專利名稱：電氣化鐵路at供電接觸網斷線接地故障識別方法
技術領域：
本發明屬電工技術領域，更準確地說本發明涉及一種電氣化鐵路AT供電接 觸網斷線接地故障的識別方法。
技術背景目前，中國的鐵路建設又進入一個新的高峰時期，今后的高速鐵路、重載 鐵路或者客運專線都將采樣新型先進的AT(自耦變壓器)供電模式，此供電模式 下，當發生接頭拉脫、異物刮碰等機械故障造成供電線路斷線時，通常形成單 側接地，另一側懸空故障，此種故障可能具有較高阻抗值，牽引變電所安裝的 饋線保護裝置感受到的故障電流和負荷電流相近，以致常規保護元件不能有所 反應，斷路器不能跳閘并有可能引起變壓器后備保護越級跳閘，實際上，短路 點的故障電流可能比較大，如果長時間不能發現故障并處理，持續的大電流將 可能燒壞相關設備。例如，萬噸重載的大秦鐵路自開通運行以來，發生過若干 次正饋線斷線接地故障，曾經燒斷了某區段全部通信、信號及電力電纜，多次 燒壞回流線、自耦變壓器(AT)、鐵路信號機及鋼軌，給鐵路運輸造成重大影響。目前，運行或即將運行在AT牽引供電系統內的牽引機車有交一直一交型動 車組和交一直型電力機車兩種，對于動車組，其運行功率因數很高，阻抗角一 般大于0.97，而交一直型電力機車的功率因數一般介于0.707 0.9之間，由于 不能保證負荷的功率因數一定大于0. 707，所以僅僅依靠功率因數判據將可能誤 判。針對該型故障，本領域目前還沒有給出實用的解決方法。文獻一 《AT供電牽引網斷線接地故障及其饋線保護動作行為分析》(鐵道學報1996年6月第18 巻第2期第87頁)對AT供電牽引網斷線故障進行了理論分析，結合具體算例， 給出各種斷線地故障的阻抗一距離特性曲線，通過與其它短路故障比較，從理 論上論證了 AT牽引網發生斷線故障時常規保護拒動的可能性，作者沒有提出實 際的解決方案，文章最后指出有必要針對這種故障研究新型的保護原理，這也 是作者所希望看到的結果。文獻二《全并聯AT供電牽引網斷線接地阻抗計算與分析》(繼電器2008年 l月16日第36巻第2期第7頁)針對客運專線全并聯AT供電牽引網發生斷線 接地故障時饋線保護裝置拒動這一現象，利用電路基本原理，采用數學方法對 全并聯AT供電牽引網斷線接地的阻抗進行了理論上的推導計算，將其與短路故 障的阻抗進行比較分析，得出斷線接地故障是一種高阻接地故障，遠遠大于短 路時的阻抗，超出了饋線保護阻抗的整定值。并利用Matlab/Simulink軟件建 立牽引網故障模型并進行了仿真驗證，證明了其理論推導的正確性，從而找到 了發生斷線接地故障時饋線保護裝置拒動的原因，但作者仍然沒有給出針對性 的解決辦法。査找國內外公開文獻，未發現該類型故障的識別方法。
發明內容
為解決現有技術的不足，本發明的目的在于提供一種電氣化鐵路AT供電接 觸網斷線接地故障識別方法，能使牽引變電所安裝的微機饋線保護裝置識別出 斷線接地形成的高阻抗故障(有別于高過渡電阻接地故障)、保證各類電力機車 負荷運行時及激磁涌流等暫態及重負荷工況下微機饋線保護裝置識別元件不誤 動。為了實現上述目的，本發明是采取以下的技術方案來實現的-一種電氣化鐵路AT供電接觸網斷線接地故障識別方法，其特征在于包括下列步驟(1) 、判別識別元件是否達到啟動條件，如保護電流大于啟動電流，則啟 動識別元件，進行下列步驟；(2) 、根據母線電壓及饋線電流計算實時功率因數；(3) 、根據饋線電流的l、 2、 3、 5、 7次諧波計算自適應控制量、二次諧 波含量；(4) 、判別經過自適應控制量調整的功率因數是否在動作范圍內、自適應 控制量是否在動作范圍內、二次諧波含量是否小于整定值，如在整定延時內均 能滿足以上條件，則發告警信號或跳閘，上傳故障數據信息；否則退出并初始 化識別元件。前述的電氣化鐵路AT供電接觸網斷線接地故障識別方法，其特征在于所述 的整定延時大于除過負荷以外的常規保護的最大延時。前述的電氣化鐵路AT供電接觸網斷線接地故障識別方法，其特征在于將所述的自適應控制量定義為y<formula>formula see original document page 6</formula>
