高速铁路全电缆贯通线精确故障定位关键技术分析

靳忠福

高速铁路全电缆贯通线精确故障定位关键技术分析

靳忠福

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院)，陕西 西安 710043)

高速铁路电力贯通线路采用全电缆线路，发生故障后会严重影响铁路运输的安全性和可靠性。对故障的准确定位将会大大减小查找电缆故障点范围和电缆故障修复的工作量，缩短检修时间，从而提高速铁路电力供电的可靠性。本文介绍了国内外电力线路故障定位的现状，分析了各种行波测距原理及全电缆贯通线路行波传输与衰减特性，对传统行波测距技术在全电缆贯通线故障定位的适应性进行分析，提出采用分布式行波测距方法可使故障行波传输距离大幅降低，可有效减少行波传输过程中衰减和畸变的影响，对于不同类型故障行波、不同故障过渡电阻、故障点位于不同位置情况下，均能实现精确定位。实际应用案例表明，该技术定位精度较高，满足精确定位要求。

高速铁路；贯通线路；全电缆线路；故障定位；分布式行波测距

根据铁路十三五规划，截止2020年底我国铁路运营里程将达到15 万km，其中高铁里程为3万km[1−3]。高速铁路为了提高电力供电的可靠性，10 kV综合负荷电力贯通线和一级负荷电力贯通线均全部采用电力电缆线路供电[4]。高速铁路电力贯通电缆线路在运行过程中由于种种原因，故障也时有发生，严重影响铁路运输的安全性和可靠性。研究电力贯通电缆线路故障定位技术并加以运用将会大大减小查找电缆故障点和电缆故障修复的工作量，缩短检修时间，从而提高速铁路电力供电的可靠性[5−6]。随着智能化高速铁路建设的发展，高速铁路对于快速、准确的电力贯通电缆线路故障定位技术的需求也越来越迫切。

1 国内外研究现状

行波测距法具有定位精度高，不受过渡电阻影响、适用范围广等多种优点而被广泛关注[7−9]。在20世纪50年代，国外已成功研发了A，B，C和D 4种行波定位技术，研制了监测装置并成功的应用于线路故障监测[10−11]。随着技术的不断发展，行波定位技术不断升级和演变，基于A型定位技术原理，又发展了E型和F型行波定位技术。上述几种定位方法中，A，C，E和F为单端定位，仅需一个监测点的行波即可实现定位。B和D型为双端定位，需要故障点两端配置的监测装置同步监测，通过两端行波的时差计算故障位置。20世纪90年代，我国提出了基于故障电流分量的测距方法、算法及实现方案，成功研制了A-F型各类行波监测装置，推动了行波定位技术在线路故障监测领域的应用和发展，其综合定位误差已低于400 m。在行波定位应用中，随着数字信号处理技术的更新和发展，小波变换被应用于行波波头检测中，大幅提高了行波波头检测精度，使得定位精度得到了进一步的提高[12]。

高速铁路10 kV配电所贯通线调压器一般采用小电阻接地，其接线形式简单、供电点多、线路长、负荷等级高，对供电可靠性要求很高。贯通线路的特点决定了其要求更高效的故障定位精度。目前部分贯通线路上安装了基于阻抗测距的故障定位装置，当线路发生单相接地故障时，难以定位故障点，甚至连故障所属区段都无法给出，故障排查时间长，已严重影响了贯通线路供电的稳定与可靠性，甚至危及铁路行车安全。部分贯通线路在站端配置了行波测距装置，然而，由于贯通线路长度较长，且行波在纯电缆贯通线路中传输衰减比架空线路中更快，当行波从故障点传输至站端监测装置时可能衰减殆尽，对行波信号检测、波头时间识别带来了困难，因此目前贯通线路行波测距技术应用效果欠佳，无法保证定位效果，难以满足我国铁路高速发展的要求。

2 行波故障测距原理分析

故障瞬间以及重合闸瞬间，均会产生高频暂态行波并沿线路传播，实时监测这种暂态行波，利用行波定位技术可以精确判定故障位置。

1) A型行波法是一种在线式单端行波定位技术。该技术基于故障瞬间故障产生的行波，可以根据行波从监测点到故障点往返一次所需时间，或者行波到达对端母线往返一次所需时间，并结合线路长度、波速等计算出故障点位置。

2) B型行波测距为一种在线式双端行波定位法。当对端装置接收到故障行波信号后，向本端装置发送一高频信号，本端信号通过计算故障脉冲及对端信号的时间差来实现精确定位。

