牵引变电所接地网故障诊断研究

 牵引变电所接地网故障诊断研究 牵引变电所接地网故障诊断研究

董秀国

摘 要：牵引变电所接地网对电气化铁路安全运营具有重要意义，本文基于CDEGS软件建立电气化铁路牵引供电系统仿真模型，结合模糊判据分析和贴近度计算提出了接地网故障诊断算法及故障点定位方法，并验证了该算法的正确性，为牵引变电所内接地状态在线评估提供了参考。

关键词：牵引变电所接地网；CDEGS；模糊判据；故障定位

0 引言

电气化铁路利用钢轨、大地作为主要回流通路，在列车正常运行时，牵引变电所接地网流过较大的负荷电流[1]。当牵引网发生短路接地故障或雷电电流经接地网时，可能会导致接地网导体因发热或大电流电动力而断裂，接地网缺陷将威胁供变电设备运行安全及人身安全。

目前，牵引变电所接地网故障诊断常用方法是停电抽样开挖。该方法存在较大的盲目性，工作量大、速度慢，易受现场运行条件的限制，通常不能精准高效地判断断点，且由于需牵引变电所长时间停电，影响电气化铁路的正常运营。因此，开展电气化铁路牵引变电所接地网故障诊断及不停电状态下接地网运行状态评价方法的研究十分必要。

为了在不停电和不开挖情况下实现接地网故障诊断，国内外学者进行了大量研究。1986年，Dawalibi等人提出了通过检测接地网地表磁场进行故障诊断的方法[2]，但由于变电所环境较为复杂，存在大量干扰，难以通过电磁场进行精确的故障诊断；国内学者提出采用电阻分析法进行接地网故障诊断[3～5]，但通常情况下测得的接地引下线数据数量小于接地网导体数量，需要对欠定方程进行求解，且接地引下线电气参数对接地网各段导体电阻变化的灵敏度较低。

本文基于模糊判据分析与贴近度计算解析地表电位分布，提出在不停电、不开挖情况下牵引变电所内接地网故障诊断与定位方法，可用于变电所接地状态的在线评估。

1 牵引供电系统建模

以带回流线的直接供电方式为例，在CDEGS软件的HIFREQ模块中建立电气化铁路牵引供电系统仿真模型。HIFREQ模块可以计算地上和地下空间中导体的电流、电场、磁场和电势，其计算频率可以从0 Hz到几十MHz。该模块可提供多层土壤结构环境模型，使仿真模型更加贴近工程实际。

1.1 牵引变电所建模

采用HIFREQ工程模块提供的单相变压器模型构建牵引变压器模型，参数如表1所示。

表1 牵引变压器模型参数

参数取值 容量/MV·A40 变比220/27.5 短路阻抗/%8.4

牵引变电所接地网如图1所示，接地网参数如表2所示。

图1 牵引变电所接地网平面结构示意图

表2 接地网参数

类别参数取值 水平主接地网面积150m×150m 导体材料镀锌扁钢 导体间距/m20 垂直接地导体长度/m2.5 导体材料镀锌扁钢 导体间距/m7.5或15 接地网等效阻抗/W0.3

1.2 牵引网建模

带回流线的直接供电方式下，电气化铁路牵引网各导线空间分布如图2所示。牵引网导线的选型及参数选择依据为TB/T 2809-《电气化铁道用铜及铜合金接触线》[6]、TB/T 3111-《电气化铁道用铜及铜合金绞线》[7]、TB/T 2937-1998《电气化铁道铝包钢芯铝绞线》[8]。各导线型号如表3所示。

陈毕伍：在去年的启动仪式上，我们发出倡议：力争用三年时间，把“平安西江”打造成平安交通建设综合性示范项目，把西江打造成“安全、畅通、绿色、高效”的航运大通道。随着行动开展过半，我们要善于总结成绩、正视困难、着眼发展，为实现“平安西江”的最终目标，我再次向大家发出倡议，希望西江流域各市可以共同推动共建“平安西江”再上新台阶。

图2 牵引网导线空间分布

表3 导线型号

导线类别型号 承力索JTMH95 接触线CTMH120 回流线LBGLJ-185/10 吸上线YJV-150

1.3 钢轨建模

依据TB/T 3276-《高速铁路用钢轨》[9]，选择P60铁路标准钢轨，具体参数如表4所示。

表4 钢轨参数（P60）

参数名称取值 规格/(kg·m-1)60 单位质量/(kg·m-1)60.35 截面/cm277.08 计算半径/mm109.1 有效内阻/(W·km-1)0.135 等效半径/mm12.79

2 接地网地表电位仿真分析

为了研究接地网故障对接地网地表电位的影响，针对典型故障对接地网地表电位大小、分布情况进行分析。接地网导体原等效半径为0.021 m。图3所示为故障点位置，图4为无故障时地表电位分布图，图5为导体断裂时地表电位分布图。

