车站接触网故障点的快速排查方案
【摘 要】电气化铁路上，车站接触网是牵引供电系统重要的组成部分。通过对国内外接触网故障标定的现状进行分析，找出一种在站场接触网发生故障时，可以快速地标定故障股道线路的标定方法，提高车站接触网故障查找的工作效率。
【关键词】车站；接触网；故障；排查
1 前言
随着我国国民经济的发展，电气化铁路事业得到飞速发展，电气化里程不断延伸，保障铁路的正常运行直接关系着国计民生。在电气化铁路上，接触网线路由于裸露架设，且处于动态运行当中，运行环境比较恶劣，所以发生故障的机率非常大。
目前，接触网故障标定的方法是在变电所馈线系统安装“故障点标定装置”。对于接触网区间的故障，在各项参数调整正确时，“故障点标定装置”的准确性很高（一般误差可以达到±1Km以内）。但是对于车站接触网发生的故障，由于股道接触网众多，“故障点标定装置”的测距误差就很大了，几乎没有参考价值，只能采取人工巡视的方法。所以，在一些大的枢纽站场，人工巡视的方法耗费大量人力，且寻找到故障点的时间很长。一旦在车站发生接触网故障，将严重影响铁路正常运行秩序。因此在发生故障时，迅速的寻找到故障点进行处理，显得尤为重要。
2 国内外车站接触网故障点标定系统的现状
目前国内外有多种不同方法进行接触网故障排查和标定，但对车站接触网故障标定还主要是采用普通接触网故障测距或者定位的方式。现用的测距方式主要有以下几种：
2.1 AT 变中性点吸上电流比测距方式
AT 变中性点吸上电流比原理是20世纪60年代末日本提出的，其基本原理如下：假设AT为理想变压器、钢轨对地全绝缘，且沿线路阻抗参数分布均匀，则当故障发生在第K至第K+1个AT之间时，则故障点距离计算公式如下：
由于故障时，吸上电流比受站场、大地泄露、AT漏抗等因数的影响，所以在程序设计中，不采用整个AT段直线测距公式，而是采用分段线性法。
2.2 上、下行电流比测距方式
当AT所上、下行不并联，分区所并联，无论是TR、FR、TF故障，均可采
用上、下行电流比原理测距，如图1所示，当牵引网方式为上、下行并联运行方式时测距计算公式如下：
2.3 横联线电流比测距方式
横联线电流比原理和AT 吸上电流比原理类似，要获取3个处所的横联线电流，找到最大的两个，确认故障的AT区段，按下面公式计算：
该方式只实用于全并联供电方式下，单线方式无法获得横联线电流。
2.4 电抗法测距方式
电抗法原理适用单线直供方式、BT供电方式。其基本原理是，牵引网短路时存在一定的过度电阻，所以利用电抗和距离关系进行故障定位。按下面公式计算：
2.5 行波测距方式
单端行波故障测距原理是利用线路故障时在测量端感受到第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的距离；双端行波故障测距原理是利用线路故障时，内部产生的初始行波浪涌到达线路两端测量点时的绝对时间之差，进而确定故障点到两端测量点之间的距离。
上述各种测距方式均不适用于车站接触网故障的排查。为快速排查车站接触网故障，研制了车站接触网故障排查系统。
3 车站接触网故障快速排查系统
3.1 技术方案
在车站接触网的承力索上设置无线电流采集器，并由数据采集装置将这些电流传感器采集的故障电流和负荷电流收集，一块打包传输到中心管理主机上，由主机分析软件分析各个采集器的电流，然后通过比对得到故障股道和故障区段。在终端我们将采用故障指示器的基本技术为载体研制电流传感器，并使用无线RF技术将这些数据传输到地面上的装置，再利用GPRS技术将这些数据打包远传。在中心采用工业级工控机，对终端系统采取24小时不间断监控。
3.2 原理框图
“车站接触网故障快速排查系统”主要由中心端设备和终端设备两部分组成。终端设备包括电流采集RTU模块和数据采集DCU模块，中心则主要由以工控机为主的硬件设备和安装于工控机内部的分析软件组成。
3.3 设计原则
（1）实时监测站场内接触网线路，遇有线路故障，能立即作出反应判断出故障区段；
（2）所采用的故障判据是科学合理的，包括速断、过流及电流增量保护；
（3）终端电流采集RTU保护定值可以调整；
（4）通讯传输采用自组通讯网络和公网相结合的模式；
（5）采用高效的电源管理方案，降低系统各单元功耗；
（6）监控中心运行分析软件要具有自动化程度高，操作简便、功能强的特点；
（7）系统具有遥信、遥调、遥测及遥控功能；
（8）终端装置应能适应风、雨、雪、雾、酸碱、潮湿、振动、电磁、粉尘等恶劣环境，适应高低温、全天候条件；
（9）整套装置要具有结构简介、高效、灵活、拆装方便的特点。装置按照免维护的特点设计。
3.4 具体实施
（1）正常运行情况下，系统全天候以电流采集RTU模块检测接触网线路的运行状态，并将运行检测的数据经通讯系统实时传送回中心端工控机，工作人员可以根据需要在中心端提取任意时间段该股道接触网运行数据；
