一种单线AT双边供电牵引网故障测距计算方法

技术领域

本发明涉及电气化铁路牵引供电技术领域。

背景技术

我国铁路建设举世瞩目，成绩斐然。截至2020年末，全国铁路营业里程达到14.6万公里，其中高速铁路3.8万公里，中西部地区铁路营业里程9万公里。铁路复线率和电化率分别达到60％和73％。高速铁路无一例外地采用电力牵引。随着高速铁路里程的增加，牵引供电系统的安全、良好运行不能不受到高度重视。

AT(Auto Transformer，自耦变压器)供电方式具有更长的供电区段、更大的供电能力之优势，能够更好地满足高速铁路行车密度较大、运行速度高、供电容量大的要求，成为了我国高速铁路在现阶段的主流供电方式。

牵引网没有备用，且暴露于大自然中，加之弓网高速接触，容易导致故障的发生，引起断电，影响正常运行。高速电气化铁路AT牵引网结构复杂，故障定位困难，如果不能及时准确发现和排除故障，将延长停电时间，干扰正常运输。因此，AT牵引网故障的精确定位对于铁路的高效、安全运行意义重大，并能够带来巨大的经济和社会效益。

目前，针对AT牵引网的故障定位(测距)方法容易受到线路结构、牵引网的运行方式及供电方式等因素的影响，降低其稳定性和精度。

在我国西部地区，由于地广人稀，电力用户少，新修建的铁路在初期往往是单线电气铁路，为了提供铁路供电能力，降低一次成本投入，采用双边供电是一种较好的选择，在这种情况下，铁路供电区段加长，气候恶劣，地形复杂，故障定位显得尤其重要。为了减少设备数量，增加可靠性，节约人力物力，应尽量不在AT段中增加设备。

发明内容

本发明的目的是提供一种单线AT双边供电牵引网故障测距计算方法，它能有效地解决单线AT双边供电牵引网故障测距的技术问题。

本发明解决其技术问题，所采用的技术方案为：

一种单线AT双边供电牵引网故障测距计算方法，包括单线AT双边供电方式的电气化铁路系统，公共电网变电所Sub，首端牵引变电所S1、尾端牵引变电所S2，三相电源进线L1两端分别连接公共电网变电所Sub和首端牵引变电所S1，三相电源进线L2两端分别连接公共电网变电所Sub和尾端牵引变电所S2；首端牵引变电所S1与尾端牵引变电所S2之间分段设有自耦变压器AT1、自耦变压器AT2、自耦变压器AT3、自耦变压器AT4、自耦变压器AT5，以自耦变压器AT1为首端，自耦变压器AT5为尾端构成四个AT段，四个AT段总长度为D,各AT段长度依次为：自耦变压器AT1与自耦变压器AT2之间的长度为D1，自耦变压器AT2与自耦变压器AT3之间的长度为D2，自耦变压器AT3与自耦变压器AT4之间的长度为D3，自耦变压器AT4与自耦变压器AT5的长度为D4；记第一个AT段的接触线T1、钢轨R1、正馈线F1，第二个AT段的接触线T2、钢轨R2、正馈线F2，第三个AT段的接触线T3、钢轨R3、正馈线F3，第四个AT段的接触线T4、钢轨R4、正馈线F4；自耦变压器AT1从首端牵引变电所S1取电，接触线电压相量为

单线AT双边供电牵引网发生短路故障时，设短路故障位置距离自耦变压器AT1的长度x，通过公式(1)、(2)计算得到初测值x

式中：长度D、x的单位均为km，各种阻抗Z单位均为Ohm/km；各电压相量

由于测距装置DA1和测距装置DA2之间包含多个自耦变压器，测量结果需要用公式(3)进行修正设定：

x＝kx

k为变比修正系数，b为坐标平移修正系数，由于在不同AT段发生短路故障，包含的AT段的数量不同会引起变比修正系数k和坐标平移修正系数b的值在每一个AT段也不同；又由于牵引网接触线T、正馈线F的阻抗不同，所以对于发生在接触线T与正馈线F之间的TF短路故障、接触线T与钢轨之间的TR短路故障、正馈线F与钢轨之间的FR短路故障，其变比修正系数k和坐标平移修正系数b的值在每一个AT段也是不同，均需要分别设定。

所述的测量结果需要用公式(3)进行修正设定，公式(3)中的变比修正系数k和坐标平移修正系数b是通过在同一AT段的不同地点做两次同种类型短路试验得到的，具体为：在AT段任意取两个测试点d

所述的测距计算方法适用于单线AT双边供电牵引网中的接触线T与钢轨R之间的TR短路故障，钢轨R与正馈线F之间的RF短路故障，接触线T与正馈线F之间的TF短路故障测距计算。

所述单线AT双边供电牵引网中的一个或多个自耦变压器、或者全部自耦变压器退出运行，该测距方法仍然适用，但需要根据自耦变压器数量变化调整变比修正系数k和坐标平移修正系数b。

本发明的工作原理是：单线AT双边供电牵引网发生短路故障时，设短路故障位置距离自耦变压器AT1的长度为x，可通过公式(1)、(2)计算得到初测值x

由于计算结果包含自耦变压器AT，测量结果需要用公式(3)进行修正。所需的修正系数k和b，可以在同一AT段的不同地点做两次同种类型短路试验得到，具体为：在AT段取任意两个测试点d