这间工作室是一个长方形的大开间，大约七八十平方米。室内的灯光显得有些昏暗，里面的摆设也非常简单，一眼望去，所有的东西就尽收眼底了。靠门的左手边堆放着一些还没来得及处理的锯末和碎木屑，右手边是两个大立柜，里面整齐地码放着一堆堆用纸包着的块状物。经过江平的介绍，霍铁才知道这些块状物有的是白蜡，有的是石蜡，都是制作蜡像的材料。

图3 故障点位置

图4 无故障时地表电位分布

图5 导体腐蚀断裂时地表电位分布

由图4和图5可知，当导体断裂时，接地网地表电位出现较为明显的降低，故障导体上方电位从37.4 V下降至35.5 V。

3 接地网故障诊断

基于模糊判据提出接地网故障诊断算法，对接地网地表电位采用模糊判据进行故障点定位。

3.1 模糊判据

模糊判据是用于度量2个模糊集合关系密切程度的一种方法，取值范围为[0，1]，取值越接近0，表明2个集合的距离越大，关系越稀疏；取值越接近1，表明2个集合的距离越小，关系越密切。运用模糊判据计算接地网上方地表实时电位分布的模糊贴近度，计算步骤如下：

（1）设接地网上方地表电位实测数据的分布矩阵为

（1）

式中，xnm为接地网正上方标记为第n行第m列的地表电位实测值。

（2）对地表电位实时分布矩阵内数据元素进行规范化处理。均值化处理：

然而由于制造工艺等种种原因,弹性结构无法做到理想的对称,导致传感器的输入输出并非是理想的线性关系[14],因而该种方法的误差会相对大一些。

（2）

（3）

极差化处理：

（4）

式中，

；max(xj)为第j列的最大值；min(xj)为第j列的最小值。

2.3 病虫防控 遭受霜冻以后树势下降，植株抗病能力也会下降，死枝烂叶更是一些病菌良好的滋生基地，尤其是夏季高密度的冠层给病害提供了迅猛发展的条件。因此，病虫害防控需要强化。

（3）电位实时分布数据与数据库样本的模糊贴近度计算。

设接地网上方地表电位实时分布矩阵为

，数据库样本为

，则地表实时电位分布与数据库样本的模糊贴近度计算式为

（5）

（6）

式中，

为第k行地表参比电极实时测量电位的平均值；f为定值，取值为1。

试验所得数据运用SPSS Statistics 19.0进行统计分析，作图运用Origin 8.0软件。

3.2 接地网故障诊断与定位

使用模糊判据对图3所示故障进行故障定位。分别进行横向与纵向导体上方地表电位数据分块，再将正常工况与故障工况对应的数据子集进行贴近度计算，根据择远原则，贴近度最低的部分即为导体故障区段。通过模糊判据，可算得故障接地网横向导体与纵向导体电位数据与正常接地网横向导体与纵向导体电位数据贴近度。其中接地网横向导体划分如图6实线所示，分为11行，10列，共计110段导体；纵向导体划分如图7实线所示，分为10行，11列，共计110段导体。

首先，影响产品价格浮动的因素有很多，如产品成本、市场需求等，而影响产品成本的因素又包含了原材料、技术研发、人力、物流等等，随着技术升级，生产率提高，产品成本自然呈现下降趋势；另一方面，考虑到省空间、美观需求、集多功能于一体、多件套价格等因素，越来越多的消费者认为购买嵌入式一体机更实用、更合适，市场需求加大，更多企业开始研发生产嵌入式一体机产品。因此，成本降低、供应增加，产品均价下降；消费升级，需求提升，零售量大幅增长。

图6 接地网横向导体

图7 接地网纵向导体

故障接地网横向导体与纵向导体电位数据与正常接地网横向导体与纵向导体电位数据贴近度如表5，表6所示。

表5 接地网横向导体电位数据贴近度

列行12345678910 10.895 90.88770.87950.87780.89150.88670.87680.77540.26880.2388 20.89730.89480.89230.88990.87940.88870.89220.76930.27410.2057 30.878 90.88780.89670.88790.88610.87450.84990.82390.72690.6920 40.882 90.88980.89670.89710.89660.8810.86780.88660.87890.8559 50.886 90.88590.88490.87090.89070.87770.87670.89920.88920.8698 60.902 30.89680.89130.89290.88480.88670.89110.87890.89980.8779 70.884 60.88790.89120.88880.87890.88020.87080.87090.88790.8765 80.883 40.88560.88780.89130.88610.88150.85340.88670.87890.8813 90.907 00.89670.88640.89010.88590.88990.88360.88260.87970.8817 100.884 60.88790.89120.89030.88960.89010.87990.88690.88950.8879 110.894 30.89230.89030.89560.88890.89120.88240.87990.88960.8796

