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【摘 要】文章分析10kV铁路电力线路故障特点及因素，提出铁路电力自闭贯通线的故障判断方案，确保铁路配电系统的安全性和可靠性。
【关键词】铁路电力；配电网；故障判断；单相接地
引言
10 kV铁路电力线路为铁路运输生产提供电力保障，其供电可靠性直接影响铁路运输的安全运行。电气化铁道供配电系统由自闭和贯通线构成，其特点是系统中性点非接地，10kV线路与国家电网是利用变电所内的电力变压器实现隔离。铁路电力线路的功能是专线专用给铁路站场、通信信号装置、机车信号、变电所用电等一级负荷提供能源。自闭线和贯通线路相互备用，一旦电力线路或者电力变电所发生故障，则导致铁路行车信号机失灵，信号失效就会造成堵塞、撞车等事故。
1.10kV铁路电力线路故障
判断铁路电力线路故障的方案，首先要理论分析各种故障特征，根据对采用安装在开关站的 FTU监测出来的数据信息判断故障。针对铁路专门设计的10kV自闭贯通线路作用是提供给铁路信号系统，行车系统，编组场车站等一级负荷电能。目前，我国对于铁路 10kV电力线路故障的检测没有很好的方法，检测单相接地故障更是缺少必要手段，原来基本采用监视器监测整定范围内母线上的零序电流的有无，再利用故障线路判断装置进行选线，最后发出报警信号，但是不能够准确提供具体故障区段。
1.1铁路电力网的特点
作为信号设备主要电源的铁路电力线路是保证铁路运输安全生产的重要保障。铁路配电网是一个稳定和可靠供电网络，具备安全和经济性好的特点，在电力系统结构和功能上都具有一定的特点和区别。
（1）供电范围广，受电点多。自闭贯通电网的供电臂大约为 60到70km，特殊地段甚至能到90km 以上。供电负荷容量小数量多，由于自闭贯通电线是自动闭塞信号装置专用线路，都会连接途经车站，负荷信号微弱。
（2）运行维护困难。由于铁路运行情况错综复杂，所以自闭贯通线路受到外界因素影响较大，即使高铁普遍采用电缆引出引入，但电缆大多敷设于地下，受温度、湿度、地质、环境影响较大。铁路配力网结构简单，作为自动终端信号装置与最终用户直接连接，铁路自闭贯通网里一般都为10kV和35kV两个等级的变配电站，铁路自闭贯通供电系统中的站所功能基本相同，配置也基本一致，这样对于铁路供电的功能和范围要求就相对较低。
（3）接线单一可靠性高。自闭贯通供电系统的接线采用最常见的沿铁路敷设的放射网结构，沿铁路线分布均匀变电所互相备用相互连接，组成双回路供电方式。连接线一主一备，自闭线与贯通线相互补充的接线方式。铁路自闭贯通网虽然结构简单，连接方便但是由于其安全性要求供电持续可靠保证。传统的铁路配电网系统设计了多种措施来保证供电的稳定可靠，但是过去所装设的老式保护满足不了日趋发展的高铁提速当故障出现，尤其是难以判断单相接地故障出现的区段，使故障危害加深严重影响自动闭塞正常工作。
1.2铁路自闭贯通线路相间短路
假设线路 A、C 两相在变电所 1、2 间发生短路故障，那么就有
使用对称矢量法对线路上的电流互感器进行读数就会发现两相短路故障时，自闭贯通相电流减小，零序电流和零序电压并不存在于整个短路故障通路里。在故障线路中，靠近电源侧等值的短路电流通过各分段故障线。故障线路前段（ 远离电源侧） 短路电流不会出现在各故障分段区间里。
假设线路A、C两相在变电所1、3间发生a、c两点接地短路，那么就有故障临界条件
