CN118962516A - 电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离方法，步骤如下：根据变电所输入电压U_m、并联电阻R₀、绝缘电阻门槛下降系数L，计算压差比设定值A、差电流设定值B；采集各变电所分区内的正、负极对地电压和上、下行差电流的实时数据，若差电流≥B，则判定对应的上行或下行接地故障，计算压差比k，若k≥A则负极接地故障，若k≤‑A则正极接地故障；通过“逐一顺序”法或“二分选择”法来判定故障小分区位置；打开故障小分区两端的隔离开关对故障小分区进行隔离，变电所对故障小分区与电源之间的各小分区进行供电，闭合供电分区间的联络开关，由相邻变电所对故障小分区与相邻供电分区之间的各小分区进行供电。

Description

电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离 方法

技术领域

本发明涉及电气化公路直流供电系统保护领域，尤其是一种电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离方法。

背景技术

电气化公路是指在公路沿线设置电力牵引供电系统，具有让机动车辆在行驶过程中从牵引网获得持续驱动电能的道路，特征是为行驶中的车辆提供不间断电能。目前电气化公路直流供电系统采用直流1500V正、负极悬浮系统，正极接触网供电、负极接触网回流。

接触网正、负极对地绝缘电阻均达到数十兆欧，在其正常工作时，正、负极对地绝缘电阻相等或相差不大，对地电压也是相对平衡的。当发生单相单点接地故障时，其正极或负极对地电压发生变化，接地极对地电压降低，非接地极对地电压升高，供电可靠性将大大降低，此时还不会引起系统的次生故障，也不会对人员造成伤害。但是，如不及时处理，当系统发展至两点或多点接地故障，或非接地极又发生接地故障时，不仅会使机动车辆无法正常行驶，更有发生短路故障、造成人员伤亡的严重后果。

目前直流供电系统的单相接地故障监测中，有通过直接测量绝缘电阻的方式，也有采用平衡桥式监测电路的方式，其中，采用平衡电桥监测电路的方式更为普遍。但无论采用何种方法，对于直流系统发生单相接地的监测，均只能判断出发生故障的单极(正极或负极)以及具体的馈出回路，而无法判断出更加具体的接地点，从而无法做到有效地故障隔离。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离方法，实现对直流供电系统单相接地故障的有效监测、故障区段的最小化隔离，并最终快速恢复其它非故障区段的供电。

本发明通过以下技术方案实现该目的：

一种电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离方法，该方法适用于变电所供电分区内设有多个并联常闭电动隔离开关的分段绝缘、将每个供电分区间隔成若干个电气连通小分区的电气化公路直流供电系统，包括以下内容：

对各变电所分区内的正、负极对地电压和上、下行差电流的实时数据进行监测；

根据变电所输入电压U_m、并联电阻R₀、绝缘电阻门槛下降系数L(L表示正极或负极对地绝缘电阻下降至并联电阻R₀的倍数)计算压差比设定值A与差电流设定值B，其中U_m＝|U₊|+|U_-|，U+为供电电源正极电压，U-为供电电源负极电压， L取值范围为(0,1]；

根据采集各变电所分区内的正、负极对地电压计算压差比k，若k≥A则负极接地故障，若k≤-A则正极接地故障；

若上行差电流≥B，则上行接地故障，若下行差电流≥B，则下行接地故障；

在判断出故障分区所在为上、下行和正、负极后，利用“逐一顺序”法或“二分选择”法，选择对应的的隔离开关进行闭合、打开操作，逐步判定出最终的故障小分区；

“逐一顺序”法具体为：根据电动隔离开关在供电分区内的排列顺序，按照与变电所的距离，从远到近、逐一顺序分闸，将小分区逐一与供电分区隔离，故障区段对应为：若馈线断路器合闸后接地故障消失，则最后一个打开的电动隔离开关之后的小分区为故障小分区；若所有电动隔离开关逐一打开后接地故障仍不消失，则第一个小分区为故障区段；

“二分选择”法具体为：即操作时根据电动隔离开关在供电分区内的排列顺序，打开位于中间位置的电动隔离开关，将整个供电分区“一分为二”，分成电动隔离开关前、后两组，若馈线断路器合闸后接地故障消失，则故障小分区位于分闸电动隔离开关之后；否则，位于分闸电动隔离开关之前；经电动隔离开关的一轮“二分”操作判断出“二分之一”故障范围后，选择下一轮的操作范围，重复操作，直至“二分之一”故障范围对应为故障小分区；在每轮判断的循环中，当故障小区段位于断点后的“二分之一”故障范围时，需将已分闸电动隔离开关合闸，恢复原供电分区；故障区段对应为：若在“二分之一”故障范围对应为小分区的情况下，馈线断路器合闸后接地故障消失，则最后一个打开的电动隔离开关之后的小分区为故障区段；若馈线断路器合闸后接地故障不消失，则最后一个打开的电动隔离开关之前的小分区为故障区段；