yw為保護動作的必要條件之一；其中A為饋線電流基波有效值、/2為饋線電 流2次諧波有效值、/3為饋線電流3次諧波有效值、/5為饋線電流5次諧波有效值、/7為饋線電流7次諧波有效值、"w為自適應控制量整定值。前述的電氣化鐵路AT供電接觸網斷線接地故障識別方法，其特征在于將所述的自適應控制量定義為<formula>formula see original document page 6</formula>;功率因數通過測量阻抗求出<formula>formula see original document page 6</formula>
式中<formula>formula see original document page 7</formula>將功率因數和自適應控制量相乘再平方，經過自適應控制量調整的功率因數(/C0")2滿足<formula>formula see original document page 7</formula>為保護動作的必要條件之一；其中^^與《^2分別為接觸網斷線接地故障功率因數的下限定 值和上限定值，Ze為測量阻抗，"為饋線電壓基波矢量、ii為饋線電流基波矢量、real()代表矢量的實部，imag()代表矢量的虛部，j是虛數單位。前述的電氣化鐵路AT供電接觸網斷線接地故障識別方法，其特征在于將所述的二次諧波含量定義為A ,義=^x ioo %《；izc/為保護動作的另一必要條件；式中為二次諧波含量整定值，A為饋線電流基波有效值、/2為饋線電 流2次諧波有效值。本發明的有益效果是采用本發明的方法，能使牽引變電所安裝的微機饋 線保護裝置識別出斷線接地形成的高阻抗故障(有別于高過渡電阻接地故障)、 保證各類電力機車負荷運行時及激磁涌流等暫態及重負荷工況下微機饋線保護 裝置識別元件不誤動，解決了電氣化鐵路AT供電接觸網斷線接地故障難以識別 的問題，同時也解決了 AT解列后常規保護可能拒動的問題。
圖1為斷線接地故障短路示意圖；圖2為某運行線路的斷線接地高阻故障的阻抗計算結果示意圖；圖3為某客運專線的接觸網懸掛結構圖；圖4為某運行線路的斷線接地高阻故障的功率因數計算結果示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖對本發明作具體的介紹。為識別電氣化鐵路AT供電接觸網斷線接地故障，本發明提供的電氣化鐵路 AT供電接觸網斷線接地故障識別方法，包括下列步驟-(1) 判別識別元件是否達到啟動條件；(2) 根據母線電壓及饋線電流計算實時功率因數；(3) 根據饋線電流的l、 2、 3、 5、 7次諧波計算自適應控制量、二次諧波(4) 判別經過自適應控制量調整的功率因數是否在動作范圍內，自適應控 制量是否在動作范圍內，二次諧波含量是否小于整定值，如在整定延時內均能 滿足以上條件，則發告警信號或跳閘，上傳故障數據等信息。在本發明中，披露了識別AT供電接觸網斷線接地故障的重要特征量饋出 線短路功率因數，給出了該類型故障時功率因數變化規律。在所有的斷線接地 故障類型中，復線比單線復雜，非電源側接地故障的阻抗最大值較電源側接地 故障的要大，以此為典型的斷線接地故障電路見圖1。按照電路基本定律并適當 變換可求得-Z = ^= Z。Li+4Z山3+8Z2L3-4Z2X+( Z。L^ ZoL2+4Z上3+4Z2U)(4Z2+2Z3)(L3-x) I 2Z2(L3-x) + Z0L2/2(式l)式1中Z為牽引變電所測量得到的基波阻抗；Z。、 Zi、 Z2、及Z3為斷線接地故障的特征阻抗；Zo:Zt+Zf-2Ztf5 Z2二Zr-ZtR-ZfR+ZtF sZ3二Zf-Zfr-Ztf+Ztr ;ZT:接觸線單位自阻抗；ZR:鋼軌單位自阻抗；ZF:正饋線單位自阻抗；ZTK:接觸線與鋼軌單位互阻抗；ZTF:接觸線與正饋線單位互阻抗；ZFR:正饋線與鋼軌單位互阻抗； U為饋線基波電壓，I為饋線基波電流，U為第n個AT (自耦變壓器)與 變電所之間的距離，L2為第n+1個AT與分區所之間的距離加上分區所到變電 所的距離，L3為故障所在AT段的長度。X為故障點相對第n個AT的距離。由式l可以看出，當某個AT段發生斷線接地(一側接地、另一側懸空)故 障時，該型故障的短路阻抗可能具有較高的阻抗值，圖2是某運行線路的斷線 接地高阻故障的阻抗計算結果，其值基本上都超過或遠遠超過阻抗保護的整定 值，過流類保護元件也無法動作。圖3是某客運專線的接觸網懸掛結構圖，通常，AT牽引供電系統的懸掛結 構尺寸與圖3所示相去無幾。