在自闭贯通线各变电所安装的电流互感器，就可以测量出实时的电流值。得出结论是一旦发生两相接地故障那么在故障区间前部各相都会有等值短路电流流过，而在故障区间的后端都没有短路电流流过互感器，整个回路里有零序电压和电流； 当不同区间发生接地短路时候，在故障区间前侧故障相短路电流流过互感器，在故障区间后侧不流过短路电流，整个回路都会有零序电压和零序电流。
三相短路和三相接地故障与两相比较相似，但是也有一定的区别。当发生三相短路故障时候，发生故障相的线电压下降，短路电流流过故障相电流互感器，整个配电网里不存在零序电压和零序電流；等值短路电流都会流过故障区间前部的故障相上的电流互感器，短路电流不出现在故障区间后侧线路上的电流互感器； 故障三相接地发生时候，不产生零序电压和电流，故障相有短路电流流经导致故障线路相电压减小； 产生等值的短路电流流过故障区间前侧故障相上的电流互感器，短路电流不会在故障区间后侧流过电流互感器。总之，相间接地短路故障，都可以利用装设在变电所里电流互感器，一旦发生短路故障就可以明显监测出发生故障前的变电所的母线上的电流信息，再根据故障后端没有短路电流的信息，初步分析判断出故障点的粗略位置最后通过比对故障现象的类型及特点准确定位出故障点的。
1.3铁路电力线路单相接地故障分析
当某点发生金属性接地故障，测得接地电阻为零时，已知电力线路上有电容电流，推导出非故障相对地电流和对地电压都近似零，利用零序等效网络就可以得到以下结论： 零序电流在故障回路和非故障回路的关系是，非故障零序电流等于该相的接地电容电流，而故障回路的零序电流正好等于全部非故障零序电流相加之和，也就是所有非故障回路接地电容电流的和； 在对于零序电压电流相位关系，零序电压在非故障相上滞后零序电流 90度，而在故障相上零序电压超前零序电流90度，相加就可以得出零序电流在非故障回路故障回路相位相差正好180度； 总之，接地电容电流等于全部故障和非故障回路中接地点电流之和，同时电容电流和零序电压相差90 度。当发生非金属性单相接地故障时，电阻R不等于零。已知铁路电力线在故障点接地时，并且因为接地电阻不等于零，那么故障区间前段与非故障区间前段的零序电流方向恰恰相反。所以铁路电力线路发生单相接地时，零序电压超前零序电流在非故障线路前侧相差正好90度，在故障线路前侧则滞后相差正好90度； 由于幅值和相角不受电阻影响，则不会改变电流和电压之间的零序相位差； 一旦配电线路出现单相接地故障有零序电压时候，线路前侧的各部分故障超前零序电流，但是故障线路后侧则正好与非故障相反差90度。 2.铁路线路故障判断方案的研究
基于FTU 馈线自动化是解决故障判断的重要系统。该系统中，FTU 被安装在负载、电互感器、功率表和开关等设备上，用来采集对应开关的实时位置、完成贮能情况等运行数据，并且通过网络通信将现场信息传送给变电所中控设备，FTU 还可以利用信道双向性接收自动化控制中心下达的指令，完成指令动作进行长距离操作倒闸。发生故障时，FTU 就可以记录下数据的变化包括故障实时数据对比正常数据。如短路最大电流值、最大冲击电流、最大故障功率和电压等信息统一发送至中心控制机构，中控利用逻辑运算精确定位故障点，并采取最佳措施恢复供电，快速完成遥控分离故障区间并尽快恢复线路供电、保证铁路运行安全。为了方便主站，先将分散的收集单元集中再与控制中心连接，实现分散转为集中，利用成熟的调度自动化技术能够把各个面向对象的采集单元的统一变成的通信协约，实现有机结合供配电技术、SCADA 系统、电力数据采集等。一般在变电所到故障点的自闭贯通线上才会有故障电流，通过各个 FTU 把采集到的故障相数据值传送给自动中心，利用计算机推理运算合理处理已收到故障线路的所有信息，快速定位判断故障发生的区段。