一體化鐵路管型母線智能監測預警系統研究

李 濤，杜鵬程，劉 浩

（山東泰開電纜有限公司，山東 泰安 271000）

0 引 言

牽引變電所是高速鐵路能源的供給者。牽引變電所管型母線是能源供給的重要高壓部件，其絕緣性能的好壞直接影響牽引變電所的供電能力，對保障高速鐵路的安全運行起著至關重要的作用[1]。由于管型母線長期運行于惡劣環境，它的絕緣性能降低或損壞又不易被運行人員所知，進而帶病運行，最終造成重大安全事故[2-3]。因此，研究了一體化鐵路管型母線智能監測預警系統，以監測管型母線自身的絕緣狀態。當管型母線自身絕緣性能下降或存在安全隱患時，監測預警系統可準確發出預警信息。該智能監測預警系統的應用，提高了鐵路牽引變電所供電的可靠性，帶來了巨大的經濟效益和社會效益。

1 系統結構

一體化鐵路管型母線智能監測預警系統采用分層分布式結構，主要由數據采集層、數據處理層及運維管理組成，系統架構如圖1所示。

圖1 一體化鐵路管型母線智能監測預警系統結構圖

1.1 數據采集層

數據采集層由監測傳感器和監測裝置兩類設備組成。

監測傳感器用于完成信號量的變換。本系統中監測傳感器主要有微電流傳感器、局放脈沖電流傳感器及預埋式光纖溫度傳感器三種，分別完成主絕緣泄露電流的變換、局放信號的捕獲及管型母線溫度的測量[4]。

監測裝置包括絕緣監測裝置和溫度測量裝置。絕緣監測裝置用于監測主絕緣的泄露電流、系統電壓及局放信息等，并折算出主絕緣的介質損耗、容性電流、電容量、局放強度及局放頻度。絕緣監測裝置將監測信息通過現場總線上傳至數據處理層[5]。溫度監測裝置通過測量光纖傳感器傳輸的光信息，折算出管型母線的實際運行溫度，并將監測溫度信息通過現場總線上傳至數據處理層。

1.2 數據處理層

數據處理層由監測預警IED和所端通信管理機組成。該層用于完成監測數據收集、監測信息綜合處理、運行狀態評估及風險預警，并將監測信息、運行狀態信息及預警信息通過通信管理機上傳至所屬供電段的運維管理系統。

1.3 運維管理層

運維管理層由運維管理系統服務器組成。該層用于完成變電所各類監測系統數據的收集和管理，可在各類預警信息發生時診斷存在的問題，從而為運行管理人員提供必要的處理方案。

2 系統組成及監測內容

該系統由微電流監測傳感器、局放監測傳感器、溫度監測傳感器、主絕緣監測裝置、溫度監測裝置、監測預警IED及通信管理機（跟綜自系統共用）組成。

系統監測內容主要包括三方面。

（1）主絕緣監測裝置的監測內容為母線電壓和頻率、主絕緣泄露電流、主絕緣介質損耗、主絕緣電容量、主絕緣容性電流、局放強度及局放頻度等[6]。

（2）溫度監測裝置的監測內容為管母運行溫度等。

（3）監測預警IED完成的功能為：上傳實時監測量；主絕緣性能下降預警；主絕緣破壞預警；管母運行異常預警；監測數據管理；預警SOE時間記錄；預警信息發布等。

3 系統功能實現方案

3.1 主絕緣監測

管型母線的內屏蔽層采用一點接地，其接電線穿過監測用泄露電流傳感器和脈沖局放監測用傳感器；主絕緣監測裝置同時測量泄露電壓和系統母線電壓，利用DFT計算基頻電流和電壓的相位、幅值；計算介質損耗角；采用投影法計算容性電流Ic，折算出電容量。至此，實現了母線電壓、頻率、主絕緣泄露電流、容性電流、介質損耗和電容量的測量。

