高速鐵路高壓電纜屏鎧接地在線智能監(jiān)測(cè)裝置研究

李建民

(鄭州鐵路局　新鄉(xiāng)供電段， 河南新鄉(xiāng) 453000)

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高速鐵路高壓電纜屏鎧接地在線智能監(jiān)測(cè)裝置研究

李建民

(鄭州鐵路局新鄉(xiāng)供電段， 河南新鄉(xiāng) 453000)

針對(duì)京廣高鐵高壓電纜檢修中發(fā)現(xiàn)的外護(hù)套破損造成的絕緣電阻下降且故障點(diǎn)查找困難的問(wèn)題，研制了高壓電纜屏鎧接地在線智能監(jiān)測(cè)裝置。該裝置采用真有效值測(cè)量法，實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)運(yùn)行高壓電纜的金屬護(hù)層電流，實(shí)現(xiàn)了高壓電纜故障的早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早處理。裝置成品已經(jīng)在京廣高鐵鶴壁東等牽引變電所投入運(yùn)行，效果良好。

高壓電纜； 屏鎧接地； 在線智能監(jiān)測(cè)； 真有效值測(cè)量

隨著我國(guó)高速鐵路的發(fā)展，大量的高壓供電電纜被采用，高壓電纜作為牽引供電系統(tǒng)的主導(dǎo)電回路，埋在地下，看不見(jiàn)摸不著，其絕緣狀態(tài)的好壞直接威脅著高鐵的安全運(yùn)行。如在京廣高鐵高壓電纜檢修中，發(fā)現(xiàn)了幾起高壓電纜外護(hù)套破損造成的絕緣電阻下降缺陷，但缺陷的查找非常困難。為了保證京廣高鐵供電的可靠安全，及時(shí)發(fā)現(xiàn)高壓電纜在運(yùn)行中出現(xiàn)的隱患，并做到超前防范，提出一種真有效值測(cè)量法實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)運(yùn)行高壓電纜的金屬護(hù)層電流的方法，并研制出高壓電纜屏鎧接地在線智能監(jiān)測(cè)裝置。通過(guò)實(shí)時(shí)連續(xù)地監(jiān)測(cè)運(yùn)行高壓電纜的金屬護(hù)層電流，分析預(yù)測(cè)電纜本體的故障趨勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了高壓電纜故障早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早處理，從根本上避免高壓電纜故障的發(fā)生，保障高壓電纜安全可靠的運(yùn)行。

1　監(jiān)測(cè)原理

我國(guó)高速鐵路使用的27.5 kV單芯高壓電纜，全部采用屏蔽層和鎧裝層一端接地的方式。當(dāng)牽引電流流過(guò)單芯電纜時(shí)，電纜周圍產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，形成與電纜回路相交鏈的磁通，電纜金屬屏蔽層和鎧裝層將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小由通過(guò)高壓電纜的電流大小、電纜排列方式和電纜長(zhǎng)度共同決定。此時(shí)，如果高壓電纜外護(hù)套破損，將形成屏蔽層或鎧裝層的兩點(diǎn)接地，則屏蔽層或鎧裝層就會(huì)出現(xiàn)很大的環(huán)流，其大小可以反映電纜外護(hù)層絕緣狀態(tài)，通過(guò)對(duì)高壓電纜屏蔽層和鎧裝層接地電流的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)高壓電纜外護(hù)套破損故障。其監(jiān)測(cè)原理如圖1所示。

圖1　監(jiān)測(cè)原理

2　監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

電纜屏鎧絕緣在線監(jiān)測(cè)裝置由屏鎧電流監(jiān)測(cè)采樣、CT感應(yīng)取電、在線監(jiān)測(cè)邏輯判斷等幾個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成。其構(gòu)成示意圖如圖2所示。