打开故障小分区两端的隔离开关对故障小分区进行隔离，所在分区变电所对故障小分区与电源之间的各小分区进行供电，闭合与相邻变电所分区间的联络开关，由相邻变电所对故障小分区与相邻供电所供电分区之间的各小分区进行供电。

更进一步，“二分选择”法中每次操作的电动隔离开关与小分区数目N有关，而且对于小分区数目N满足2^C-1<N≤2^C时，最多操作次数均为C次，C＝Roundup(log₂ N，0)，Roundup为EXCEL向上舍入函数；对于小分区数量N满足2^C-1<N<2^C时，设置第(N+1)至第2^C的虚拟小分区，判定过程中操作步骤及对应的电动隔离开关均按照小分区数目N＝2^C处理。

更进一步，“二分选择”法的操作步骤具体如下：

S1，根据供电小分区数N计算最多操作次数C，C＝Roundup(log₂ N，0)；

S2，选择第1轮预操作的电动隔离开关的位置，即考虑虚拟电动隔离开关在内所有电动隔离开关，处于中间位置的电动隔离开关；

S3，打开对应馈线断路器；

S4，打开第m个电动隔离开关，对中间位置电动隔离开关进行第1轮操作；

S5，闭合对应馈线断路器；

S6，判断故障是否消失，判断为“否”时，至S7；判断为“是”时，至S12；

S7，得出结论“故障小分区在第m个电动隔离开关之前”；

S8，判断操作次数C是否小于2，即操作次数是否结束；判断为“否”时，至S9；判断为“是”时，至S11；

S9，选择下一轮预操作的电动隔离开关的位置；

S10，重新置位操作次数C，操作次数减少1次；

S11，得出结论“第m个故障小分区内故障”；

S12，得出结论“故障小分区在第m个电动隔离开关之后”；

S13，判断小分区数N是否等于本轮所操作的电动隔离开关编号m加1，即本轮操作的电动隔离开关是否是处于最后一个位置的电动隔离开关；判断为“否”时，至S14；判断为“是”时，至S20；

S14，判断操作次数C是否小于2，即操作次数是否结束；判断为“否”时，至S15；判断为“是”时，至S20；

S15，闭合第m个电动隔离开关；判断出故障小分区位于打开的电动隔离开关之后，进线下一轮操作前，闭合电动隔离开关；

S16，选择下一轮预操作的电动隔离开关的位置；

S17，重新置位操作次数C，操作次数减少1次；

S18，选择预操作的电动隔离开关的位置是否处于小分区数N之内，即是否为虚拟位置，大于等于小分区数N的为虚拟位置；判断为“否”时，至S19；判断为“是”时，至S4；

S19，本轮选择预操作的电动隔离开关的位置为虚拟位置，则退回上一轮操作的电动隔离开关的位置；

S20，得出结论“第m+1个故障小分区内故障”。

本发明还提供了一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，所述计算机程序/指令被处理器执行时实现所述的电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离方法的步骤。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离方法的步骤。

本发明还提供了一种电子设备，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现所述的电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离方法的步骤。

本发明还提供了一种电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离装置，该装置用于实施所述的用于电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离方法，包括：

输入模块，用于采集各变电所分区内的正、负极对地电压和上、下行差电流，进行实时数据监测；

A/D转换模块，将输入模块采集的数据信号转换后输入CPU处理器模块；

CPU处理器模块，根据输入模块采集的正、负极对地电压和上、下行差电流值判定是否发生接地故障，若发生接地故障则按照判定程序进一步判定发生故障小分区位置，并对故障小分区进行隔离处理；

输出模块，用于输出CPU处理器模块发出的指令至相应开关回路，操控电动隔离开关、馈线断路器的开合；

数据存储模块，用于存储采集及处理的数据信息；

通讯模块，用于连接PSCADA并传输数据；

显示模块，用于显示实时运行数据、查看事件记录及数据信息和各电动隔离开关、馈线断路器的开合状态。

相对于现有技术，本发明具有的有益效果为：

本发明提供一种电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离方法能够快速实现电气化公路发生单极接地的故障监测及范围确定，能够使电气化公路在发生单极接地故障后，最大范围地恢复供电。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

