城市軌道交通供電系統電纜故障在線定位技術研究*

戴麗君

(南京鐵道職業技術學院，210031，南京//副教授)

城市軌道交通的供電電源要求安全可靠，通常由城市電網的高壓(110 kV)降壓后以相應的電壓等級(35 kV或10 kV)分別供給沿線的牽引變電所和降壓變電所。目前，我國城市軌道交通的供電一般有3種方式，即集中供電方式、分散供電方式及分散與集中相結合的混合供電方式。各種供電方式中，供電電纜發揮著非常重要的作用，它保證了電能安全、可靠、穩定地進行傳輸。

對于分散供電方式而言，由于需要從城市電網分散引入多路中壓電源，且其與城市電網關系緊密，因接口多且獨立性差，導致運營管理相對復雜。特別是采用電纜線路供電，因線路路徑較長，每回線路往往設有若干中間接頭。統計數據表明，電纜中間接頭故障在電纜故障中占90%以上，這對城市軌道交通的安全運行造成很大影響。長距離供電電纜故障的判別診斷和處置，一直是城市軌道交通供電系統運營維護的難題。

現有的電纜故障判別處理方式都是在離線狀態下進行的，對于人員的業務素質要求較高，而且長距離電力電纜運行保護方式的特殊性和天窗作業時間限制也給電纜故障測試和處理帶來困難，難以保證故障處理時效。因此，采用現代化技術手段對城市軌道交通的電力電纜故障進行在線監測并準確定位，對于保證城市軌道交通正常運行具有重要意義。

適用于電力電纜的在線故障監測方法主要包括工頻量法和行波法兩大類。工頻量法通過求解基于線路工頻參數模型的故障測距方程獲得故障距離[1]，其主要問題是受線路結構、線路參數和互感器精度的影響，測距誤差大；行波法利用暫態行波信號在線路上的傳播特性實現故障測距[2-4]，其主要優點是測距精度高，并且適用于各種線路。

行波法不僅需要解決行波信號傳變、采集、時間同步和通信等關鍵技術問題[5]，而且還要通過對暫態行波波形的深入分析才能獲得準確的行波到達時刻。為此提出了一系列現代數字信號處理算法，主要包括小波變換[6-7]、數學形態學[8]、Hilbert_Huang變換[9]、經驗模態分解[10]，但這些算法基本停留在理論研究階段。

文獻[11]針對電力架空線-電纜混合線路行波測距，提出一種分段計算的雙端行波故障測距算法;文獻[12]提出基于C型行波法的電力電纜故障定位方法，但都只針對電纜主絕緣故障，而未考慮電纜金屬護層的絕緣故障。

本研究將雙端行波法、區段環流法、穩態差動法和地理信息系統(GIS)相結合，研制開發了一套實用的電力電纜在線故障定位系統，對于快速判斷、準確定位電纜故障位置、縮短搶修時間及降低供電安全風險具有重要意義。

1 電力電纜在線故障定位系統構成

電力電纜在線故障定位系統的總體架構如圖1所示，整個系統由4部分構成。

圖1 電力電纜在線故障定位系統構成

1.1 配電所電纜監測終端

配電所電纜監測終端由主控單元、高速數據采集單元、GPS(全球定位系統)授時模塊、通信模塊及電源模塊等構成。監測終端通過外置式高頻電流傳感器實時采集電纜三相芯線和三相金屬護層接地線的高頻暫態行波電流信號，并具有行波錄波功能。

為保證行波測距的分辨率，設計采樣頻率為50 MHz，同時GPS授時模塊保證各配電所監測終端之間的時鐘誤差不超過50 ns。

為了監視電纜金屬護層絕緣故障，監測終端還通過專門研制的外置式低頻電流傳感器實時采集電纜三相金屬護層接地線的工頻電流信號，并具有故障檢測功能。

當電纜主絕緣或金屬護層絕緣發生故障時，監測終端通過通信模塊自動將記錄到的波形數據上傳到遠端的電纜故障定位GIS展示平臺。

1.2 電纜中間接頭監測終端

電纜中間接頭監測終端通過專門研制的外置式低頻電流傳感器實時采集電纜中間接頭兩側三相芯線和三相金屬護層接地線的工頻電流信號，具有接頭內部主絕緣故障檢測和接頭外部金屬護層絕緣故障檢測功能。

當電纜中間接頭的內部主絕緣或外部金屬護層絕緣發生故障時，監測終端自動將記錄到的監測數據上傳到遠端的電纜故障定位GIS展示平臺。

電纜中間接頭監測終端通過CT(電流互感器)取電方式供電，并將自帶的蓄電池作為后備電源。

1.3 電纜故障定位GIS展示平臺

電纜故障定位GIS展示平臺可以部署在供電中心的專門服務器上，也可以部署在公網的云服務器上，其應用軟件系統基于B/S(瀏覽器/服務器)架構，具有行波故障定位分析、電纜中間接頭故障分析、電纜故障位置GIS展示、歷史數據統計與查詢及電纜故障告警(短信、彈窗)等功能。

電纜運維人員可以通過短信方式實時獲得電纜故障告警信息，也可以隨時通過瀏覽器登陸云服務器進入電纜故障定位GIS展示平臺頁面，進而實時查看被監視電纜的當前運行狀態和所有歷史故障信息。