本裝置中取電CT，負(fù)責(zé)從高壓電纜上感應(yīng)電流，對(duì)蓄能超級(jí)電容進(jìn)行充電，為整個(gè)測(cè)量前端進(jìn)行供電。電流采樣CT，將屏鎧的接地電流轉(zhuǎn)換成模擬測(cè)量信號(hào)，經(jīng)真值-有效值轉(zhuǎn)換電路，將采樣CT取得的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楹推溆行е党烧鹊闹绷麟妷骸D轉(zhuǎn)換部分負(fù)責(zé)將信號(hào)調(diào)理部分輸出的直流電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，單片機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行整定值對(duì)比，當(dāng)測(cè)量結(jié)果大于整定值時(shí)(或接收到上位機(jī)的定時(shí)查詢指令)，通過(guò)無(wú)線通信模塊、通信前置機(jī)將在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)綘恳╇姷乩硇畔⑾到y(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電流顯示，存儲(chǔ)，查詢統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)打印等，并與安全生產(chǎn)管理指揮系統(tǒng)無(wú)縫融合。

上述各系統(tǒng)組件分別封裝在3個(gè)鋁制防水盒內(nèi)，分別稱為：測(cè)量部、電源部和處理部，測(cè)量部、電源部安裝在高壓電纜上，處理部安裝在牽引變電所內(nèi)。

3　影響測(cè)量精度的關(guān)鍵技術(shù)及其解決方案

3.1屏鎧接地電流的精確提取

本裝置使用電流互感器采集27.5 kV高壓電纜屏蔽層和鎧裝層的接地電流。由于被測(cè)量信號(hào)是交流電壓信號(hào)，如果將其直接送單片機(jī)A/D進(jìn)行處理，會(huì)增大系統(tǒng)誤差，因此需要將采集的電流信號(hào)進(jìn)行有效的處理。考慮到電流中可能含有高次諧波引起的電流波形畸變，所以本系統(tǒng)采用專用真有效值芯片AD637進(jìn)行有效值的測(cè)量，相比普通整流式測(cè)量方法，可有效克服小信號(hào)帶來(lái)的測(cè)量誤差，大大提高了電流波形畸變情況下的測(cè)量精度。AD637的真值-有效值轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

為了防止運(yùn)行中電流互感器二次開(kāi)路造成的危險(xiǎn)，該電流互感器采用內(nèi)部灌封取樣電阻、電壓輸出開(kāi)口式結(jié)構(gòu)，不僅杜絕了二次開(kāi)路的可能性，而且也方便檢修中隨時(shí)插拔采樣插頭。

3.2電源供給

高壓電纜均在野外沿高速鐵路線路輔設(shè)，幾乎無(wú)外部電源可引入，由于27.5 kV高壓電纜是牽引供電系統(tǒng)的主導(dǎo)電回路，當(dāng)有高速列車通過(guò)時(shí)，主回路中就有較大的牽引電流，因此，選擇采用電流感應(yīng)電源(CT取電)解決電源問(wèn)題。考慮到使用壽命和維護(hù)工作量小的需要及可能出現(xiàn)的導(dǎo)線電流不足的現(xiàn)象，使用超能電容為儲(chǔ)能元件，并將電流感應(yīng)電源的電壓信號(hào)引入通信終端，實(shí)現(xiàn)感應(yīng)電源工況的智能監(jiān)視。

通過(guò)高壓電纜的負(fù)荷電流比較特殊，當(dāng)線路上沒(méi)有列車運(yùn)行時(shí)，流過(guò)的電流幾乎為零，當(dāng)接觸網(wǎng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，流過(guò)高壓電纜的短路電流可達(dá)數(shù)千安培。該電源設(shè)計(jì)主要考慮線路上沒(méi)有高速列車運(yùn)行時(shí)，要能保證裝置的正常運(yùn)行，有列車運(yùn)行時(shí)要盡量多的采集能源，當(dāng)接觸網(wǎng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，要有足夠的保護(hù)措施，保證裝置不發(fā)生過(guò)壓擊穿損壞。CT取電原理圖如圖4所示。

圖4　取電CT原理圖

正常情況下，取電CT直接從高壓電纜電流中感應(yīng)出交流電壓，通過(guò)平波電抗、全波整流轉(zhuǎn)換后，在穩(wěn)壓電容上得到較穩(wěn)定的直流電壓Uc，再通過(guò)LC濾波和DC-DC轉(zhuǎn)換模塊變換成5 V的電源，對(duì)蓄能超級(jí)電容進(jìn)行充電。當(dāng)接觸網(wǎng)線路發(fā)生短路故障時(shí)，取電CT深度飽和，感應(yīng)電壓和感應(yīng)電流都大幅度上升，在取電CT和整流橋之間的位置加入平波電抗L，可以分擔(dān)絕大部分取電CT感應(yīng)的高電壓，并限制取電CT的電流輸出，同時(shí)，與穩(wěn)壓電容并聯(lián)的TVS泄放電路在電壓高壓6 V時(shí)擊穿，限制了電壓升高，保證了在發(fā)生短路時(shí)的設(shè)備不出現(xiàn)故障。