图1为本发明绝缘监测电路原理示意图；

图2为本发明电气化公路直流供电分区示意图；

图3为本发明直流供电系统单极接地故障区段隔离判断流程图；

图4本发明直流供电系统单极接地故障区段“逐一顺序”法判断流程图；

图5本发明直流供电系统单极接地故障区段“二分选择”法判断流程图。

图6本发明电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离装置结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本发明针对电气化公路直流供电系统的等效原理回路，利用平衡桥式绝缘监测原理，对绝缘监测回路的压差比、差电流给出了整定值建议，并在据此判定的直流供电分区、正、负极及上、下行的基础上，提出对既有电气化公路的直流供电优化分区进行单极接地故障的异常监测、故障隔离以及恢复供电。

在电气化公路直流供电系统中，直流正负极绝缘监测采用平衡桥回路，电路原理示意图如图1所示。

R₊：接触网正极对地绝缘电阻，正常时数值为MΩ级，且与R-相等；

R_-：接触网负极对地绝缘电阻，正常时数值为MΩ级，且与R+相等；

R₀：并联电阻，选取值为kΩ级；

则直流正极对地等效电阻为正常时R₀<<R₊，则R₀//R₊≈R₀；

直流负极对地等效电阻为正常时R₀<<R_-，则R₀//R_-≈R₀。

U_m：直流正负极间电压，电气化公路对应为1500V；

U₊：接触网正极对地电压，正常时R₊＝R_-，

U_-：接触网负极对地电压，正常时R₊＝R_-，

且U_m＝|U₊|+|U_-|。

压差比：

当直流供电系统发生正极单极接地故障，如正极绝缘下降直至R₊电阻值低于LR₀(0<L<1)，L为绝缘下降的门槛系数，即R₊≤LR₀，而负极绝缘正常，R_-电阻值仍远大于R₀，即R_->>R₀，

由于R->>R₀，则近似计算

即压差比时，对应正极对地绝缘电阻下降至并联电阻R₀的L(0<L<1)倍，判定正极单点接地。

同理，当直流供电系统发生负极单极接地故障，如负极绝缘下降直至R-电阻值低于LR₀(0<L<1)，L对应为绝缘下降的门槛系数时，即R_-≤LR₀，而正极绝缘正常，R₊电阻值仍远大于R₀，即R₊>>R₀，

由于R₊>>R₀，则近似计算

即压差比时，对应负极对地绝缘电阻下降至并联电阻R₀的L(0<L<1)倍，判定负极单点接地。

由此可知压差比与绝缘下降的门槛系数L有关，还与并联电阻R₀、非接地极对地的绝缘电阻弱相关。当非接地极对地的绝缘电阻为10MΩ及以上的20MΩ(依据TB/T3256-2014中，接触网对地绝缘电阻不低于20M，上下行绝缘电阻并联后，等效绝缘电阻按10MΩ考虑)时，不同的绝缘下降门槛系数L(表1中分别取0.8、0.5、0.3作为不同的示例值)，并联不同的并联电阻R₀，在接地极绝缘电阻电阻值低至不同的LR₀时，对应的压差比(精准计算((正极接地)、(负极接地))和近似计算((正极接地)、(负极接地))如下表1所示：

表1不同参数下对应的压差比精准计算值及接近计算值

I₀：并联电阻流过的电流，

I₊：电源正极(并联电阻R₀之后)流出电流，即接触网正极的输入电流，

I_-：电源负极(并联电阻R₀之后)流回电流，即接触网负极的输出电流，

I_d：差电流，

当正极绝缘下降直至R₊电阻值低于LR₀(0<L<1)时，即R₊≤LR₀，而负极绝缘正常，R_-电阻值仍远大于R₀，即R_->>R₀，

由于R_->>R₀，则近似计算

同理，当负极绝缘下降直至R_-电阻值低于LR₀(0<L<1)时，即R_-≤LR₀，而正极绝缘正常，R₊电阻值仍远大于R₀，即R₊>>R₀，

由于R₊>>R₀，则近似计算 考虑方向因素，

由此可知差电流除与正负极间电压U_m有关外，还与并联电阻R₀、绝缘下降的门槛系数L有关，与非接地极对地的绝缘电阻弱相关。当U_m＝1500V，非接地极对地的绝缘电阻为10MΩ时，不同的并联电阻R₀，在接地极绝缘电阻电阻值低至不同的LR₀时，对应的差电流I_d(精准计算(正极接地)、(负极接地)和近似计算)如下表2所示(正极接地时，电流方向为母线指向馈线；负极接地时，电流方向为馈线指向母线)：

