重载铁路自动化技术的实现及线路保护与故障检测.pdf

收稿日期:2 0 2 3-0 2-1 9重载铁路自动化技术的实现及线路保护与故障检测杨戈辉(国能新朔铁路有限责任公司,内蒙古 鄂尔多斯 0 1 7 0 0 0)摘 要:重载铁路的供电系统已经大范围地将配电自动化系统纳入实际应用中。铁路运输对信号设备、接触网设备等一、二级用电负荷提出较高要求,供电系统的稳定性直接影响到上述设备的使用工况。文章阐述了重载铁路自动化技术的实现与线路保护方式,针对重载铁路牵引供电系统中常见的故障检测方法进行探讨与分析。关键词:重载铁路;线路保护;故障检测 中图分类号:U 2 7 9.2 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 76 9 2 1(2 0 2 3)1 30 1 1 10 2 现代电气化铁路运输中最重要的就是供用电设备,电能是重载铁路运输过程中必须使用到的重要能源,合理分配电能及变压器容量有利于提高运输的效率和行车安全等级。作为能够控制电能流向及开断的自动化控制系统,需要多个基础学科的冗余配合。当前,在重载铁路运输系统中还有很多没有解决的问题,例如实现变配电所的无人化值守,解决人工重复简单的操作等,近年来,我国科学技术一直在不断进步,重载铁路配电自动化技术得到了良好的推广应用,极大地推动了我国的重载铁路事业的发展。1 重载铁路电压需求及自动化技术发展现状在我国电气化铁路的发展历程上,电力的正常持续供应直接决定了电力机车能否正常通行,基于此就要保证电力的供应是稳定且可靠的,减少因非正常操作造成的异常停电现象,保证平稳且持续质量良好的供电效果。无论是铁路主要的牵引供电线路还是贯通自闭线路,他们所需的电压要求不高,一般都处于市县级供电网络的末端,不需要广义上的1 1 0 k V高压送电,常见的利用1 0 k V或3 5 k V变配电所就能够满足使用需求,随着我国铁路行业的快速发展,高速铁路等国家级项目的应用落地,也会存在高压变配电所的实施应用,但供电等级方面不存在技术性的壁垒,依旧可以满足行业发展需要,从重载铁路的运行线路图和电力机车的性能上来看,线路一般设置在地势较平缓,坡度较缓的地带,这也就导致供电连接线路相对是单一的,从理论上减少了复杂供电线路形成,从根本上便于线路的维护保养,这也就导致了变配电所和线路中间开闭所可以按照经验进行设置。配电所综合自动化直至今日还在不断大力发展,其系统着重采用微电子计算机和通信技术的结合方式,达到了资源和信息共享的目的,也就导致其内部是由硬件电路和其他常规类型的二次设备组成,在一定程度上缩减了配电所的使用面积。我国的科技制造业在不断迈向新的台阶,芯片制造产业呈高速发展趋势,综合自动化系统使用的微处理器和集成电路的生产成本也在降低,工业控制用计算机的性能同比有了较大的性能提升,间接降低了配电所的一次性资金投入。2 重载铁路自动化技术的实现与线路保护方式铁路配电自动化的实现,可以将系统整体分为管理层、通信层和间隔层3个层级,这3个方面各有分工,其中管理层主要是对整个系统的工作状态负责,主要检测工作状态指标是否处于良好及允许的范围内,分析并决策系统中出现的问题,保障整个通信系统的运行状况是流畅可行的;而通信层处于管理层和间隔层之间,属于两个层级之间信息交流的通信员,将其需要传递的重要信息往复交换,确保信息通信高效准确。间隔层的工作重点是被执行机构即远方的终端装置,确保装置能够被正确处理,及时解决需要处理的问题,保障整个系统运行正常。前述3个层级解释了自动化技术系统层之间的信息交流,而人机交互使得整个自动化系统实现设备的管理管控,当人工操纵计算机进入自主运行模式之后,根据配置情况,其显示器可以在系统底层或者顶层实现所内设备运行参数的显示功能,针对日常的巡视工作,工作人员需要按照规章制度对显示1112 0 2 3年7月内 蒙 古 科 技 与 经 济J u l y 2 0 2 3第1 3期 总第5 2 7期I n n e r M o n g o l i a S c i e n c e T e c h n o l o g y&E c o n o m yN o.1 3 T o t a l N o.5 2 7器屏幕进行观察,确保设备状态,检查显示器上是否有存在危险性告警及日常性提示。