通过上节部分关于自闭贯通线路各类故障得出的结论，就可以推理出判断自闭贯通线路各类故障的算法。例如某段自闭贯通线路分为 4 段区域，根据铁路电力系统为非中性点接地系统，上节介绍故障机理就可以归纳为相间短路、单相接地故障等再依据临时性或者永久性故障性质。排列组合共六种可能故障类型通过采集的现场数据进行区分最后中控对故障分析判断。可以分两步进行一个是铁路电力线路沿线上两个变电所之间发生故障时，FTU采集开关站的数据，需要传输一段时间才能将信息收集到主站。设置时间参数，考虑到两个变电站之间的 FTU 数据全部上传，这个参数就是故障分辨率。保障主供变电所重合闸动作，同时备用变电所自投预备，当短路电流流经时，保护机构跳闸，备投重合启动，准确判断出是临时故障； 同理，当出现故障电流时，保护装置跳闸，备投没有启动，重合闸顺利动作同样是临时的。主供电臂启动重合闸，备用供电臂投入的时候，同理出现故障，主供区间保护装置跳闸动作，备投没有启动，重合备投也不成功，那么故障就是永久性，对變电站之间 FTU 采集的数据进行综合判断，根据数据的情况区分出现的故障，收集完整数据分析准确判断故障定点及并采取相应措施保证铁路电力线路正常运行。
3.结束语
电力线路故障诊断是保证铁路运输安全运行和稳定可靠的重要途径。提高铁路电力线路自动化水平，完善远程处理故障能力是电气化铁道供电的一个重要方面。本文通过对铁路自闭贯通线路进行的研究，提出了自闭贯通线的故障判断方案，提高了铁路配电系统的安全性和可靠性。
参考文献：
[1]陶力军.武广高速铁路电力工程设计[J].铁路技术创新，2010.
[2]朱飞雄.高速铁路电力牵引供电工程施工技术创新[J].铁路标准设计，2011.
[3]刘勇.铁路电力牵引供电电子信息系统标准分析[J].高速铁路技术，2010.
[4]藤林.一种实用的新型高压输电线路故障双端测距精确算法[J].电网技术，2001，25（18）：110-114.
【关键词】铁路电力；配电网；故障判断；单相接地
引言
10 kV铁路电力线路为铁路运输生产提供电力保障，其供电可靠性直接影响铁路运输的安全运行。电气化铁道供配电系统由自闭和贯通线构成，其特点是系统中性点非接地，10kV线路与国家电网是利用变电所内的电力变压器实现隔离。铁路电力线路的功能是专线专用给铁路站场、通信信号装置、机车信号、变电所用电等一级负荷提供能源。自闭线和贯通线路相互备用，一旦电力线路或者电力变电所发生故障，则导致铁路行车信号机失灵，信号失效就会造成堵塞、撞车等事故。
1.10kV铁路电力线路故障
判断铁路电力线路故障的方案，首先要理论分析各种故障特征，根据对采用安装在开关站的 FTU监测出来的数据信息判断故障。针对铁路专门设计的10kV自闭贯通线路作用是提供给铁路信号系统，行车系统，编组场车站等一级负荷电能。目前，我国对于铁路 10kV电力线路故障的检测没有很好的方法，检测单相接地故障更是缺少必要手段，原来基本采用监视器监测整定范围内母线上的零序电流的有无，再利用故障线路判断装置进行选线，最后发出报警信号，但是不能够准确提供具体故障区段。
1.1铁路电力网的特点
作为信号设备主要电源的铁路电力线路是保证铁路运输安全生产的重要保障。铁路配电网是一个稳定和可靠供电网络，具备安全和经济性好的特点，在电力系统结构和功能上都具有一定的特点和区别。
（1）供电范围广，受电点多。自闭贯通电网的供电臂大约为 60到70km，特殊地段甚至能到90km 以上。供电负荷容量小数量多，由于自闭贯通电线是自动闭塞信号装置专用线路，都会连接途经车站，负荷信号微弱。