3) C型行波定位法是一种离线式单端行波定位技术。故障发生后通过特殊装置向线路注入高频脉冲，根据高频脉冲在注入点以及故障点折反射过程中往返时间差进行定位。

4) D型行波定位法为在线式双端行波定位法。通过在故障点两端布置监测点，实时采集故障点两端的行波，计算行波到达两端监测点的时差，并结合线路长度、波速等进行精确定位，这种定位方法的前提是两端监测点行波采集装置必须配备高精度GPS时钟或其他类型授时模块。

5) E型行波定位法为在线式单端行波定位方法。该方法通过采集线路重合闸行波，通过测量点与故障点，或故障点与对端往返时间差进行定位。

6) F型行波测距原理与E型类似，不过采用的信号量为分闸行波。

3 全电缆贯通线路行波传输与衰减特性分析

全电缆贯通线路输电距离较长，一般为40～60 km，故障行波在这种长距离电缆中的衰减特性对于信号提取、波头识别具有重要影响，进一步的直接影响着行波定位技术的可行性，因此需评估故障信号在电缆中的传输与衰减规律。

3.1 小波能量谱评估方法

小波分析方法用于将信号从时域变换到频域，能实现时间与频率的局部化分析，也即高频处时间细分、低频处频率细分，能自动聚焦到信号的任意细节，是一种理想的时频分析工具。小波包分解基于多分辨率对信号进行分解，并将其频带进行多层次细分，方便定量分析信号不同频段能量的大小，进一步直观的得出行波衰减的程度。设待分析的离散信号序列为[]，其中=1，2，3，…，，采样率为s。对[]进行层小波包分解，并将分解系数重构，然后按频段从低到高排序，得到2个系数矩阵，其中第个系数矩阵C对应频段为[(−1)s/2+1,s/2+1]，其中=1，2，3，…，2。该频段内信号能量为：

而信号总能量为：

各频段信号能量占比可根据上述2式相除得到，最终得到信号能量谱分布。

信号能量谱分布能较好的反映出信号各频段分布特性，以及随时间传输的衰减快慢，可以作为行波传输特性的参考指标。

模量4行波是电缆故障行波的本征模量，特征明显，波速稳定，适合故障定位[4]。另外，电缆本体上电压信号往往不容易获取，而电流信号则不存在这种问题，因此综合考虑采用模量4电流行波进行分析，其计算方法为：

式中：a，b和c分别为电缆三相导体中电流。

3.2 ATP-EMTP仿真计算结果

以某高速铁路为例进行分析，其中铁路全长400 km，全线共设有9个配电所，配电所平均间距约50 km，采用全电缆线路，区间每隔3 km左右设有一处箱式变电站。箱式变电站之间采用单芯电缆连接，贯通线单芯电缆金属护层一般采用一端直接接地，另一端经护层保护器接地。区间箱式变电站通过10/0.4 kV配电变压器降压后为区间通信、信号等负荷供电。配电变压器绕组等效电感约100 mH，在1 kHz频率下，其等效阻抗为6 280 Ω，远高于电缆波阻抗，而实际电缆故障行波频率高于1 kHz，因此对于故障行波波过程来说，各负荷接入点可认为呈开路，可忽略其对波过程的影响。护层保护器采用非线性电阻进行模拟。故障行波源通过Heilder双指数冲击电源模拟，对于贯通电缆线路故障，多为高阻性故障，故障行波电流幅值1～100 A，波尾时间一般大于40 μs，研究行波传输特性时，故障相行波初始幅值设置为10 A，波头波尾时间为2.6/50 μs。

电缆型号为YJV22-8.7/10 kV-1x95 mm2，其导体直径为11.6 mm，绝缘厚度4.5 mm，护套厚度3.0 mm，外径为29 mm，采用EMTP中与频率相关的Jmarti模型来模拟电缆。

为节省空间和篇幅，将电缆模型压缩成GRP模块。仿真模型如图1所示。

传输0 km(起始位置)，10，20，30，40和50 km处模量4行波波形特征对比如图2所示。对图2中各点行波采用dB3小波进行4层小波包分解，通过重构系数计算各频段分量能量占比，得到的能量谱分布对比如图3所示。

图2中，0，10，…，50 km处模量4行波幅值依次为9.31，2.21，1.00，0.61，0.43和0.32 A，传输第1个10 km至第4个10 km距离时，行波幅值衰减百分比依次为76.3%，54.8%，39.0%，29.5%和25.6%。因此，随着传输距离的增加，行波幅值逐渐降低，且呈现出行波幅值衰减速率随距离增加而降低趋势，因此行波传输过程中的衰减主要发生在初始的传输过程中，后期衰减逐渐降低，直至趋于稳定。另一方面，随着行波传输距离的增加，波形特征发生变化，除了幅值衰减特征外，波头波尾时间均显著增加，使得行波脉宽逐渐增大。