表2不同参数下对应的差电流精准计算值及接近计算值

当压差比k超过设定值时，可判定发生正极或负极单极接地故障；再进一步监测上行或下行馈线开关的流互检测到差电流I_d，可判定上行或下行馈线发生接地故障。由此综合判断，可知上行或下行的正极或负极发生单极接地故障。

根据已选定的绝缘下降的门槛系数L、输入电压U_m、并联电阻R₀，计算出对应于压差比k的设定值为A、差电流I_d的设定值为B(由前面的表1、表2可知，精准计算和近似计算差异不大，所以判定过程选择近似计算数值)，单极接地故障判断流程如下：

S1，采集供电系统中各变电所分区的电流、电压值。包括直流正极对地电压U+、直流负极对地电压U-、上行馈线的差电流I_d上、下行馈线的差电流I_d下。

S2，根据输入的绝缘下降门槛系数L计算压差比k的设定值A。

S3，根据输入的绝缘下降门槛系数L、输入电压U_m、并联电阻R₀计算差电流I_d的设定值B。

S4，根据采集各变电所的直流正极对地电压U₊、直流负极对地电压U_-计算压差比k。

S5，判断上、下行馈线的差电流I_d上是否大于等于设定值B，若大于等于B则判定对应的上行或下行路线出现接地故障；判断压差比k是否大于等于设定值A，若k≥A，则负极接地，若≤-A，则正极接地。

据此可判断出接地故障所发生的直流供电分区、正或负极及上或下行。

为了缩小接地故障点的排查范围，快速、准确地检测到故障接地点，本发明提供一种电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离方法，用于排查出发生接地故障的小分区，并隔离该故障分区、恢复其它分区的供电。

为了解决单相接地故障影响范围的最小化，电气化公路直流供电系统变电所供电分区内设置多个并联常闭电动隔离开关的分段绝缘、将每个供电分区间隔成若干个电气连通的小分区，如图2所示。每个直流供电分区通过n个分段绝缘子分割为N个小分区，N＝n+1，同时每个分段绝缘并联电动隔离开关，正常时电动隔离开关闭合，保持电动隔离开关两端的小分区电气连通，即供电分区仍维持原供电范围；某个小分区内发生绝缘下降、单极接地故障时，打开两端电动隔离开关，实现故障小分区的隔离及其余小分区的正常供电。当供电所分区内的小分区数量小于绝缘子安装数量时，即每个小分区内包含多处绝缘子时，确定故障小分区并实现故障隔离、恢复其余小分区供电后，再对被隔离的故障小分区内安装的各处绝缘子进行逐一排查，实现接地故障的快速、精准定位。

目前，电气化公路直流供电分区范围不超过4km，且单边供电；接触网通过绝缘子按照约50m间隔悬挂于沿线支柱上。如果每个直流供电分区内设置80个左右绝缘子，那么该分区就存在80处左右潜在的接地故障点。

电气化公路的直流供电分区转化为若干个小分区后，首先根据压差比k及差电流I_d判断出发生接地故障的小分区、对应的直流母线正极或负极以及上行或下行。然后打开对应的馈线断路器CB，打开电动隔离开关GK，将电动隔离开关之后的小分区与电动隔离开关之前的供电分区隔离，再闭合馈线断路器CB。再次判断压差比k及差电流I_d，如果故障消失，则故障发生在分闸电动隔离开关GK的远离电源侧；如果故障仍存在，则故障发生在分闸电动隔离开关GK的临近电源侧。根据判断结果，反复操作，不断缩小分区范围，直至判断出故障所在的小分区。

对于变电所分区内电动隔离开关GK数量较少时，根据电动隔离开关GK在供电分区内的排列顺序，按照与变电所的距离，从远到近、逐一顺序分闸，将小分区逐一与供电分区隔离，故障区段对应为：馈线断路器CB合闸、接地故障消失，最后一个打开的电动隔离开关GK之后的小分区；当所有电动隔离开关GK均逐一打开，接地故障仍不消失，则第1个小分区为故障区段。

“逐一顺序”法判断流程如图4所示，步骤说明如下：

S1，对预操作的电动隔离开关GK的标号m赋初始值，初始值为直流供电分区中排序最后一位。N个小分区需设置N-1个电动隔离开关，排序最后一位的电动隔离开关为第N-1个电动隔离开关。赋m＝N-1。