根據中華人民共和國鐵道行業標準TB/T 2809-2005 (電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線)的規定，經計算，斷線接地故障的特征阻 抗的阻抗角都在50°以上，由特征阻抗得出牽引變電所處測得的斷線接地故障的 功率因數均小于0.65，而正常負荷時的功率因數通常不會小于0.707，此規律 是識別斷線接地故障的重要依據。圖4是某實際運行線路的斷線接地高阻故障的功率因數計算結果。值得一提的是，斷線接地引起的高阻抗故障不同于俗稱的高阻故障(即高 過渡電阻故障)，后者的短路功率因數較高，阻抗中的電抗分量相對電阻分量要小的多；而前者的電抗分量與電阻分量都比較大，電流保護、阻抗保護及普通 高阻保護都不能正常動作。在本發明中，披露了采用諧波調整功率因數大小來區分牽引負荷與斷線接 地故障。目前，運行或即將運行在AT牽引供電系統內的牽引機車有交一直一交 型動車組和交一直型電力機車兩種，對于動車組，其運行功率因數很高，阻抗 角一般大于0. 97，而交一直型電力機車的功率因數一般介于0. 707 0. 9之間， 由于不能保證負荷的功率因數一定大于0. 707，所以僅僅依靠功率因數判據將可 能誤判。對于交一直型電力機車，其牽引網負荷電流中總是或多或少地存在諧波分 量，通常為奇次諧波，且以3、 5、 7次為主，因此，可以引入一個自適應控制 量/，由其反應負荷電流中的綜合諧波含量，同時為了躲避暫態，控制量中引 入二次諧波，并且為了可靠區分機車負荷與斷線接地引起的高阻抗故障，引入了有1、 2、 3、 5、 7次諧波來計算得到自適應控制量。于是定義"^/^^，，2"72 ，其中/,為饋線電流基波有效值、/2為饋線電流2次諧波有效值、/3為饋線電流3 次諧波有效值、/5為饋線電流5次諧波有效值、/7為饋線電流7次諧波有效值。功率因數的計算通過測量阻抗求出"^ 啦12(-+=^陶(其中Zc為測量阻抗)。在正常負荷時，考慮交一直電力機車負荷和線路的感性，以及負荷波形的 畸變，經過自適應控制量調整的功率因數;^cos^將變大，如果機車或變電所裝 有功率因數補償裝置，；Kcos^還會增大，而斷線接地故障發生后，/cos^會在故障消失前一直持續在較低值上。綜上所述，斷線接地引起的高阻抗故障識別方法的主要判據之一<formula>formula see original document page 11</formula>(2)式(2)中，&21與&22為接觸網斷線接地故障功率因數的下限定值和上限 定值。為了方便計算，無需求解平方根，將整定值平方后比較即可。為防止激磁涌流等暫態及重負荷工況下識別元件誤判，考慮到斷線接地故 障電流的畸變較小，將自適應控制量/單獨作為另一判據叫'2々57 ^ (3) 其中yw為自適應控制量整定值。同時，引入二次諧波含量A作為閉鎖判據<formula>formula see original document page 11</formula> (4)式(4)中義w為二次諧波含量整定值，/,為饋線電流基波有效值、/2為饋 線電流2次諧波有效值。在以上式(2)、式(3)、式(4)判據均成立并持續整定時間后，裝置發出告警 信號或跳閘(可選擇)。通過饋出線短路功率因數來區分機車負荷與斷線接地引 起的高阻抗故障，并且為了區分于常規短路故障，整定延時應大于除過負荷以 外的常規保護的最大延時。通過單片機計算自適應控制量7與功率因數c()S0時，需要克服衰減的非周 期分量的影響，為此，可以采用帶差分的全周傅立葉算法。根據傅立葉算法，測量阻抗Ze的計算如下<formula>formula see original document page 12</formula>
本實施例中，尺&與整定為0. 17， &22整定為0.5，義^整定為0.2, "w 整定為1.02， AT接觸網斷線接地保護延時整定為2s，注意，這幾個參數的整定在不同的電氣化鐵路上可能需要稍微的調整。進入識別元件后首先看保護電流 是否大于啟動電流，如是，則計算自適應控制量72=心A，"2《與功率因數C0S^= rea,O(Zc)，判別(/ COSP) 2是否在動作范圍內，/2、 A是否滿足條件，如在整定延時內均滿足以上條件，則發告警信號或跳閘，上傳故障數 據等信息，否則退出并初始化識別元件。本發明可有效發現接觸網斷線接地故障，正確發揮作用，有力的保障電氣化 鐵路的正常高速運行。本發明為國內外首創，不僅能夠可靠解決電氣化鐵路AT供電接觸網斷線接 地故障識問題，還有另外一個附加功能運行中某AT解列后，該區段內發生常 規故障，此時牽引變電所的測量阻抗也可能較高，常規保護有可能不動作，但 本發明可以兼顧解決此問題。本發明按照實施實例進行了說明，應當理解，但上述實施例不以任何形式 限定本發明，凡采用等同替換或等效變換的形式所獲得的技術方案，均落在本 發明的保護范圍之內。