1—工频电源；2—变压器模型；3—电缆模型；4—护层保护器模型；5—故障行波电源模型。

图2 不同传输距离下模量4行波波形对比

图3 不同传输距离下模量4行波波形小波能量谱对比

图3中，横轴数值表征频带编号，其中编号对应频带为(−1)*s/25～*s/25，且s=1 MHz。纵坐标等于该频段内能量与初始行波总能量的比值。从图3看出，0 km处行波小波能量谱在第1(对应的频率范围为0～31.25 kHz)直至第12频段(对应的频率范围为343.75～375 kHz)均有分布，10 km处行波能量谱分布主要集中在前3个频段，而大于等于20 km处行波能量谱则集中在前2个频段。仿真结果表明，各频段分量的衰减均随距离的增加而增加，而高频分量衰减更快，使得行波中高频分量逐渐衰减直至完全丢失，因此传输一定距离后，模量4行波只剩下部分低频信息，而高频量则完全消失。

4 传统行波测距技术在全电缆贯通线故障定位的适应性分析

传统的行波测距方法需要在所内CT二次侧提取故障行波电流信号，PT二次侧提取故障行波电压信号。故障行波传输过程示意图如图4所示。

图4 行波传输示意图

基于故障行波传播规律，双端定位方法如式(4)，单端定位放入如式(5)所示：

式中：为线路全长，且=1+2，为波速。

由于2个配电所间隔距离达到50 km，因此无论是双端行波法，还是单端行波定位方法，行波在电缆中均需传输较长距离。典型10 A故障行波传输10 km后，幅值衰减为2.2 A，经配电所CT二次耦合后，行波幅值进一步降低至mA级，给实际应用中的行波检测和提取造成很大难度。另一方面，在较长距离的传输过程中，由于行波高频含量衰减速度高于低频分量，使得行波不仅仅出现衰减，还存在着严重的畸变。

采用dB3小波对起始行波和传输10 km后的行波进行3层小波分解，并对细节系数进行重构，通过小波模极大值法对波头进行识别，计算结果如图5和图6所示。

图5 起始行波主波及其小波分解结果

图5中，重构后3层细节系数模极大值处对应的时间均与行波波头时间对应，因此对于起始行波，可以准确的识别出波头达到时刻。图6中，小波变换系数与行波时域波头起始时间无对应关系，波形奇异性丢失，无论从时域还是小波变换均难以辨识出波头时刻，因此无法准确定位。

图6 10 km处故障行波主波及其小波分解结果

综上所述，由于行波在长距离电缆传输中存在衰减与畸变，因此对于高阻类故障，传统的基于站内行波测距的双端以及单端定位可能存在着定位困难的问题，为降低或避免这种影响，需改变行波信号测量方式，从站端测量转变为分布式测量。通过在长电缆中间每个箱式变电站上安装行波监测传感器，可将监测范围从50 km缩减为3 km，仿真结果表明，图2行波传输3 km后，其幅值衰减了42.6%，波形奇异性仍然存在，波头时间误差为0.2 μs，可有效检测和定位。

5 分布式行波定位技术影响因素分析

按分布式行波定位技术思路，每段电缆两端均布置有行波监测装置，因此任意一段电缆均可利用其两端检测的行波信号进行双端定位，以图1所示第一段电缆为例，将左右两端观测点分别命名为A和B，分析影响双端定位精度相关的影响因素及其影响程度。

5.1 波头与波尾时间对定位结果的影响

电缆故障行波电流波头波尾时间与电缆故障类型有关。根据实测数据，对于低阻故障，故障行波电流波尾时间一般低于40 μs，而高阻故障行波电流波尾时间大于40 μs。波头时间按波尾时间1/10计，故障点设置为离A点2 km处，波速为167 m/μs。不同波头波尾时间故障行波作用下，AB两端检测到的故障行波波头部分如图7和图8所示。波头时间与定位结果如表1所示。

图7 A点故障行波电流波头

图8 B点故障行波电流波头

表1 不同波头与波尾时间对应的定位结果

表1结果表明，几种不同故障行波电流作用时，故障定位精度均<2%。其中1/10 μs故障行波作用下定位误差略高于其余3种情况，经分析，1/10 μs电流行波中小波包能量谱中高频成分占比高于其余3种行波，由于高频分量衰减较快，使得检测点处行波主波起始点部分变得平滑，对波头的精确标定带来了一定的误差。