S2，打开馈线断路器。

S3，打开第m个电动隔离开关GK。

S4，闭合馈线断路器。

S5，判断故障是否消失。若故障消失，则得出结论“故障小分区在第m个电动隔离开关GK之后”，得出结论“第m+1个故障小分区内故障”。

若故障未消失，则判断刚操作的电动隔离开关GK的标号m是否小于2。若小于2，则得出结论“故障小分区在第1个电动隔离开关GK之前”，“第1个故障小分区内故障”。

若为否(大于等于2)，则选择下一个预操作的电动隔离开关GK，对下一轮预操作的电动隔离开关GK的标号m向前一位，赋m＝m-1。

当变电所分区内的电动隔离开关GK数量较多时，根据电动隔离开关GK在供电分区内的排列顺序，打开位于中间位置的电动隔离开关GK，将整个供电分区“一分为二”，分成电动隔离开关GK前、后两组。当馈线断路器CB合闸后、接地故障消失时，则故障小分区位于分闸电动隔离开关GK之后；否则，位于分闸电动隔离开关GK之前。经电动隔离开关GK的一轮“二分”操作判断出“二分之一”故障范围后，选择下一轮的操作范围，重复操作，直至“二分之一”故障范围对应为小分区。只是在每轮判断的循环中，当故障小区段位于断点后的“二分之一”故障范围时，需将已分闸电动隔离开关GK合闸，恢复原供电分区。故障区段对应为：在“二分之一”故障范围对应为小分区的情况下，馈线断路器CB合闸、接地故障消失，最后一个打开的电动隔离开关GK之后的小分区；馈线断路器CB合闸、接地故障不消失，最后一个打开的电动隔离开关GK之前的小分区。该方法适用于分成数量较多的小分区模式。

“二分选择”法的操作流程如图6所示,步骤说明如下：

S1，根据供电小分区数N计算最多操作次数C，C＝Roundup(log₂ N，0)。

S2，选择第1轮预操作的电动隔离开关GK的位置，即考虑虚拟电动隔离开关在内(当时)所有电动隔离开关，处于中间位置的电动隔离开关GK。

S3，打开对应馈线断路器。

S4，打开第m个电动隔离开关GK。对中间位置电动隔离开关GK进行第1轮操作。

S5，闭合对应馈线断路器。

S6，判断故障是否消失。判断为“N”时，至S7；判断为“Y”时，至S12。

S7，得出结论“故障小分区在第m个电动隔离开关GK之前”。

S8，判断操作次数C是否小于2，即操作次数是否结束。判断为“N”时，至S9；判断为“Y”时，至S11。

S9，选择下一轮预操作的电动隔离开关GK的位置。

S10，重新置位操作次数C，操作次数减少1次。

S11，得出结论“第m个故障小分区内故障”。

S12，得出结论“故障小分区在第m个电动隔离开关GK之后”。

S13，判断小分区数N是否等于本轮所操作的电动隔离开关GK编号m加1，即本轮操作的电动隔离开关GK是否是处于最后一个位置的电动隔离开关GK。判断为“N”时，至S14；判断为“Y”时，至S20。

S14，判断操作次数C是否小于2，即操作次数是否结束。判断为“N”时，至S15；判断为“Y”时，至S20。

S15，闭合第m个电动隔离开关GK。判断出故障小分区位于打开的GK之后，进线下一轮操作前，闭合电动隔离开关GK。

S16，选择下一轮预操作的电动隔离开关GK的位置。

S17，重新置位操作次数C，操作次数减少1次。

S18，选择预操作的电动隔离开关GK的位置是否处于小分区数N之内，即是否为虚拟位置，大于等于小分区数N的为虚拟位置。判断为“N”时，至S19；判断为“Y”时，至S4。

S19，本轮选择预操作的电动隔离开关GK的位置为虚拟位置，则退回上一轮操作的电动隔离开关GK的位置。

S20，得出结论“第m+1个故障小分区内故障”。

判断并隔离出故障小区间后，即可实现其它供电小分区的供电。其它小分区的供电包括本分区供电和支援邻分区供电，恢复供电过程如下：

打开所在变电所分区馈线断路器，将故障小分区两端的电动隔离开关打开，闭合所在变电所分区馈线断路器，实现所在分区变电所对故障小分区与电源之间的各小分区的供电；打开相邻变电所分区馈线断路器，闭合与相邻两供电分区之间的联络开关后闭合邻变电所分区馈线断路器，实现相邻变电所对故障小分区与相邻供电所供电分区之间的各小分区的供电。