1.4 通信網絡

通信網絡可直接采用鐵路供電遠動系統(SCADA)數據通信網，亦可采用4G無線通信網。

2 電纜故障定位原理

2.1 電纜主絕緣故障定位——雙端行波法

當電纜某相主絕緣發生故障時，在故障點將產生高頻暫態行波，而且故障暫態行波將在故障相的芯線和金屬護層之間傳播，其傳播路線如圖2所示。

圖2 電纜主絕緣故障暫態行波傳播示意圖

根據雙端行波原理，故障點F到電纜兩端配電所M、N的距離DMF、DNF分別表示為：

式中:

ν——行波波速；

L——電纜線路全長；

tM,tN——分別表示故障初始行波到達M端和N端配電所監測點的絕對時間。

在本系統中，首先通過安裝在電纜兩端配電所的電纜監測終端檢測故障初始行波觸發設定門限時的絕對時刻，進而在電纜故障定位GIS展示平臺通過對故障行波波形進行分析來獲得校準后的故障初始行波到達時刻。

2.2 電纜護層絕緣故障定位——區段環流法

考慮到電纜沿線可能存在多個中間接頭將整條電纜劃分成若干電纜區段，而且每個電纜區段兩端的金屬護層采用不同的接地方式，即一端金屬護層直接接地，另一端金屬護層經保護間隙接地，如圖3所示。

圖3 電纜金屬護層絕緣故障定位示意圖

在正常運行情況下，每個電纜區段的芯線負荷電流通過電容效應感應到金屬護層接地回路的工頻電流(即環流)非常小。當某電纜區段的金屬護層發生接地故障時，護層接地線上的工頻電流將發生突變，據此可以檢測金屬護層接地故障,并將其定位到具體的電纜區段。

在本系統中，配電所的金屬護層接地環流由配電所電纜監測終端負責采集，而其它各電纜區段的金屬護層接地環流則由電纜中間接頭監測終端負責采集。配電所電纜監測終端和電纜中間接頭監測終端基于環流法實時檢測電纜金屬護層絕緣是否發生故障。

2.3 電纜中間接頭故障檢測——穩態差動法

電纜中間接頭的故障檢測原理如圖4所示。

圖4 電纜中間接頭故障檢測示意圖

由圖4可知，在正常情況下，電纜中間接頭外部(虛框以外)發生故障時，流過接頭兩側芯線的電流完全相同，因而在圖4所示參考方向的前提下，兩側芯線電流的矢量和為零；當電纜中間接頭內部發生故障時，兩側芯線電流的矢量和不再為零，而是必然超過設定的數值，據此可以檢測電纜中間接頭故障。

在本系統中，電纜中間接頭兩側芯線的三相電流由電纜中間接頭監測終端負責采集，并基于穩態差動法實時檢測電纜中間接頭內部是否發生故障。

3 電纜故障位置的GIS展示

3.1 軟件系統架構

電纜故障定位GIS展示平臺軟件布置在服務器端，主要實現電纜故障在線監測數據的存儲、分析和基于百度地圖的GIS展示等功能，其軟件系統包括數據分析引擎、數據庫引擎及地理信息引擎等。

圖5 電纜故障定位GIS展示軟件系統架構

GIS展示平臺軟件與客戶端的加載關系如圖5所示。其中，客戶端網頁的靜態部分基于html(超文本標記語言)編寫，動態部分則基于js(直譯式腳本語言)編寫。網頁與服務器之間的數據交互基于ajax(異步直譯式腳本語言和可擴展標記語言)技術實現，數據采用json(直譯式腳本語言對象標記)格式。

3.2 基于GIS的電纜監測網頁頁面加載

實際應用時，首先需要將實際電纜線路和設備節點的經緯度信息按照一定精度輸入平臺，并由服務器數據庫引擎存入數據庫。這樣，客戶端就可以隨時通過瀏覽器加載GIS展示平臺的Web(萬維網)頁面。

具體加載時，瀏覽器首先通過ajax從服務器的GIS數據引擎獲取電纜線路和設備坐標數據，然后通過百度地圖API接口加載對應坐標區域的地圖，并將電纜線路坐標按照順序以實線形式繪制于地圖中，將設備節點坐標以標注形式繪制于地圖中，從而加載完畢。

3.3 電纜故障位置展示

在正常情況下，瀏覽器定時通過ajax向服務器數據分析引擎查詢電纜故障告警信息。當服務器接收到來自配電所電纜監測終端或電纜中間接頭監測終端的故障數據時，首先,根據電纜故障定位原理分析確認故障點位置;然后,生成電纜故障告警信息并存入數據庫;進而通過數據分析引擎將故障點位置信息打包，并以json對象形式發送至瀏覽器;瀏覽器再通過腳本中的數據處理引擎計算出實際故障點坐標，并通過百度地圖API接口將故障點坐標位置以彩色標注形式展示于Web地圖中。

2019年1月，基于本文提出的原理和技術研發的電纜故障在線定位系統在南京地鐵1號線南京南站站順利投入試運行。電力電纜在線故障定位系統負責監測南京南站站配電所進線電源電纜。電纜全長3.5 km，沿線布設4個中間接頭。

各監測點的工頻電流實時監測界面如圖6所示。其中，電纜線路下方的數據為A、B、C3個監測點的環流值，電纜線路上方的數據為電纜中間接頭C兩側的芯線電流值。到目前為止，整個系統運行情況良好。

圖6 各監測點的工頻電流實時監測界面

4 結語

研發了基于GIS的電纜在線故障定位系統，并投入實際運行。該系統將雙端行波法、區段環流法、穩態差動法和GIS展示融為一體，實現了對電纜主絕緣、電纜金屬護層絕緣和電纜中間接頭的全面在線故障監測。

本系統的推廣應用，可以大大縮短城市軌道交通電纜故障的修復時間，從而提高供電可靠性，提升運行維護水平。