表6 接地网纵向导体电位数据贴近度

列行1234567891011 10.85520.86950.87880.83670.85980.79800.83850.83210.76500.36730.2139 20.87650.89880.98540.89030.88970.87520.85720.88880.68500.32300.2228 30.89320.88760.89880.88790.87690.86810.87430.84680.87990.79550.7814 40.87920.86590.87520.86960.89720.89620.87110.85590.85580.87890.8850 50.89410.89670.89710.88760.88070.89110.86610.86770.86540.88510.8636 60.88740.88350.86780.88730.87490.86840.87310.85490.85280.86680.8709 70.89230.89450.89790.87690.88890.88870.87020.87030.86090.85530.8750 80.87990.89540.88750.89090.89030.87590.85190.85970.89340.86960.8828 90.846 10.87960.86660.88690.88820.89680.87030.85290.83500.87970.8868 100.829 20.871 70.856 20.884 90.887 20.907 30.879 50.849 50.805 80.884 80.887 0

根据表5与表6可知，横向导体数据贴近度在第1行的第9、10列和第2行的第9、10列处仅为0.268 8、0.238 8、0.274 1和0.205 7，纵向导体数据贴近度在第1行的第10、11列和第2行的第10、11列处仅为0.367 3、0.213 9、0.323 0和0.222 8，明显低于1，说明测试电极第1行的第9、10列和第2行的第9、10列区域下的横向导体以及第1行的第10、11列和第2行的第10、11列区域下的纵向导体发生故障，实际故障位置如图8所示。

本文提出了一个自然问答系统，对于事实性问题，它能够生成完整自然语言句子形式的答案。首先获得大量的问题答案对，并将其与知识库进行对齐，为模型训练提供数据基础。然后提出了基于全局知识表示的两阶段答案生成模型。对于一个问题，第一阶段基于全局知识表示匹配想对应的事实三元组；第二阶段结合匹配事实和问题利用序列学习模型分别从前向和后向两个方法生成答案句子。在公开数据集的实验结果表明了该方法的有效性。未来计划从下面两个方向扩展现有的工作：(1)回答复杂的问题，它不仅需要检索多个事实，各个事实之间可能具有更复杂的结构；(2)设计更加灵活的模型纳入更多的外部资源(文本等)。

图8 实际故障位置

4 结语

为了在不停电和不开挖情况下对牵引变电所接地网进行故障诊断及定位，本文建立了牵引变电所接地回流系统仿真模型，分析了接地网故障对接地网地表电位的影响。通过模糊判据分析和贴近度计算，提出了接地网故障诊断算法，并验证了该故障诊断及故障定位方法的有效性，为牵引变电所内接地状态在线评估提供了参考。

参考文献：

[1] 李群湛，贺建闽. 牵引供电系统分析[M]. 西南交通大学出版社，.

[2] Dawalibi. Electromagnetic Fields Generated by Overhead and Buried Short Conductors Part 2 - Ground Networks[J]. Power Engineering Review IEEE, 1986, PER-6(10):33-34.

[3] 王硕. 中大型变电站接地网腐蚀优化诊断的研究[D].重庆大学，.

[4] 刘洋. 变电站接地网缺陷诊断方法和技术的研究[D]. 华北电力大学（河北），.

[5] 许磊. 基于电网络理论的接地网故障诊断方法研究[D]. 华北电力大学，.

[6] 国家铁路局. TB/T 2809- 电气化铁道用铜及铜合金接触线[S]. 北京：中国铁道出版社，.

[7] 国家铁路局. TB/T 3111- 电气化铁道用铜及铜合金绞线[S]. 北京：中国铁道出版社，.

[8] 中华人民共和国铁道部. TB/T 2937-1998 电气化铁道铝包钢芯铝绞线[S]. 北京：中国铁道出版社，1998.

[9] 国家铁路局. TB/T 3276-高速铁路用钢轨[S]. 北京：中国铁道出版社，.

Abstract:The earthing network for traction substation has great significance to the safety operation of electrified railway, the paper establishes the simulation model for electrified railway on the basis of CDEGS software, puts forward the calculation methods for earthing network faults and methods for fault location with connection fussy judgment analysis and proximity calculation, and the correctness of the calculation is verified, providing references for online assessment of earthing status inside the traction substation.

Key words: Earthing network in traction substation; CDEGS; fussy judgment; fault location

DOI：10.19587/ki.1007-936x..02.003

中图分类号：U226.5

文献标识码：B

文章编号：1007-936X()02-0008-04

收稿日期：-12-27

作者简介：董秀国.中国铁路济南局集团有限公司供电部，高级工程师。