故，电气化公路直流供电系统单极接地故障区段隔离的判断流程如图3所示，具体如下：

S1，根据变电所输入电压U_m、并联电阻R₀、绝缘电阻门槛下降系数L计算压差比设定值A与差电流设定值B，其中U_m＝∣U₊∣+∣U_-∣，U₊为供电电源正极电压，U_-为供电电源负极电压，

S2，采集各变电所分区内的正、负极对地电压和上、下行差电流的实时数据，计算压差比k，

S3，初步判定接地故障分区的范围：

若上行差电流≥B，则上行接地故障，若下行差电流≥B，则下行接地故障，

若k≥A则负极接地故障，若k≤-A则正极接地故障；

S4，变电所分区内设有的隔离开关将供电分区间隔成多个小分区，初步判断故障分区所在的上行、下行及正极、负极后，利用“逐一顺序”法或“二分选择”法，选择对应的的隔离开关进行闭合、打开操作，直至确定最终的故障小分区；

“逐一顺序”法适用于直流供电分区内包含数量较少的小分区模式，“二分选择”法适用于直流供电分区内包含数量较多的小分区模式。对于本系统，每个直流供电分区内设置80处绝缘子、最大可包含79个小分区模式时，不同的故障小分区数对应的“逐一顺序”法的最多操作次数、“二分选择”的操作次数如下表3所示：

表3不同数量小分区采用“逐一顺序”法和“二分选择”法操作次数对比

“逐一顺序”法的操作次数并不确定，表格中所示的数据为故障小分区数N对应的最多操作次数，最终操作次数与故障发生的具体分区位置有关。按照各分区位置发生故障的概率相同计算，“逐一顺序”法的平均操作次数为故，建议N≤7时，采用“逐一顺序”法；N>7时，采用“二分选择”法。

S5，打开故障小分区两端的隔离开关对故障小分区进行隔离，所在分区变电所对故障小分区与电源之间的各小分区进行供电，闭合与相邻变电所分区间的联络开关，由相邻变电所对故障小分区与相邻供电所供电分区之间的各小分区进行供电。

下面结合具体的案例对本发明做进一步说明。

电气化公路直流供电系统牵引变电所输入电压U_m＝1500V，非接地极对地绝缘电阻满足标准的10MΩ，并联电阻R₀＝60kΩ，在电气化公路的直流供电分区设置11个电动隔离开关GK，从而将直流供电分区转化为12小分区后，如在第10个小分区上行发生正极接地故障，正极对地绝缘电阻下降至20kΩ时，这故障区段判定过程如下：

正极对地绝缘电阻R₊下降为20kΩ，并联电阻R₀＝60kΩ时，

负极对地绝缘电阻R_-假定为满足标准的10MΩ，并联电阻R₀＝60kΩ时，

测得的正极对地电压U₊为U₊＝301.4V，

测得的负极对地电压U_-为U_-＝-1198.6V，

测量结果推算出的压差比为

测得的接触网上行正极输入电流I₊为I₊＝15.1mA，

测得的接触网上行负极输出电流I_-为I_-＝-0.1mA，

测量出的上行差电流I_d＝I₊+I_-＝15.1-0.1＝15mA。

根据输入电压U_m＝1500V，并联电阻R₀＝60kΩ，绝缘电阻门槛下降系数L设定为计算得到

根据上述内容得出压差比k(-0.60)小于设定值-A(-0.50)，上行差电流Id(15mA)大于设定值B(12.5mA)，判定上行发生正极接地故障。

然后按照“二分选择”法评定故障区段的具体位置，该供电分区由11个电动隔离开关GK将供电分区划分为12小分区，即小分区数N＝12，满足“二分选择”法，操作次数C为Roundup(log₂12,0)＝4次。第13-16小分区在判定程序中虚拟存在，操作步骤按照N＝16的考虑。

按照“二分选择”法判断程序执行过程中(其中12-15电动隔离开关GK及对应的13-16小分区虚拟存在)，共进行4次计算，实际执行3次电动隔离开关GK分闸操作，并根据每次GK操作后故障是否消失进行故障区域的判断。

