即:记录存储此点电流和参考信号的相位差，并存储此时的电流幅值，沿故障线向远端依次测量芯线中电流和参考信号相位差的变化。如图2 中所示，A 点表示关联点 P 和故障点 X 之间的测量点，B 点表示故障点前且靠近故障点X 的测量点，D点表示故障点后且靠近故障点X 的测量点。用带有电流钳的信号接收器依次测量A 点、B 点和D 点的电流幅值和相位。测量点P、A、B、D 的电流幅值相位关系如图2a)所示。

图2 接地故障查找原理图

1.1 接地故障电流幅值原理

当信号发射器所注入的低频正弦电压信号为U=Acos(2πf·t+φ)时，有:

综合式 1、式 2、式 3 有:

由式4 可知，故障线芯中电流由P 点到D 点幅值一直在变小;由于在接地故障点X 前方线芯对地分布电容是均匀分布的，所以由P 点到A 点电流幅值是均匀减小的;经过故障点X 处除了减少分布电容引起的泄露电流，还减少了接地电阻引起的泄露电流，因此，在经过故障点后电流幅值是突然减小的。电流幅值变化趋势如图2c)所示。

1.2 接地故障电流相位原理

各测量点处电流比接地电阻两端的电压信号超前相位:

由上述公式可见，接地故障线芯上从信号发射器到故障点X 方向电流超前电压相位逐渐减小，经过接地故障点X 后突然变为90°。电流超前电压相位的变化如图2d)所示。

由于只能得到芯线中各测量点电流相位而不容易得到各测量点电压相位，所以就引入了信号接收器产生的同频率参考信号。各测量点电压相位与同频参考信号相位有一个固定相位差的关系。

在测量点P 处进行电流和参考信号相位关联，收到关联指令后，测量计算P 处接收到的电流相位φIP与参考信号相位φUP。理论上知道P 点电流与对地电压相位差为 φPI-U，且有 0 ＜ φPI-U＜90°，则芯线上任意点电压信号与参考信号的固定相位差Δφ=φIP-φPI-U-φUP。在各电流测量点可以用参考信号的相位表示出测量点对地电压的相位φUREF+Δφ，从而可以得到芯线上各点的电流电压相位超前情况。

用带有电流钳的信号接收器沿故障线路同步测量计算A 点电流的相位φIA和参考信号的相位φUA，得到A 点电流和对地电压相位差:

同步测量计算B 点的电流的相位φIB和参考信号相位φUB，得到B 点电流和对地电压相位差:

同理同步测量计算D 点的电流的相位φID和参考信号相位φUD，得到D 点电流和对地电压相位差:

假如接地故障芯线对地之间不存在分布电容，则接地故障等效电路中芯线与地之间只有电阻回路，则芯线任意点电流与电压的相位差始终为0，即:

电流不会产生相移，而芯线实际分布电容的存在使线路中电流发生了相移。信号发送器与接地故障点X 之间电流为分布电容的容性电流与接地电阻的阻性电流之和，电流和对地电压相位差小于90°;由P 点到X 点随着分布电容的均匀减小，电流的相移量也在均匀减小，在故障点X 之后电流全为分布电容容性电流，电流和对地电压相位差等于90°。因此有:

由式(5)、式(6)、式(7)和式(8)可推得:

式(9)、式(10)表明:引入参考信号后可以用线芯上任意点的电流相位和关联点P 的电流相位关系间接表示此点的电压电流相位关系。各个测量点电流与关联点P 处的电流相位差关系如图3所示。测量点电流与关联点P 处电流相位差由负到正的跳变点即为接地故障点。

图3 测量点电流与P 点电流相位关系

2 仿真分析

在Matlab 中搭建电缆接地故障简易等效模型，通过Simout 模块将仿真计算的数据保存到工作空间(wokeplace)，如图4所示。C0和 C1是信号发送器与接地故障点之间的对地等效分布电容，RX为接地故障点等效接地电阻，C2是接地故障点后方的芯线对地等效分布电容。信号发射器向故障线和大地之间注入交流电压信号使故障线路产生交变电流，电流表为线路电流感应测量设备，测量故障芯线中的电流。对获得的电流进行FFT 分析并进行频谱校正获得准确的幅值和相位。

图4 电缆接地故障等效模型

R=200 Ω，C0=1 μf，C1=1 μf，C2=2 μf，注入信号频率为10 Hz，接地电阻RX值不同时的仿真结果见表1。

表1 接地电阻不同时的仿真结果

由表1 可知:当接地电阻小于100 kΩ 时，接地故障点前后电流信号幅值变化较大，可以依据电流信号幅值强度来判断故障点;当接地电阻大于100 kΩ 时，接地故障点前后电流信号幅值变化不大，通过信号强度已基本不能判别接地故障点，但是接地故障点前后电流信号相位与参考点相位差存在明显突变(电流相位差由负到正)，此时可通过接地故障点前后的电流信号相位差准确判断故障点。不管是高阻接地故障还是低阻接地故障均可通过接地故障点前后电流与参考点的相位差突变来准确定位故障点。

R=200 Ω，C0=0.1 μf，C1=0.1 μf，C2=0.2 μf，接地电阻RX=500 kΩ，注入信号频率不同时的仿真结果见表2。

表2 注入频率不同时的仿真结果

由表2 可知:在高阻接地故障(接地电阻大于100 kΩ)时，通过故障点前后电流幅值强度很难定位故障点，应通过故障点前后电流信号相位差定位故障点;当相位差较小时，降低信号源发射信号的频率可以增大接地故障点前后相位差的变化，从而可以准确定位故障点。

R=200 Ω，C2=2C0=2C1，接地电阻 RX=300 kΩ，不同注入信号频率和对地分布电容时的仿真结果见表3。

表3 注入频率和分布电容不同时的仿真结果

由表3 可知:在相同的接地电阻和测试频率情况下，对地分布电容越小越容易用相位差法定位故障点;当相位差不易辨别时(例如C0=10 μf)，可以降低注入信号的频率来增大故障点前后电流相位差的变化，从而准确定位故障点。

3 结语

通过向故障线和地注入一定频率的交流电压信号，接收器同时产生相同频率的参考信号，进行关联后，接收器可感测故障线路电流信号幅值和相位。低阻接地故障时利用电流幅值突然减小和电流相位由负到正的突变均可判断出接地故障点;高阻接地故障时信号发射器与接地故障点之间所测相位差依次减小，经过接地故障点处相位差突然变大。此方法理论上解决了现有仪器通过信号强度跟踪等方法无法准确定位高阻故障点的难题，能够实现对接地故障的快速查找，且方便准确。

［1］中华人民共和国铁道部.铁路信号维护规则技术标准Ⅰ(铁运［2008］142号)［S］.

［2］李克俭，蔡启仲.接地混线故障快速查找仪的研究与设计［J］.仪器仪表学报，2007，28(10):1847.

［3］耿辉.电路负载性质及其电压电流相位差的测量方法与设备:中国，CN1488948A［P］.2004.4.14.

［4］李晓明，梁 军，张沛云.直流系统接地点探测新原理［J］.电力系统自动化，2000(7):55.

［5］王汝钢，白海江.查找线路接地故障点的方法及装置:中国:CN102788934A［P］.2012.7.25.

［6］张次衡.直流系统接地故障检测装置电容影响问题的探讨［J］.电力自动化设备，1996，16((1):48.