5.2 过渡电阻对定位结果的影响

改变过渡电阻大小，AB两端检测到的故障行波波形如图9和图10所示。波头时间与定位结果如表2所示。

图9 A点故障行波电流波头

图10 B点故障行波电流波头

从图9和图10可以看出，随着过渡电阻的增大，AB两端检测点行波幅值呈逐渐降低趋势。表3计算结果表明，不同过渡电阻对应的行波定位结果误差均<2.5%，认为过渡电阻大小对定位结果影响不大。

表2 不同过渡电阻时的定位结果

5.3 故障位置对定位结果的影响

改变故障点位置，使其分别落在离A端500，1 000，1 500，2 000和2 500 m处，AB两端检测到的故障行波波形如图11和图12所示。波头时间与定位结果如表3所示。

图11 A点故障行波电流波头

图12 B点故障行波电流波头

表3结果表明，当故障点位于电缆不同位置时，定位误差均<2.5%，具有较高的定位精度，因此认为故障所处位置对定位精度影响不大。

表3 故障点位于不同位置时的定位结果

综合以上仿真分析，结果表明，当采用分布式行波检测方法时，由于故障行波传输距离大幅降低，有效减少了行波传输过程中衰减和畸变的影响，对于不同故障起始行波、不同接地电阻以及不同故障位置情况下，均能实现较高的定位精度，因此分布式行波定位技术可以有效解决长距离全电缆贯通线路的故障定位问题。

6 工程应用

6.1 系统架构及原理

分布式行波监测系统架构如图13所示，包括监测终端、数据中心以及客户端3个部分。监测终端实时采集贯通电缆故障数据，经4 G或经有线通道发送至远程数据中心。数据中心对上传数据进行智能诊断分析，并将故障诊断结果发送至运维人员，此外，也提供WEB查询以及诊断操作功能。

监测终端包含取电CT、罗氏线圈电流传感器、GPS授时模块、采集模块、4G通信模块等，其中传感器直接安装于三相电缆本体上，通过同轴电缆与采集箱连接。监测终端主要技术参数如下，采样率：50 MHz；行波测量范围：0.5～2 000 A；带宽：0.5 kHz～1 MHz。监测终端安装于区间箱式变电站贯通电缆上，现场安装效果如图14所示。

6.2 故障监测案例

国内某高铁线路于2020−01−20 19:15:07 972 ms发生故障，分布式行波监测系统成功的实现了故障数据的监测，而大号站站内行波测距未检测到故障行波，无法定位。6号箱变与7号箱变对应的分布式监测终端采集到的故障电流行波对比如图15所示。

图15中，故障行波先到达6号监测终端，且7号与6号行波到达时间差差为7.6 μs，根据双端定位方法计算出故障点位于6号箱变大号侧864 m处。根据监测系统定位结果，运维人员立即进行巡线并找到了故障点，实际故障位于6号接头往大号站方向907 m，误差为1.4%，表明定位结果精确。故障点照片如图16所示。

图13 分布式行波监测系统组成示意图

(a) 传感器；(b) 采集箱

图15 故障时刻双端行波对比

图16 故障点电缆现场照片

7 结论

1) 由于行波在电缆中存在衰减与畸变，对于典型10 A高阻故障行波，传输50 km后其幅值衰减为0.4 A，经站端CT后，幅值进一步降低，难以检测；另一方面，当传输超过10 km后，波头部分奇异性消失，难以准确提取波头，因此对于传统的站内行波测距法难以有效检测并定位全电缆贯通线路的高阻故障。

2) 在每个箱变处设置一检测点，将电缆线路进行分段监测，大幅降低行波衰减和畸变影响。对于不同类型故障行波、不同故障过渡电阻、故障点位于不同位置时均能实现准确定位。实际应用案例表明，定位精确可靠，优于站内行波测距技术。

[1] ZHOU Chengke, YI Huajie, DONG Xiang. Review of recent research towards power cable life cycle management[J]. High Voltage, 2017, 2(3): 179−187.

[2] TANG Zeyang, ZHOU Chengke, JIANG Wei, et al. Analysis of significant factors on cable failure using the cox proportional hazard model[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2014, 29(2): 951−957.

[3] 周承科, 李明贞, 王航, 等. 电力电缆资产的状态评估与运维决策综述[J]. 高电压技术, 2016, 42(8): 2353− 2362. ZHOU Chengke, LI Mingzhen, WANG Hang, et al. Review of condition assessment and maintenance strategy of power cable assets[J]. High Voltage Engineering, 2016, 42(8): 2353−2362.