（2）当车站接触网发生故障时，相关股道接触网安装的电流采集RTU模块经判断符合故障判据后，自动启动实时数据传输功能，将该故障电流值经数据采集模块向中心传输回去，中心工控机接受到故障信息，经过软件系统分析，判断出故障股道线路，推屏显示故障报警信息，并音响报警，提示工作人员线路发生故障；
（3）中心监控主机外置短信发送设备，当某一股道线路发生故障时，值班人员不在中心设备前时，软件系统可以将该故障信息以短消息的形式发送到管理人员的手机上，管理人员手机可以设置多人手机。这样该系统就是一套无人值守的自动管理系统。（4）由于数据采集模块和中心通过GPRS或者3G网络，处于一直在线状态，具有双向通讯模式。监控中心在召唤采集模块数据的同时，还可以对数据采集模块发送遥控命令，如果在股道接触网上设置隔离开关或者断路器等一次设备，该遥控命令可以遥控相关开关分闸、合闸。
（5）监控中心可以通过对数据采集模块进而对电流采集模块下达修改参数
的指令，这些参数包括保护定值、数据上报时间、复归等。这些参数均支持使用便携式计算机通过数据采集模块下发指令修改。
3.5 故障判据
对于短路故障，电流采集RTU模块提供两种可选择的故障判据：一种是电流突变法，一种是过流速断定值法。本设计采用“过流突变法”时的短路故障判据：
（Ⅰ） 线路上电：负荷电流I ≥20A 或者线路电压U ≥3kV
（Ⅱ）故障启动条件：
当负荷电流I ≤200A时，ΔI≥100A
当负荷电流I ≥200A时，ΔI≥1/2* I
（Ⅲ） 故障持续时间：T≤1S
（Ⅳ） 线路停电：I ≤20A 和U ≤1kV
图中：
…负荷电流， ≥20A；
…故障电流， ≥200A；300A，400A等
…线路充电时间， ≥1S；
…线路故障时间， ≥0.02S
…线路故障停电电时间，0.3S≤ ≤3S。
图中：
Ik参数：当前负荷电流采样值
Iset参数：包含Iset1（速断值）、Iset2（过流值）
Tset参数：包含Tset1（速断延时）、Tset2（过流延时）
Tfmax参数：从变电站出口保护启动到保护跳闸停电的最大延时
Iaver参数：保护启动前的平均负荷电流
Uk参数：当前线路对地电压采样值
Un参数：正常运行时的电压
3.6 数据采集
数据采集模块通过短距离双向无线跳频组网实时采集附近100米（注：默认100米/11dbm，最大300米/20dbm）范围内安装的3～20只电流采集RTU模块的运行数据和故障信息（线路对地电场、负荷电流、短路报警电流等）以及数据采集模块本身的运行状态（太阳能取电电压、电池电压等），然后将打包数据通过GPRS通讯方式发送到中心监控主机系统进行分析和处理。所有数据采集模块都支持远程设置电流采集RTU，还可以带2路路电动开关的遥控（合、分闸）和6～32路遥信输入（开关位置、储能状态）功能。是整个“车站接触网故障快速排查系统”重要设备，它工作的正常与否直接关系着整个系统运行的状态。
3.7 中心端设备
中心端设备安装在车站所属的供电车间或者检修班组，主要包括工控机、音影响报警装置、短信发送装置、互联网装置。工控机内运行“车站接触网故障快速排查系统”分析软件。软件可以实时将终端装置采集的数据进行存储，并将故障时的各终端电流采集RTU模块上报的故障信息进行综合比对，判断出是否属于站场内接触网故障，并进而判断出是那条股道线路、该股道线路的那个区段。中心端设备是本套设备系统的重要设备，它所运行的设备分析管理软件是本套系统能够正常判断故障线路的核心部分。
3.8 软件系统结构
系统软件完全按照铁路供电信息管理系统平台设计原则设计，其结构如图5所示。
3.9 系统特点
车站接触网故障快速排查系统可以在车站接触网发生故障的瞬间判定出故障的股道线路，通过中心监控系统的操作界面显示出故障线路，为确定故障位置、故障类型进而处理故障提供技术支持，大幅度缩短故障停电延时。该系统还可以实时监测线路运行状态，具备“四遥”功能，显著提高供电运行指挥及维护管理的工作效率。
4 结束语
大秦铁路秦皇岛东站地区是一个大型的综合车站，包括有秦皇岛东站、柳村车站；其中柳村车站包括柳南I场、柳南机务折返段、翻车机房、柳南II场、柳南II场折返段、重车场、轻车场。场内股道众多，网杆林立，接触网密如蛛网。接触网发生故障概率大，巡视费时费力效果不好。
2012年10月，在大秦线柳村车间安装使用了“车站接触网故障快速排查系统”测试成功的样机，终端设备安装在秦东上下行联络线215和216馈线的股道和II场266馈线股道上，中心设备安装在车间办公室。
经过1年多的运行，该系统运行稳定，数据准确可靠，该系统最突出的作用就是准确判断车站接触网股道故障，并及时上报故障信息，解决了车站接触网故障排查的难题。
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