權利要求
1、電氣化鐵路AT供電接觸網斷線接地故障識別方法，其特征在于包括下列步驟(1)、判別識別元件是否達到啟動條件，如保護電流大于啟動電流，則啟動識別元件，進行下列步驟；(2)、根據母線電壓及饋線電流計算實時功率因數；(3)、根據饋線電流的1、2、3、5、7次諧波計算自適應控制量、二次諧波含量；(4)、判別經過自適應控制量調整的功率因數是否在動作范圍內、自適應控制量是否在動作范圍內、二次諧波含量是否小于整定值，如在整定延時內均能滿足以上條件，則發告警信號或跳閘，上傳故障數據信息；否則退出并初始化識別元件。
2、 根據權利要求1所述的電氣化鐵路AT供電接觸網斷線接地故障識別方 法，其特征在于所述的整定延時大于除過負荷以外的常規保護的最大延時。
3、 根據權利要求1所述的電氣化鐵路AT供電接觸網斷線接地故障識別方法，其特征在于將所述的自適應控制量定義為Z， , = ，"n:+/5^^ 為保護動作的必要條件之一；其中/,為饋線電流基波有效值、/2為饋線電流2次諧波有效值、/3為饋線電流3次諧波有效值、/5 為饋線電流5次諧波有效值、/7為饋線電流7次諧波有效值、yw為自適應控 制量整定值。
4、 根據權利要求1所述的電氣化鐵路AT供電接觸網斷線接地故障識別方法，其特征在于將所述的自適應控制量定義為;r， p、n+"+";功率因V A數通過測量阻抗求出;式中Zc=^l = realQJi) + J(iamg(1^)) Ii real(Ii) +j(iamg(Ii))—real(Ui )real(Ii) + iamg(Ui )iamg(Ii) + . iamg(Ui )real(Ii) — real(Ui )iamg(Ii)= 十 jreal(ii)2 + iamg(ii)2 real(ii)2 + iamg(")2=real (Zc)+j (iamg(Zc));將功率因數和自適應控制量相乘再平方，經過自適應控制量調整的功率因 ,, z /12+/72+A2+/s2+/72 real2(Zc) ^數(/C0")2滿足^fe八 /〉 .reai2(刮+U2(刮^^2為保護動作的必要條件之一；其中《&與《rfz2分別為接觸網斷線接地故障功率因數的下限定 值和上限定值，Ze為測量阻抗，！^為饋線電壓基波矢量、"為饋線電流基波矢量、real()代表矢量的實部，imag()代表矢量的虛部，j是虛數單位。
5、根據權利要求1所述的電氣化鐵路AT供電接觸網斷線接地故障識別方法，其特征在于將所述的二次諧波含量定義為義，義二，x 100 % S義^為保護動作的另一必要條件；式中為二次諧波含量整定值，^為饋線電流基波 有效值、/2為饋線電流2次諧波有效值。
全文摘要
本發明涉及一種電氣化鐵路AT供電接觸網斷線接地故障識別方法，包括判別識別元件是否達到啟動條件；根據母線電壓及饋線電流計算實時功率因數；根據饋線電流的1、2、3、5、7次諧波計算自適應控制量、二次諧波含量；判別經過自適應控制量調整的功率因數及自適應控制量是否在動作范圍內，二次諧波含量是否小于整定值，如在整定延時內均能滿足以上條件，則發告警信號或跳閘，上傳故障數據信息；否則退出并初始化識別元件。本發明能識別出斷線接地形成的高阻抗故障、保證各類電力機車負荷運行時及激磁涌流等暫態及重負荷工況下微機饋線保護裝置識別元件不誤動，同時也解決了AT(自耦變壓器)解列后常規保護可能拒動的問題。
文檔編號G01R31/08GK101404409SQ20081023519
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月17日 優先權日2008年11月17日
發明者劉劍欣, 林 安, 徐石明, 平 江, 軍 王, 王善祥, 王文榮 申請人:國電南瑞科技股份有限公司