本发明方法只在牵引所安装测距装置和互感器，不需要在每一AT段中增设互感器和测距装置，当故障在靠近某一自耦变压器AT时，该测距计算方法可用于单线AT双边供电牵引网TR短路故障，RF短路故障，TF短路故障。在多个AT段构成的单线AT双边供电牵引网，一个或多个自耦变压器AT或全部自耦变压器AT退出运行，该测距方法仍然适用，但需要根据自耦变压器AT数量变化调整变比修正系数k，和坐标平移修正系数b。

与现有技术相比，本发明技术的有益效果是：

一、减少设备数量，增加可靠性，节约人力物力，应尽量不在AT段中增加设备，能通过两次短路试验非常明晰的计算出修正系数。

二、如果结合列车行车信息，也可以对修正系数进行在线计算。

三、当修正系数发生较大变化大于20％，表示该AT段电气特性有异常，予以示警。

附图说明

图1是本发明接触线T与正馈线F之间的TF短路试验示意图。

图2是本发明接触线T与钢轨R之间的TR短路试验示意图。

图3是本发明正馈线F与钢轨R之间的FR短路试验示意图。

具体实施方式

如图1所示，单线AT双边供电方式的电气化铁路系统，

包括单线AT双边供电方式的电气化铁路系统，公共电网变电所Sub，首端牵引变电所S1、尾端牵引变电所S2，三相电源进线L1两端分别连接公共电网变电所Sub和首端牵引变电所S1，三相电源进线L2两端分别连接公共电网变电所Sub和尾端牵引变电所S2；首端牵引变电所S1与尾端牵引变电所S2之间分段设有自耦变压器AT1、自耦变压器AT2、自耦变压器AT3、自耦变压器AT4、自耦变压器AT5，以自耦变压器AT1为首端，自耦变压器AT5为尾端构成四个AT段，四个AT段总长度为D，各AT段长度依次为：自耦变压器AT1与自耦变压器AT2之间的长度为D1，自耦变压器AT2与自耦变压器AT3之间的长度为D2，自耦变压器AT3与自耦变压器AT4之间的长度为D3，自耦变压器AT4与自耦变压器AT5的长度为D4；记第一个AT段的接触线T1、钢轨R1、正馈线F1，第二个AT段的接触线T2、钢轨R2、正馈线F2，第三个AT段的接触线T3、钢轨R3、正馈线F3，第四个AT段的接触线T4、钢轨R4、正馈线F4；自耦变压器AT1从首端牵引变电所S1取电，接触线电压相量为

单线AT双边供电牵引网发生短路故障时，设短路故障位置距离自耦变压器AT1的长度x，通过公式(1)、(2)计算得到初测值x

式中：长度D、x的单位均为km，各种阻抗Z单位均为Ohm/km；各电压相量

由于测距装置DA1和测距装置DA2之间包含多个自耦变压器，测量结果需要用公式(3)进行修正设定：

x＝kx

k为变比修正系数，b为坐标平移修正系数，由于在不同AT段发生短路故障，包含的AT段的数量不同会引起变比修正系数k和坐标平移修正系数b的值在每一个AT段也不同；又由于牵引网接触线T、正馈线F的阻抗不同，所以对于发生在接触线T与正馈线F之间的TF短路故障、接触线T与钢轨之间的TR短路故障、正馈线F与钢轨之间的FR短路故障，其变比修正系数k和坐标平移修正系数b的值在每一个AT段也是不同，均需要分别设定。

所述的测量结果需要用公式(3)进行修正设定，公式(3)中的变比修正系数k和坐标平移修正系数b是通过在同一AT段的不同地点做两次同种类型短路试验得到的，具体为：在AT段任意取两个测试点d

仿真计算实例，修正系数计算流程如图3所示：

接触网长度D＝60km，每个AT段长度15km

接触线阻抗ZT＝0.148534+j*0.586168(Ω/km)

钢轨阻抗ZR＝0.083098+j*0.444793(Ω/km)

正馈线阻抗ZF＝0.170248+j*0.716382(Ω/km)

接触线钢轨互阻抗ZTR＝0.049348+j*0.304063(Ω/km)

接触线正馈线互阻抗ZTF＝0.049348+j*0.342784(Ω/km)

正馈线钢轨互阻抗ZFR＝0.049348+j*0.291514(Ω/km)

AT短路电压百分比0.5％

计算公式参考电流方向均为流向线路，为了便于直接代入计算，仿真计算时，IT2,IF2,IR2相位均是相对于(UT1相位+180度)。

第2个AT段TR短路故障，即自耦变压器AT2与自耦变压器AT3之间的仿真计算电流电压如表1,3,5所示，测距结果如表2,4,6所示，

表1第2个AT段TR短路故障时牵引所电压电流

表2在第2个AT段TR短路故障测距及修正结果

表3第2个AT段FR短路故障时牵引所电压电流

表4在第2个AT段FR短路故障测距及修正结果

表5第2个AT段TF短路故障时牵引所电压电流

表6在第2个AT段TF短路故障测距及修正结果

根据上表可见，表中实验数据证明本专利方法是可行的。