综合自动化系统的层级及功能与控制所内的上级电力调度系统有相似的作用,将系统获得的设备输出信号及控制状态输出至电力调度中心,电力调度人员获得及时准确地监测信息,针对工作需求进行设备控制,实现基础的关键操作,对设备及管理水平的提升都有很大的帮助作用。变配电自动化技术最重要的一点就是为了使继电保护装置更加可靠,由于全线速动的需要,电力系统的线路普遍采用以光纤为通信通道的线路电流差动保护作为主保护。光纤电流差动保护简称光差保护,其保护原理建立在基尔霍夫电流定律的基础之上,具有良好的选择性,能快速地切除保护区内的故障,长期以来对其的研究一直不断。下面简单介绍两种保护的常见类型。集中保护是针对所内高压开关柜的保护,此类型的保护形式能够反馈于主控室的保护屏中。而分散保护是指将各设备的数据处理之后的就地保护模式,把需要关注的重要数据传输到控制室。在供电可靠性及稳定性方面,要将延时时长控制在1.5 s以内,对故障线路的切除也要做到稳、准。维护保持整个系统的安全性。在工程应用中,集中保护将系统信息集中处理,庞大数据量及突发事件的发生易造成中央控制计算机的故障,变相冲击二次系统的可靠性。随着今日工业自动化及测控技术的不断发展下,系统的配置及选择也变得富有多样性,设备的功能也日渐成熟,保护装置的分散式传播也可以为集中保护提供必要的支撑,及时解决其出现的难点与痛点。3 故障检测方法近年来,国家大力提倡“公转铁”政策,对铁路运输行业也有了更高的要求,铁路运输有它独特的优势,保证铁路运输最重要的一点就是保证其供电可靠性,要保证供电系统发生问题时,能够快速查明故障原因,迅速恢复供电能力。配电系统自动化技术大幅度解决了上述问题,例如在实际应用中,正常运行的电力机车会产生谐波电流,谐波电流对于供电系统的危害巨大,增加变压器的铜损,造成振动、绕组附加发热。下文将会对目前主要应用的故障检测方法进行介绍,分别为:注入信号法、零序电流法、暂态功率方向法。3.1 注入信号法可在重载铁路正常的供电系统中注入一个较为特殊的电流信号作为标记,当故障发生时,可检测特殊信号状态来判断故障发生点的位置,例如谐振接地类型的故障检测。注入信号法是一种常用的检测方法,在系统建设之初需要安装可拆卸式或固定式的信号检测仪器,当配电系统发送出相关的信号时,信号检测仪器能够在一定范围精确判断故障所在位置,这种方式极大程度上使得技能操作人员在专业设备的帮助下方便快捷地完成故障类型及其故障点的分析判断。如若系统发生接地性故障,需要将零序信号电源加入故障系统,根据是否探测到该信号进行故障选线和定位,探测完成后,将零序诊断信号源从系统中退出。信号电流与故障电流相比小得多,同时故障线路中仍有符合电流流通。相比于负荷电流,注入信号电流小得多,单相接地故障电流和符合电流均由工频及其各次谐波构成,为此,必须采取适当的措施探测该信号,针对选择的注入信号,应当使探测器能够灵敏且精确的探测。3.2 零序电流法零序电流法顾名思义就是对于零序电流的检测,对于出现故障的位置进行精确锁定。在综合自动化保护测控屏中可以轻松读取零序电流数值,数值的情况也可以在一定程度上帮助我们得知故障和问题的所在。同时应用这种方式的一大优势是操作简单,只需要读数加以分析和判断,在一定程度上提升了故障判断效率和处理时效。当配电线路出现一些问题的时候,难以非常快速的反应,便可以采用零序电流法。3.3 暂态功率方向法暂态功率方向法的一大优势就是在进行计算的过程之中不用在中性点投入电阻,也不用给系统输入信号,所以也就不会对于系统中性点的运行方式造成影响。暂态功率方向法在铁路供电系统中,首先需要人为分析和计算,找到方向,再通过获得的方向选择方式方法解决。这样的方法不需要多余的检测信号投入使用,但是需要其他很多辅助设备,这种方法在一定程度上会减缓故障查找的效率与进度。在实际应用中,线路检测与故障定位,存在故障信号读数不大、故障接地形式复杂多变的情形,其稳态数值随实际状况发生非预期变化,波形随机多变,导致理论可行的故障识别方法及故障定位精度不是很高,针对现实情况的故障定位研究有更高效的判别方式,比较在同样的零序电压输入工况下,采用零序电流的瞬时功率法更实用。考虑接地情况,国内的配电系统主要分为中性点经消弧线圈接地和中性点不接地两种情况。