[4] 黄荣辉, 李勋, 张宏钊, 等. 线缆混合输电线路故障组合行波测距方法及影响因素研究[J]. 电力系统保护与控制, 2018, 46(5): 73−81. HUANG Ronghui, LI Xun, ZHANG Hongzhao, et al. Research on combined traveling wave fault location method of overhead line-cable hybrid line and influencing factors[J]. Power System Protection and Control, 2018, 46(5): 73−81.

[5] 宁一, 王大志, 江雪晨, 等. 基于零模行波波速特性的配电网单相接地故障测距方法[J]. 中国电机工程学报, 2015, 35(增1): 93−98. NING Yi, WANG Dazhi, JIANG Xuechen, et al. A single phase-to-ground fault location scheme for distribution networks based on zero-mode traveling wave velocity property[J]. Proceedings of the CSEE, 2015, 35(Suppl 1): 93−98.

[6] 邓丰, 李欣然, 曾祥君, 等. 基于波形唯一和时–频特征匹配的单端行波保护和故障定位方法[J]. 中国电机工程学报, 2018, 38(5): 1475−1487. DENG Feng, LI Xinran, ZENG Xiangjun, et al. Research on single-end traveling wave based protection and fault location method based on waveform uniqueness and feature matching in the time and frequency domain[J]. Proceedings of the CSEE, 2018, 38(5): 1475−1487.

[7] 李振兴, 吴李群, 田斌, 等. 不同步双端数据修正波速的单端行波测距算法研究[J]. 电力系统保护与控制, 2017, 45(8): 16−22. LI Zhenxing, WU Liqun, TIAN Bin, et al. Single- terminal traveling wave location algorithm based on amending wave velocity[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(8): 16−22.

[8] JIAO Xiangqing, LIAO Yuan. Accurate fault location for untransposed/transposed transmission lines using sparse wide-area measurements[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2016, 31(4): 1797−1805.

[9] Benato R, Sessa S D, Poli M, et al. An online travelling wave fault location method for unearthed-operated high-voltage overhead line grids[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2018, 33(6): 2776−2785.

[10] 杨晓丽, 舒勤. 基于单−双端行波测距原理的配网多端故障定位[J]. 电力系统及其自动化学报, 2018, 30(4): 91−96. YANG Xiaoli, SHU Qin. Distribution network fault location based on single-and double-end traveling wave distance measurement principle[J]. Proceedings of the CSU-EPSA, 2018, 30(4): 91−96.

[11] 伍国兴, 徐曙, 李勋, 等. 一种架空线: 电缆混合线路的组合行波测距方法[J]. 水电能源科学, 2017, 35(7): 186−188, 162. WU Guoxing, XU Shu, LI Xun, et al. A combined traveling wave fault location method of overhead line- cable hybrid line[J]. Water Resources and Power, 2017, 35(7): 186−188, 162.

[12] 齐郑, 杭天琦, 林健雄, 等. 含单相配电支路的配电网单相接地故障行波测距技术[J]. 电力系统自动化, 2018, 42(20): 144−149, 176. QI Zheng, HANG Tianqi, LIN Jianxiong, et al. Technology of traveling wave fault location on single phase-to-ground fault in distribution network with single-phase power supply lines[J]. Automation of Electric Power Systems, 2018, 42(20): 144−149, 176.

Analysis of key techniques for accurate fault location of high-speed railway full cable through line

JIN Zhongfu

(State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization (FSDI), Xi’an 710043, China)

High speed railway power transmission lines are all cable lines. If a fault occurs, the safety and reliability of railway transportation will be seriously threatened. Accurate fault location will greatly reduce the workload of fault finding and repair, shorten the maintenance time, and improve the reliability of high-speed railway power supply. This paper first introduced the current situation of fault location of power lines at home and abroad, then studied the principles of traveling wave ranging and the transmission and attenuation characteristics of traveling wave of all cable through lines, and analyzed the adaptability of traditional traveling wave ranging technology in fault location of all cable through lines. A distributed traveling wave ranging method was proposed, which can greatly reduce the transmission distance of fault traveling wave and effectively reduce the influence of attenuation and distortion in the process of traveling wave transmission. The research results show that the accurate location can be achieved for different types of fault traveling wave, different fault transition resistance and fault point in different positions. The practical application shows that the positioning accuracy is high and meets the requirements of precise positioning.

high speed railway; through line; all cable line; fault location; distributed traveling wave ranging

TM922.3

A

1672 − 7029(2021)03 − 0596 − 09

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20200393

2020−05−11

陕西省科技研究计划重点课题资助项目(2016GY-066)

靳忠福(1978−)，男，甘肃民勤人，高级工程师，从事铁路及城市轨道交通电力专业设计及相关研究工作；E−mail：jzflyh@163.com

(编辑 涂鹏)