城轨回流系统轨地绝缘故障定位仿真与特征分析

李彬

摘要：当前，我国正处于城市轨道交通快速发展时期，对于轨道交通运行的安全性和可靠性的要求越来越高。轨地绝缘局部破损会导致大量回流电流泄漏，形成杂散电流，对轨道交通自身和周边埋地金属管线造成电化学腐蚀，为系统安全运行带来巨大隐患，如何实现轨地绝缘故障定位逐渐受到重视。本文分析行波折射与反射过程，基于行波理论开展轨地绝缘故障定位研究。在ATP仿真平台下搭建包含轨道、均回流电缆、绝缘破损点等元件的绝缘局部破损模型进行仿真，分析轨地绝缘故障波特征，并基于短时傅里叶变换分析不同位置绝缘破损的故障波时频特性。

关键词：城市轨道交通；绝缘故障；行波定位；ATP仿真；短时傅里叶变换

1引言

城市轨道交通在运行过程中不可避免的出现各类故障，轨道绝缘局部损坏是回流系统典型的故障之一[1]。虽然在轨道交通运行初期，高成本高技术的轨道绝缘拥有良好的性能，但随着运行时间增加，由于自然原因的老化以或其他原因，轨道绝缘可能出现破损。而城市轨道交通普遍采用直流牵引供电、走行轨回流的方式，当轨地绝缘出现破损时，大量回流电流从走行轨泄漏至周边介质，形成杂散电流，不仅会对系统自身轨道、扣件、主体结构钢筋造成电化学腐蚀，降低结构强度，还会对周边埋地金属管线造成电化学腐蚀，导致管道腐蚀穿孔，对轨道交通及周边埋地管线系统带来极大安全隐患[2，3]。由于沿线轨道长，轨地绝缘薄弱或破损点隐蔽，如何准确有效的实现轨地绝缘故障点定位成为轨道交通供电安全的重要保障。

当前，轨地绝缘情况评价方法为轨地过渡电阻测试，但轨地过渡电阻仅能反映一个区段的平均绝缘情况[4]。由于轨道交通线路各部分的地质结构不同，使用的绝缘扣件的绝缘阻值也不尽相同，所以线路各点的绝缘阻值也不一致，轨地绝缘发生破损时，往往呈现单点化，例如某个扣件的绝缘破损。这致使轨地过渡电阻无法有效反映小范围内绝缘破损情况。因此，有必要对轨地绝缘故障定位方法开展研究。

本文通过分析行波折射与反射过程，基于行波理论开展轨地绝缘故障定位研究。在ATP仿真平台下搭建包含轨道、均回流电缆、绝缘破损点等元件的绝缘局部破损模型进行仿真，分析轨地绝缘故障波特征，并基于短时傅里叶变换分析不同位置绝缘破损的特性。

2行波定位法测轨地故障距离原理

在实际轨道交通回流系统中，包含多个短线路，若相邻两段线路的波阻抗不相同，则行波在传播到波阻抗不连续的点时会发生反射和折射。行波在波阻抗不连续的点发生折射与反射的原理图如图1所示[5]。

图1行波的折射与反射过程

假设节点A为波阻抗不连续的点，A点左侧线路的波阻抗为Z1，右侧线路的波阻抗为Z2，u1q为入射波，u1f为反射波。当输入直流电后，有一个与电源电压相同的电压波将沿波阻抗为Z1的线路向节点A传播，到达节点A遇到波阻抗为Z2的线路，由于在节点A处两侧的波阻抗不连续，故入射波u1q到达节点A处要发生折射和反射，反射波u1f从节点A沿线路Z1返回传播，折射后形成的折射波u2q从节点A沿线路Z2继续向前传播。

基于行波的折射与反射特性，本文基于C型行波定位法实现轨地绝缘故障定位。该原理是从故障线路一端注入脉冲信号，同时在该端安装检测装置检测该信号的反射波信号，通过确定检测到的脉冲信号在故障点与测量点间往返的时间与已知的行波波速来计算线路始端和故障点之间的距离以确定故障发生位置。

图2C型行波定位法测距原理图

如图2所示，AB代表一条钢轨线路，其中A为线路首端，B为线路末端。假设节点S为线路AB的故障点，在A点注入脉冲信号，其中表示行波信号从A点到S点往返一次的时间，表示波速。那么信号从首端到故障点位置的时间是行波传播整个过程时间的一半，而这个时间与行波的传播速度的乘积便是线路首端到故障点的距离，即（为故障点到首端的距离）：