对于没有发生故障的配电线路,功率方向由母线流向线路,则有功功率方向是前向的;(下转第1 1 6页)211总第5 2 7期内 蒙 古 科 技 与 经 济表5 电导率测量不确定度分量汇总不确定度来源相对标准不确定度/(m S/c m)电导率测量测量重复性引入0.0 5 9电导率标准物质引入0.0 0 6 表6 酸碱浓度测量不确定度分量汇总 单位:%不确定度来源1%N a OH/%3%N a OH/%1%H2S O4/%3%H2S O4/%测量测量重复性引入u1 r0.8 20.5 60.6 70.4 9标准物质引入u2 r0.1 50.1 50.1 50.1 5标准物质取样量引入u3 r0.0 90.0 90.0 90.0 9溶液质量引入u4 r0.0 0 0 60.0 0 0 90.0 0 0 50.0 0 0 74.4 扩展不确定度评定取包含因子k=2。相对扩展不确定度计算结果为:电导率:U=0.1 2 m S/c m;1%N a OH:Ur e l=1.7%;3%N a OH:Ur e l=1.2%;1%H2S O4:Ur e l=1.4%;3%H2S O4:Ur e l=1.0%。5 结论目前买到的标准物质计量单位为m o l/L,仪器又是按百分比显示,因此需要单位的换算。换算步骤非常繁琐,且容易出错,希望有条件的标准物质研制单位,尽快研制计量单位为百分比的标准物质,方便各类人员的使用。从表4测量结果表中可以看出1%N a OH测量点相对示值误差为3.8%;3%N a OH测量点相对示值误差为2.0%;1%H2S O4测量点相对示值误差为7.3%;3%H2S O4测量点相对示值误差为-2.1%。因用于校准的仪器的溶液氢氧化钠为3.7 5%,硫酸为4.6 5%。因此可以看出,选择与被测量点相接近的酸或者碱进行仪器的校准,再进行测量可以得到更好的测量结果。从表6酸碱浓度测量不确定度分量汇总表可以看出酸碱浓度监测仪的测量不确定度主要来源于仪器测量重复性、标准物质定值及标准物质取样量。溶液质量引入的不确定度可以忽略。电导率测量不确定度主要来源于重复测量引入的不确定度。酸碱浓度检测仪是采用电极法测量酸碱浓度的,可引起电导率浓度变化的物质均会干扰测量结果。参考文献1 傅家乐,石玮.酸碱浓度计校准方法的探讨J.计量测试与技术,2 0 1 8,4 5(6):9 3-9 4.2 全国法制计量管理计量技术委员会.测量不确定度评定与表示:J J F 1 0 5 9.12 0 1 2S.北京:中国标准出版社,2 0 1 2.(上接第1 1 2页)当配电线路发生故障时,功率方向是由线路流向母线,则有功功率方向是反向的。经上述分析可知,配电线路是否发生故障的零序暂态功率方向是相反的。在重载铁路供电系统的故障处理环节上,在维系基本故障判断原理的基础上,也要积极利用国内外先进的科技手段,满足我国重载铁路不断发展的新需求。4 结束语随着近年来的发展及“公转铁”政策的不断深化,铁路运输在交通运输行业显得愈发重要。自动化系统及作为保障铁路供电的重要设备,其对所需的二次设备采取系统层级的组合和优化之后再进行深度处理,其与继电保护装置的结合使用,使得牵引供电领域的稳定性与可靠性有了大幅度提升,但不乏有故障的产生,分析探讨故障出现的方式及查找故障的方法,在一定程度上做到了信息化手段与常规思维的结合,在重载铁路相关技术发展的今天,逐渐有了平衡供电,贯通式同相供电等新兴供电技术的产生,但逐其根本都离不开先进的自动控制技术,学习国内外成熟的应用经验,也能够对我国的铁路发展事业带来极大的帮助。参考文献1 王明飞.浅谈铁路配电所综合自动化技术J.城市建设理论研究(电子版),2 0 1 8(5):6 9.2 刘建华.配电自动化在铁路供电系统中的应用J.电子技术与软件工程,2 0 1 7(2):1 3 3-1 3 4.3 王悦,吕晓君.采用零序瞬时功率方向法的配电故障线路定位研究J.科技与企业,2 0 1 5(1 9):2 1 0.4 张慧芬,潘贞存,田质广,等.基于注入法的配电网接地故障检测方法J.济南大学学报(自然科学版),2 0 0 4(2):1 6 4-1 6 8.611总第5 2 7期内 蒙 古 科 技 与 经 济