（2）运行维护困难。由于铁路运行情况错综复杂，所以自闭贯通线路受到外界因素影响较大，即使高铁普遍采用电缆引出引入，但电缆大多敷设于地下，受温度、湿度、地质、环境影响较大。铁路配力网结构简单，作为自动终端信号装置与最终用户直接连接，铁路自闭贯通网里一般都为10kV和35kV两个等级的变配电站，铁路自闭贯通供电系统中的站所功能基本相同，配置也基本一致，这样对于铁路供电的功能和范围要求就相对较低。
（3）接线单一可靠性高。自闭贯通供电系统的接线采用最常见的沿铁路敷设的放射网结构，沿铁路线分布均匀变电所互相备用相互连接，组成双回路供电方式。连接线一主一备，自闭线与贯通线相互补充的接线方式。铁路自闭贯通网虽然结构简单，连接方便但是由于其安全性要求供电持续可靠保证。传统的铁路配电网系统设计了多种措施来保证供电的稳定可靠，但是过去所装设的老式保护满足不了日趋发展的高铁提速当故障出现，尤其是难以判断单相接地故障出现的区段，使故障危害加深严重影响自动闭塞正常工作。
1.2铁路自闭贯通线路相间短路
假设线路 A、C 两相在变电所 1、2 间发生短路故障，那么就有
使用对称矢量法对线路上的电流互感器进行读数就会发现两相短路故障时，自闭贯通相电流减小，零序电流和零序电压并不存在于整个短路故障通路里。在故障线路中，靠近电源侧等值的短路电流通过各分段故障线。故障线路前段（ 远离电源侧） 短路电流不会出现在各故障分段区间里。
假设线路A、C两相在变电所1、3间发生a、c两点接地短路，那么就有故障临界条件
在自闭贯通线各变电所安装的电流互感器，就可以测量出实时的电流值。得出结论是一旦发生两相接地故障那么在故障区间前部各相都会有等值短路电流流过，而在故障区间的后端都没有短路电流流过互感器，整个回路里有零序电压和电流； 当不同区间发生接地短路时候，在故障区间前侧故障相短路电流流过互感器，在故障区间后侧不流过短路电流，整个回路都会有零序电压和零序电流。
三相短路和三相接地故障与两相比较相似，但是也有一定的区别。当发生三相短路故障时候，发生故障相的线电压下降，短路电流流过故障相电流互感器，整个配电网里不存在零序电压和零序電流；等值短路电流都会流过故障区间前部的故障相上的电流互感器，短路电流不出现在故障区间后侧线路上的电流互感器； 故障三相接地发生时候，不产生零序电压和电流，故障相有短路电流流经导致故障线路相电压减小； 产生等值的短路电流流过故障区间前侧故障相上的电流互感器，短路电流不会在故障区间后侧流过电流互感器。总之，相间接地短路故障，都可以利用装设在变电所里电流互感器，一旦发生短路故障就可以明显监测出发生故障前的变电所的母线上的电流信息，再根据故障后端没有短路电流的信息，初步分析判断出故障点的粗略位置最后通过比对故障现象的类型及特点准确定位出故障点的。
1.3铁路电力线路单相接地故障分析
当某点发生金属性接地故障，测得接地电阻为零时，已知电力线路上有电容电流，推导出非故障相对地电流和对地电压都近似零，利用零序等效网络就可以得到以下结论： 零序电流在故障回路和非故障回路的关系是，非故障零序电流等于该相的接地电容电流，而故障回路的零序电流正好等于全部非故障零序电流相加之和，也就是所有非故障回路接地电容电流的和； 在对于零序电压电流相位关系，零序电压在非故障相上滞后零序电流 90度，而在故障相上零序电压超前零序电流90度，相加就可以得出零序电流在非故障回路故障回路相位相差正好180度； 总之，接地电容电流等于全部故障和非故障回路中接地点电流之和，同时电容电流和零序电压相差90 度。当发生非金属性单相接地故障时，电阻R不等于零。已知铁路电力线在故障点接地时，并且因为接地电阻不等于零，那么故障区间前段与非故障区间前段的零序电流方向恰恰相反。所以铁路电力线路发生单相接地时，零序电压超前零序电流在非故障线路前侧相差正好90度，在故障线路前侧则滞后相差正好90度； 由于幅值和相角不受电阻影响，则不会改变电流和电压之间的零序相位差； 一旦配电线路出现单相接地故障有零序电压时候，线路前侧的各部分故障超前零序电流，但是故障线路后侧则正好与非故障相反差90度。 2.铁路线路故障判断方案的研究