當(dāng)線路上沒(méi)有高速列車通過(guò)時(shí)，首先由蓄能超級(jí)電容進(jìn)行供電，大約維持系統(tǒng)運(yùn)行2 h，當(dāng)蓄能超級(jí)電容所存儲(chǔ)的電能使用完備后，啟用后備電池進(jìn)行供電，后備電池能累計(jì)供電3 000 h，保證系統(tǒng)長(zhǎng)期可靠運(yùn)行。

3.3數(shù)據(jù)的傳輸

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集后，如何有效的進(jìn)行傳輸是關(guān)鍵。為降低造價(jià)，不可能鋪設(shè)有線的通信電纜或光纜進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，又因系統(tǒng)電源功率有限，也不可能采用遠(yuǎn)距離大功率無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。如果采用移動(dòng)通信GPRS網(wǎng)絡(luò)，將會(huì)產(chǎn)生額外的運(yùn)行費(fèi)用。為了解決上述矛盾，本系統(tǒng)采用了低功耗無(wú)線數(shù)據(jù)級(jí)聯(lián)傳輸。

27.5 kV高壓電纜一般均是牽引變電所、分區(qū)所、AT所的上網(wǎng)饋線，其單節(jié)長(zhǎng)度最大不超過(guò)800 m，若上網(wǎng)點(diǎn)距離變電所較遠(yuǎn)，則采用電纜分接箱進(jìn)行級(jí)聯(lián)。因此,本裝置采用基于擴(kuò)頻調(diào)制的無(wú)線級(jí)聯(lián)傳輸模式，設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)洁徑臓恳冸娝蔂恳冸娝ㄟ^(guò)鐵路局域網(wǎng)傳輸?shù)焦╇姸握{(diào)度中心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸。

4　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)高壓電纜在運(yùn)行中經(jīng)常發(fā)生外護(hù)套破損造成絕緣電阻下降的問(wèn)題，成功研制了高壓電纜屏鎧接地在線智能監(jiān)測(cè)裝置。該裝置在不影響27.5 kV高壓電纜屏鎧接地正常運(yùn)行的情況下，能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)高壓電纜屏蔽層、鎧裝層接地電流。目前該裝置已在鄭州鐵路局鄭州、新鄉(xiāng)兩供電段京廣高鐵牽引變電所投入使用。2013年9月該裝置成功測(cè)試京廣高鐵鄭州東牽引變電所鄭-新上行3#饋線電纜分接箱T線高壓電纜鎧裝層接地問(wèn)題，2015年7月又成功測(cè)試京廣高鐵衛(wèi)輝牽引變電所211F1、212F1、213T2高壓電纜鎧裝層接地電流，滿足現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的需要，且性能穩(wěn)定，監(jiān)測(cè)精度高，無(wú)需引接外部供電，接線簡(jiǎn)單，施工方便，從而實(shí)現(xiàn)高壓電纜故障的早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)警、早處理，保障了高壓電纜安全可靠的運(yùn)行。

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Research of On-line Intelligent Monitoring Device for High-voltage Screened Armour Cable Grounding in High-speed Railway

LIJianmin

(Power Supply Section of Xinxiang, Zhengzhou Railway Bureau, Xinxiang 453000 Henan, China)

Aiming at the insulation resistance decrease and fault point finding problem because of the outer sheath broken in High-voltage cable maintenance of Beijing-Guangzhou High-speed rail, we developed on-line intelligent monitoring device for High-voltage screened armour cable grounding. The device adopts the method of measuring true effective value, real-time monitors metal sheath current in running high-voltage cable, realizes the early discovery, early warning, early treatment of the high voltage cable fault. The devices has been put into operation in traction substations of Beijing-Guangzhou high-speed rail, such as Hebi and so on, the result is good.

High-voltage cable; screened armour grounding; on-line intelligent monitoring; true effective value measurement

1008-7842 (2016) 04-0051-03

??)男，高級(jí)工程師(

2016-01-28)

U223.5+1

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.12