（1）

由公式可知，行波信号在线路首端和故障点之间往返所需要的时间，以及行波传播的速度便是C型行波定位法的关键，确定这两者便可确定故障点的位置。

3行波法故障波仿真与时频特征分析

本文利用ATP仿真软件搭建轨道绝缘局部损坏仿真模型。假设线路轨道长度为6km。模拟线路上预设均流电缆的间距为400m，回流电缆的间距为2000m。在进行仿真时，在线路的首端输入宽度为1，幅值为100V的电压脉冲信号。因为根据内奎斯特采样定理规定，检测装置的采样频率设置为100MHz。

由于钢轨离地面有一定的距离，且道床混凝土有一定厚度，根据《地铁杂散电流腐蚀防护技术规程》规定：位于钢轨下面的道床素混凝土层的厚度不宜小于0.4m，取d=0.4m[6]。轨道等效半径取考虑肌肤效应时取R=0.106m。根据波阻抗的公式：

（2）

代入参数计算后波阻抗的取值为70Ω。

取每段均流电缆的长度为2m，波阻抗约为20Ω；取回流电缆的长度为100m，波阻抗为70Ω。它们的分布参数为：电感L0=1.228×10-4mH/m，电容C0=3.296×10-4uF/m。局部绝缘损坏的位置依在距离首端4500km处，绝缘故障处接地极电阻为0。建立包含轨道、均流电缆、回流电缆、绝缘故障点等元件的仿真模型如图3所示。

图3回流系统轨地绝缘故障仿真模型

（a）正常运行时仿真波形（b）绝缘损坏后仿真波形

图4故障前后仿真波形

对比两图难以直接发现故障点的具体位置，利用ATP软件对故障波与正常绝缘时波形做相减运算。图5为两波形进行相减运算后的波形。

图5相减后波形

从图5中，很容易看出波形第一个畸变点的位置，并且对应的时间点为t=0.05206ms。在0.05206ms前的时间里电压相减值为零，说明行波在故障点之前的线路中反射波是与正常运行时的反射波相同的。但在t=0.05206ms时波形发生畸变，表明该点为故障反射波的点。根据公式（1）得：

所得的4508.6m与预先设置的4500m相差8.6m。

（a）线路正常运行（b）线路故障运行

图6不同情况的频谱图Y-Z视图

存在轨地绝缘故障时波形复杂，而在实际系统中，若无线路绝缘正常时的行波注入波形，可利用实际波形的时频特征分析来判断故障位置。本文利用短时傅里叶变换分析故障波的时频特征。连续时间信号s（t）的短时傅里叶变换的数学表达式为：

（3）

式中为窗函数；对于时间函数s（t）有

，为内积点。

线路正常运行与故障运行情况下的频谱图如图6所示，不同位置出现故障时的频谱特征如图7所示。

（a）1000m故障（b）2000m故障

图7不同位置故障的频谱特征

由于故障点距离测量点很近，受均流线影响较小且同时不受回流线影响，反射波在两个之间往返时间短、次数多，所以1000m故障和2000m故障的频谱图的能量宽度分布均匀有规律，因此，可以通过能量带的宽度计算故障点的范围。

基于不同位置发生故障后故障波的频谱特征，在广州市轨道交通十三号线首期工程温涌路~新塘区间，区间长度约6.9km，试点应用此理论对轨地绝缘故障定位。

4总结

本文针对城市轨道交通普遍存在的轨地绝缘故障定位方法进行研究，基于行波理论开展轨地绝缘故障，并在ATP仿真平台下搭建回流系统模型，分析轨地绝缘故障波特征，确定绝缘破损点位置。同时，基于现场实际线路轨地绝缘正常波难以获得的特点，直接分析不同位置发生故障后故障波的频谱特征，以实现通过能量带宽度确定故障点范围。

参考文献：

[1]孟絮絮，张栋梁，袁志昌.城市轨道交通轨地绝缘破损时杂散电流解析分析[J].城市轨道交通研究，2017，20（11）.

[2]秦亚玲.直流牵引供电系统杂散电流的危害[J].科技创新与应用，2016（3）：175-175.

[3]杜贵府.直流牵引供电系统回流安全关键技术研究[D].中国矿业大学，2017.

[4]张栋梁，高强，阳建林，等.城市轨道交通供电区间过渡电阻在线测量方法的研究[J].铁道机车车辆，2012，32（3）：96-99.

[5]孙铖.基于行波原理的微网保护策略研究[D].北京交通大学，2017.

[6]CJJ49-92，地铁杂散电流腐蚀防护技术规程[S].