基于FTU 馈线自动化是解决故障判断的重要系统。该系统中，FTU 被安装在负载、电互感器、功率表和开关等设备上，用来采集对应开关的实时位置、完成贮能情况等运行数据，并且通过网络通信将现场信息传送给变电所中控设备，FTU 还可以利用信道双向性接收自动化控制中心下达的指令，完成指令动作进行长距离操作倒闸。发生故障时，FTU 就可以记录下数据的变化包括故障实时数据对比正常数据。如短路最大电流值、最大冲击电流、最大故障功率和电压等信息统一发送至中心控制机构，中控利用逻辑运算精确定位故障点，并采取最佳措施恢复供电，快速完成遥控分离故障区间并尽快恢复线路供电、保证铁路运行安全。为了方便主站，先将分散的收集单元集中再与控制中心连接，实现分散转为集中，利用成熟的调度自动化技术能够把各个面向对象的采集单元的统一变成的通信协约，实现有机结合供配电技术、SCADA 系统、电力数据采集等。一般在变电所到故障点的自闭贯通线上才会有故障电流，通过各个 FTU 把采集到的故障相数据值传送给自动中心，利用计算机推理运算合理处理已收到故障线路的所有信息，快速定位判断故障发生的区段。通过上节部分关于自闭贯通线路各类故障得出的结论，就可以推理出判断自闭贯通线路各类故障的算法。例如某段自闭贯通线路分为 4 段区域，根据铁路电力系统为非中性点接地系统，上节介绍故障机理就可以归纳为相间短路、单相接地故障等再依据临时性或者永久性故障性质。排列组合共六种可能故障类型通过采集的现场数据进行区分最后中控对故障分析判断。可以分两步进行一个是铁路电力线路沿线上两个变电所之间发生故障时，FTU采集开关站的数据，需要传输一段时间才能将信息收集到主站。设置时间参数，考虑到两个变电站之间的 FTU 数据全部上传，这个参数就是故障分辨率。保障主供变电所重合闸动作，同时备用变电所自投预备，当短路电流流经时，保护机构跳闸，备投重合启动，准确判断出是临时故障； 同理，当出现故障电流时，保护装置跳闸，备投没有启动，重合闸顺利动作同样是临时的。主供电臂启动重合闸，备用供电臂投入的时候，同理出现故障，主供区间保护装置跳闸动作，备投没有启动，重合备投也不成功，那么故障就是永久性，对變电站之间 FTU 采集的数据进行综合判断，根据数据的情况区分出现的故障，收集完整数据分析准确判断故障定点及并采取相应措施保证铁路电力线路正常运行。
3.结束语
电力线路故障诊断是保证铁路运输安全运行和稳定可靠的重要途径。提高铁路电力线路自动化水平，完善远程处理故障能力是电气化铁道供电的一个重要方面。本文通过对铁路自闭贯通线路进行的研究，提出了自闭贯通线的故障判断方案，提高了铁路配电系统的安全性和可靠性。
参考文献：
[1]陶力军.武广高速铁路电力工程设计[J].铁路技术创新，2010.
[2]朱飞雄.高速铁路电力牵引供电工程施工技术创新[J].铁路标准设计，2011.
[3]刘勇.铁路电力牵引供电电子信息系统标准分析[J].高速铁路技术，2010.
[4]藤林.一种实用的新型高压输电线路故障双端测距精确算法[J].电网技术，2001，25（18）：110-114.