第1步：根据16个小分区选定第8个电动隔离开关GK进行开合操作，断开该开关后故障消失，则判定故障区段在该开关之后，闭合该开关；

第2步：选定第12个电动隔离开关GK进行开合操作，因该开关为设置的虚拟开关，不需要进行开合操作，则故障区段在第12个电动隔离开关GK之前；

第3步：选定第10个电动隔离开关GK进行开合操作，断开该开关后故障未消失，则判定故障区段在该开关之前；

第4步：开合第9个电动隔离开关GK，断开该开关后故障消失，则判定故障区段在该开关之后。

由此判定出故障小分区为第9、10个电动隔离开关GK之间的第10个小分区。

判断并隔离出故障小分区后，就进行其它供电小分区的供电，包括本分区供电和支援邻分区供电，故障小分区编号为10，该小分区前后的第9、10个电动隔离开关GK分闸，其余电动隔开开关合闸，实现所在变电所分区对小分区1-9的供电。闭合连接小分区12与相邻变电所分区的联络开关，实现相邻变电所分区对小分区11、12的供电。

本发明还公开了一种电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离装置，如图6所示，包括输入模块、A/D转换模块、CPU处理器模块、数据存储模块、输出模块、通信模块及显示模块。输入模块与A/D转换模块连接。输入模块、A/D转换模块、CPU处理器模块、数据存储模块、输出模块、通信模块及显示模块间采用通用协议总线连接。通信模块采用以太网。

输入模块采集正、负极对地电压和上、下行差电流的实时数据，信号经过A/D转换模块转换后输入CPU处理器模块，CPU处理器模块按照故障判定逻辑流程对数据进行分析处理，判断接地故障发生的范围、分区，并发出相应的指令至输出模块，输出模块将来自CPU处理器模块的指令信号输出至相应开关回路，操控电动隔离开关、馈线断路器，完成故障小分区的隔离以及其余小分区的恢复供电。同时将事件信息通过以通信模块上传至PSCADA。数据存储模块用于存储输入模块采集的实时数据和CPU处理器模块处理的数据。显示模块显示本装置的工作状态、电压、电流、设备运行状态、功能投退等运行信息，可调看事件信息、自检信息等数据。

以上通过实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的示例性实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。本发明的保护范围由权利要求书限定。凡利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，在本发明的实质和保护范围内，设计出类似的技术方案而达到上述技术效果的，或者对申请范围所作的均等变化或改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离方法，该直流供电系统的供电分区内设置多个并联常闭电动隔离开关的分段绝缘，将每个供电分区间隔成若干个电气连通小分区，其特征在于，包括以下内容：

对各变电所分区内的正、负极对地电压和上、下行差电流的实时数据进行监测；

根据变电所输入电压U_m、并联电阻R₀、绝缘电阻门槛下降系数L计算压差比设定值A与差电流设定值B，其中U_m＝|U₊|+|U-|，U+为供电电源正极电压，U-为供电电源负极电压，L取值范围为(0,1]；

根据采集的正、负极对地电压计算压差比k，若k≥A则负极接地故障，若k≤-A则正极接地故障；

若上行差电流≥B，则上行接地故障，若下行差电流≥B，则下行接地故障；

在判断出故障分区所在为上、下行和正、负极后，利用“逐一顺序”法或“二分选择”法，选择对应的的隔离开关进行闭合、打开操作，逐步判定出最终的故障小分区；

“逐一顺序”法具体为：根据电动隔离开关在供电分区内的排列顺序，按照与变电所的距离，从远到近、逐一顺序分闸，将小分区逐一与供电分区隔离，故障区段对应为：若馈线断路器合闸后接地故障消失，则最后一个打开的电动隔离开关之后的小分区为故障小分区；若所有电动隔离开关逐一打开后接地故障仍不消失，则第一个小分区为故障区段；

“二分选择”法具体为：即操作时根据电动隔离开关在供电分区内的排列顺序，打开位于中间位置的电动隔离开关，将整个供电分区“一分为二”，分成电动隔离开关前、后两组，若馈线断路器合闸后接地故障消失，则故障小分区位于分闸电动隔离开关之后；否则，位于分闸电动隔离开关之前；经电动隔离开关的一轮“二分”操作判断出“二分之一”故障范围后，选择下一轮的操作范围，重复操作，直至“二分之一”故障范围对应为故障小分区；在每轮判断的循环中，当故障小区段位于断点后的“二分之一”故障范围时，需将已分闸电动隔离开关合闸，恢复原供电分区；故障区段对应为：若在“二分之一”故障范围对应为小分区的情况下，馈线断路器合闸后接地故障消失，则最后一个打开的电动隔离开关之后的小分区为故障区段；若馈线断路器合闸后接地故障不消失，则最后一个打开的电动隔离开关之前的小分区为故障区段；