主絕緣監測裝置監測脈沖局放監測用傳感器輸出的脈沖信號，并測量脈沖強度，從而監測局放強度；對單位時間內脈沖的個數進行計數，從而監測局放發生頻度。

3.2 運行溫度監測

光纖溫度傳感器采用一種和光纖折射率相匹配的高分子溫敏材料涂覆在二根熔接在一起的光纖外面，使光能由一根光纖輸入該反射面然后從另一根光纖輸出。由于這種新型溫敏材料受溫度影響折射率發生變化，因此輸出的光功率與溫度呈函數關系。本系統采用預埋光纖溫度傳感器，使溫度傳感器與管母金屬導電部分緊密接觸，感知最真實的管母溫度。管母溫度監測裝置實時測量光纖傳感器輸出的光功率，并通過算法折算出管母的實際運行溫度。

3.3 主絕緣性能下降預警

泄露電流、容性電流、介質損耗及電容量都能反映主絕緣的運行狀態。當這些變量變化時，預示主絕緣的性能發生下降。本系統根據國網公司容性設備狀態評價導則的規范要求，對每個監測量設置兩級預警定值。當監測量發生越限時，系統發出預警信息，并建立SOE事件記錄。

3.4 主絕緣破壞預警

局放的發生意味著管母的主絕緣老化，并存在放電通道。隨著放電頻度的增加，局放產生的局部高溫加速了主絕緣的劣化，此時若不采取措施，一旦形成固定的放電通道，主絕緣將遭到破壞。本系統采用監測放電強度和放電頻度實現預警。系統設置放電強度兩級預警（警示和告警），一旦越限，將發出告警信息并建立SOE時間記錄。

系統放電頻度預警信息為嚴重預警信號，設置兩級預警：第一級警示存在穩定的放電現象；第二級警示主絕緣已受損壞，放電已頻繁發生。放電頻度兩級預警一旦發生，系統實時發出告警信息并建立SOE事件記錄。

3.5 管母運行異常預警

負載一定時，正常運行的管母的發熱和散熱最終會達到熱平衡，運行溫度會穩定在一個正常范圍。一旦管母的發熱量增加，熱平衡溫度超過極限值，則預示管母運行存在異常。本系統實時監測管母的運行溫度，采用兩級預警：第一級警示管母溫度即將到達極限（1.1倍額定負載的熱平衡溫度）；第二級警示管母溫度超越極限（1.2倍額定負載的熱平衡溫度）。一旦預警產生，系統實時發出告警信息并建立SOE事件記錄。

4 接口方案

4.1 主絕緣監測裝置（室外安裝）接口

本系統采用一體化設計，就地安裝。監測裝置內置微電流傳感器、脈沖放電電流傳感器及監測主板。管母內屏蔽的一點接地線需采用一匝穿芯方式穿過監測傳感器輸入套管。系統母線PT二次輸出應接入監測裝置。監測裝置電源設置兩線接線端子，接入AC220 V或DC220 V、DC110 V電源。當不具備外接電源時，采用太陽能供電模式。監測裝置采用RS485或無線通信接口上傳數據，通信協議采用標準MODBUS協議。

4.2 溫度監測裝置（室外安裝）接口

溫度傳感器由管母廠家預埋。溫度監測裝置配置4路光纖接口，可同時接入4路傳感器[7]。

4.3 監測預警IED（室內安裝）接口

監測預警IED對數據采集層預設2路RS485接口和1路無線通信接口，通信協議采用標準MODBUS協議。監測預警IED對通信管理機預設1路RS485接口和1路網絡接口，協議格式則需根據用戶需求開發。

5 結 論

本文研究的一體化鐵路管型母線智能監測預警系統，可在牽引變電所管型母線出現問題時及時準確地發出預警信息，防止事故發生，保障了變電所的安全、可靠供電，提高了整個牽引供電系統的可靠性，進一步保障了鐵路運營的安全、穩定。