打开故障小分区两端的隔离开关对故障小分区进行隔离，所在分区变电所对故障小分区与电源之间的各小分区进行供电，闭合与相邻变电所分区间的联络开关，由相邻变电所对故障小分区与相邻供电所供电分区之间的各小分区进行供电。

2.根据权利要求1所述的一种电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离方法，其特征在于，“二分选择”法中每次操作的电动隔离开关与小分区数目N有关，而且对于小分区数目N满足2^C-1<N≤2^C时，最多操作次数均为C次，C＝Roundup(log₂ N，0)，Roundup为EXCEL向上舍入函数；对于小分区数量N满足2^C-1<N<2^C时，设置第(N+1)至第2^C的虚拟小分区，判定过程中操作步骤及对应的电动隔离开关均按照小分区数目N＝2^C处理。

3.根据权利要求2所述的一种电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离方法，其特征在于，“二分选择”法的操作步骤具体如下：

S1，根据供电小分区数N计算最多操作次数C，C＝Roundup(log₂ N,0)；

S2，选择第1轮预操作的电动隔离开关的位置，即考虑虚拟电动隔离开关在内所有电动隔离开关，处于中间位置的电动隔离开关；

S3，打开对应馈线断路器；

S4，打开第m个电动隔离开关，对中间位置电动隔离开关进行第1轮操作；

S5，闭合对应馈线断路器；

S6，判断故障是否消失，判断为“否”时，至S7；判断为“是”时，至S12；

S7，得出结论“故障小分区在第m个电动隔离开关之前”；

S8，判断操作次数C是否小于2，即操作次数是否结束；判断为“否”时，至S9；判断为“是”时，至S11；

S9，选择下一轮预操作的电动隔离开关的位置；

S10，重新置位操作次数C，操作次数减少1次；

S11，得出结论“第m个故障小分区内故障”；

S12，得出结论“故障小分区在第m个电动隔离开关之后”；

S13，判断小分区数N是否等于本轮所操作的电动隔离开关编号m加1，即本轮操作的电动隔离开关是否是处于最后一个位置的电动隔离开关；判断为“否”时，至S14；判断为“是”时，至S20；

S14，判断操作次数C是否小于2，即操作次数是否结束；判断为“否”时，至S15；判断为“是”时，至S20；

S15，闭合第m个电动隔离开关；判断出故障小分区位于打开的电动隔离开关之后，进线下一轮操作前，闭合电动隔离开关；

S16，选择下一轮预操作的电动隔离开关的位置；

S17，重新置位操作次数C，操作次数减少1次；

S18，选择预操作的电动隔离开关的位置是否处于小分区数N之内，即是否为虚拟位置，大于等于小分区数N的为虚拟位置；判断为“否”时，至S19；判断为“是”时，至S4；

S19，本轮选择预操作的电动隔离开关的位置为虚拟位置，则退回上一轮操作的电动隔离开关的位置；

S20，得出结论“第m+1个故障小分区内故障”。

4.一种计算机程序产品，包括计算机程序/指令，其特征在于，所述计算机程序/指令被处理器执行时实现如权利要求1-3任一所述的电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离方法的步骤。

5.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-3任一所述的电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离方法的步骤。

6.一种电子设备，其特征在于，包括处理器、存储器及存储在所述存储器上并能够在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如权利要求1-3任一所述的电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离方法的步骤。

7.一种电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离装置，其特征在于，该装置用于实施如权利要求1-3任一所述的用于电气化公路直流供电系统单相接地故障监测及故障区段隔离方法，包括：

输入模块，用于采集各变电所分区内的正、负极对地电压和上、下行差电流，进行实时数据监测；

A/D转换模块，将输入模块采集的数据信号转换后输入CPU处理器模块；

CPU处理器模块，根据输入模块采集的正、负极对地电压和上、下行差电流值判定是否发生接地故障，若发生接地故障则按照判定程序进一步判定发生故障小分区位置，并对故障小分区进行隔离处理；

输出模块，用于输出CPU处理器模块发出的指令至相应开关回路，操控电动隔离开关、馈线断路器的开合；

数据存储模块，用于存储采集及处理的数据信息；

通讯模块，用于连接PSCADA并传输数据；

显示模块，用于显示实时运行数据、查看事件记录及数据信息和各电动隔离开关、馈线断路器的开合状态。